1500m3储罐设计

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15003m储罐设计

1 综述

1.1国内外汽油储罐的发展概况

长期以来，我国库存轻质油品，广泛采用固定顶油罐和浮顶油罐。由于固定顶油罐在存贮和收发油品时存在“小呼吸”和“大呼吸”，油品蒸发损耗较大，而且会因为油气逸散到空气中造成环境污染，危害人们身体健康。因此油品及化学品的蒸发损耗一直是石油、化学工业关心的问题。人们最初关心的是经济损失和安全，近年来还关心生态、环境保护方面的问题。为了较经济有效地解决这个问题，世界上发达国家如美国、法国、前苏联早在五、六十年代相继开始研制浮顶油罐。我国直到70年代末期才开始研制。由于浮顶罐能降低损耗，减少环境污染，主要用于储存原油、汽油、柴油等介质。随着内浮顶技术的发展，汽油和航空煤油大多数采用内浮顶罐，新建的外浮顶罐几乎都用于储存原油。

1955年前后，第一次实际采用塑料泡沫浮顶这个充气的救生筏形的构件漂浮在液面上，能减少汽油罐的蒸发损失85%。法国还研制了由硬聚氯乙烯浮动盖板组成并以同样材料作为浮子支撑的内浮顶罐。前苏联从1961年起开始使用合成材料做内浮盖，到1970年末已有3006223

m容量的储罐装配了合成材料做的内盖。1962年美国在组瓦克建有世界上最大直径为187ft(61.6m)的带盖浮顶罐。到1972年美国已建造了600多个内浮顶油罐。

由于塑料浮顶耐温较差及使用寿命等问题, 从20世纪50年代开始，非钢内浮顶罐开始出现，其材料有铝、环氧及聚酯玻璃钢、聚氯乙烯塑料和聚氨酯泡沫塑料等。加拿大欧文炼厂在直径为28.65m油罐中就采用了全铝制的内浮顶。

与钢制内浮顶相比,非钢内浮顶具有质轻、耐腐蚀等优点,但强度较差,有的价格较贵,使其应用受到限制。20世纪80年代以前以钢制内浮顶的应用为主，但此后,耐腐蚀能力和综合力学性能较好的铝合金在内浮顶制造上得以应用,用其制造的装配式铝制内浮顶油罐的降耗率能够达到96%,而且现场安装时的动火量比钢盘式内浮顶减少95%以上,因此得到广泛的推广应用。为了更好的设计和发展内浮顶储罐，1978年美国API650附录H对内浮盘的分类、设计、安装、检验及标准荷载、浮力要求等作了一系列的修订和改进。

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国内于20世纪70年代后期，开始使用浅盘式钢制内浮顶。由于浅盘式钢制内浮顶的抗沉性差，20世纪80年代中后期开始使用铝制内浮顶，钢制内浮顶已使用得很少。1978年国内30003

m铝盘储罐投入使用，通过测试蒸发损耗标定，收到显著效果，近20年也相继出现了各种形式和结构的内浮盘或覆盖物。

经过长时期的使用及探索,近年来,内浮顶的总体结构有了较大改进,相继开发了多种新型的装配式铝浮顶,使内浮顶储罐技术得到较快发展。目前新建的内浮顶罐，绝大多数采用铝制内浮顶。在用的罐，当需要改造成内浮顶罐时，采用铝制内浮顶是最佳的选择。

1.2储罐结构型式的选择

油品储罐的选型应考虑的主要因素是尽量降低油品损耗，避免油品在储存期间变质，减轻大气污染与火灾的危险性，同时还要考虑经济合理。

控制和减少储液的蒸发是储罐技术发展的一个重要方面。油品在储存过程中的蒸发损失不仅可以造成储液量的损失，还导致油品质量的下降，使油品变质。减少储罐的蒸发损失有很多措施，如用水喷淋可基本消除固定顶罐的小呼吸损失，但这要浪费大量的冷却水，将罐体外表面涂成白色或使用热绝缘材料可降低小呼吸损耗60％，还有提高储罐承载能力等措施。但是，以上这些措施都不能从根本上减少储罐的蒸发损失，采用内浮顶罐是迄今为止控制油品蒸发损失所采用的技术中最有效的解决办法之一。

储存汽油，柴油的储罐原则上既可以选择固定顶油罐,也可选用内浮顶油罐。但不同罐型的防火距离要求是不同的,一般而言(容量大于10003

m的油罐),固定顶油罐之间的距离为0.6D(D为罐直径)，内浮顶油罐之间的距离为0.4D。对固定顶与内浮顶油罐的选型进行分析比较,当土地价格与地基处理费用较高时,从经济合理性上来讲,选用内浮顶油罐是恰当的。

考虑到本油罐所盛的介质为汽油，而汽油为易挥发的轻质油品，为降低汽油的蒸发损耗，减少环境污染，以及减少油库的占地面积，选用内浮顶罐最合适。

1.3内浮顶储罐概述

1.3.1内浮顶罐的构成及特点

内浮顶储罐主要由罐体、内浮盘、密封装置、导向和防转装置、静电导出设施、

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通气孔、高液位报警器等组成。为避免浮顶漏损沉没，多采用带有环形隔舱的内浮顶，或采用双盘式内浮顶以增加浮盘的浮力及安全性（后者还起隔热作用）。

钢制的内浮盘的浮顶储罐在美国石油学会（API）称为“带盖的浮顶罐”，而称铝制（或非金属）浮盘为“内浮顶罐”，而这两种形式的的储罐在国内均称为内浮顶储罐。这种罐的顶部为拱顶与浮顶的结合，外部为拱顶，内部为浮顶。内部的浮顶可减少油品的蒸发损耗，而外部的拱顶又可避免雨水、尘土等异物从环形空间进入罐内。由于具有浮顶罐和拱顶罐的优点，这种罐主要用于储存航空煤油、汽油等要求高的油品。

内浮顶油罐罐体外形结构与拱顶油罐大体相同。与浮顶油罐相比，它多了一个固定顶，这对改善油品的储存条件，特别是防止雨水杂质进入油罐和减缓密封圈的老化有利。同时内浮顶也能有效的减少油品的损耗，所以内浮顶油罐同时兼有固定顶油罐和浮顶油罐的特点。从耗钢量比较，虽然内浮顶油罐比浮顶油罐增加了一个拱顶，但也省去了罐壁和罐顶周围的抗风圈、加强环、滑动扶梯和折水管等，因此总耗钢量仍略少于浮顶油罐。内浮顶罐的详细特点如下：

1）、内浮顶储罐不是固定顶罐和浮顶罐的简单迭加，由于结构上的特殊性，与固定顶储罐相比有以下特点：

①、储液的挥发损失少。由于内浮盘直接与液面接触，液相无挥发空间，从而减少发损失85%～90%。

②、由于液面没有气相空间，所以减轻了罐体（罐壁与罐顶）的腐蚀，延长了储罐的寿命。

③、由于液面覆盖内浮盘，使储液与空气隔离，故大大地减少了空气的污染，减少了着火爆炸的危险，易于保证储液的质量。特别适用于储存高级汽油和喷气燃料，也适合储存有害的石油化工产品。

④、在结构上可取消呼吸阀及罐顶冷却喷淋设施。

⑤、易于老罐改造成内浮顶罐，并取消呼吸阀、阻火器等附件，投资少，经济效益明显。

2）、内浮顶罐与外浮顶罐相比有如下特点：

①、内浮顶罐又称“全天候”储罐，由于有顶盖密封能有效地防止风、沙、雨、

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雪灰尘污染储液，在各种气候条件下均能正常操作，不管寒冷多雪、风沙频繁或是炎热多雨地区储存高级油品或喷气燃料等严禁污染的储液特别适宜。

②、在相同密封的条件下，内浮顶储罐可以进一步降低蒸发损耗。这是因为固定顶的遮挡以及固定顶与内浮盘之间静止的空气层，有较好的隔热效果，并使蒸发损失进一步减少。

③、内浮顶储罐的内浮盘没有雨雪载荷，浮盘负荷小，结构简单、轻便。浮盘上可以省去中央排水罐、转动扶梯、挡雨板等，易于施工和维护。

④、由于有固定顶的遮挡，内浮盘周边的密封装置避免了日光直接照射而老化。

⑤、节省材料，易于施工和维护。

3）、内浮顶罐的缺点：与拱顶罐相比耗钢量多一些,施工要求高一些,与浮顶罐相比密封结构检查维修不便,储罐不易大型化,目前容量一般不超过100003

m。

1.3.2浮盘的选择

根据不同材料的性质以13.5m浮盘为例，按照国家标准GB50341-2003 ?立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范?的要求，在不考虑腐蚀余量的情况下，对其耗材和性能比较。

1)钢浮顶。按照标准要求下盘、上盘及周边钢板选用4.5mm厚，中间隔板选用

2.5mm厚，整体重量超过为35t。

2)不锈钢浮顶。不锈钢内浮顶适用性好，耐腐蚀，适用于大多数介质。浮顶盖板选用0.5mm厚，骨架、浮筒用1.2mm厚，13.5m浮盘重量约在9t。

3)铝浮顶。铝浮顶耐腐蚀性较好，整体重量轻，制作方便。盖板选用0.5mm厚铝板，骨架选用2mm厚，浮筒选用1.7mm厚，13.5m浮盘重量约在2.1t。由于重量轻，浮盘运行稳定性好。

根据上面的比较，选用铝浮顶的性价比高，经济合理；如必须选用钢浮顶，选用不锈钢材料做内浮顶无论从使用方面，还是价格方面都比选用碳钢浮顶更为合理。

1.3.3铝制内浮盘储罐

所谓铝制内浮顶储罐，即是在钢制的固定顶储罐内设置一个铝制或铝镁合金材料装配而成的内浮盘。装配式铝制内浮顶采用非焊接结构,主要由浮筒、构架、铺板及支腿等部件组成。构架和铺板位于油面以上,用卷制的铝合金筒作浮力构件,支撑整个构架,铺板与油面之间有一定的空间,除了铝浮顶与罐壁之间的环形空间以外,所有

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油面由铝浮顶覆盖。铝浮顶周边与罐壁之间的环形间隙采用舌形密封装置或填料式舌形密封装置加以密封。铝浮顶上设有量油孔、真空阀、人孔、防静电装置和防旋转装置等附件。铝制内浮顶按照提供浮力的元件区分有浮管式的和浮子式的。本设计选用浮管式，其结构如图1所示：

图1 装配式铝制内浮顶油罐结构示图

与钢制内浮顶相比，铝制内浮顶有很多优点：

1）、施工工期短，对罐壁要求低

钢制内浮顶是用钢板焊接而成，往往是在生产罐区内施工,长时间大量焊接与切割的动火工作对生产罐区来说无疑是十分危险的，装配式铝制内浮顶实现了预制,全部零部件可以通过罐壁人孔送入罐内,用螺栓进行安装,安装时的动火工作量比钢盘式内浮顶减少95%以上，1台15003

m油罐的装配式铝制内浮顶,可以在一星期之内完成全部安装工作。

2）、质量轻，成本低，安装、搬运方便

铝制内浮顶的全部零件都采用铝合金制造，在搬运过程中十分轻便。因此，在安装过程中不需要起重设备，零件的组装不用焊接，多采用螺栓紧固，个别部位采用铆接。特别适合于旧拱顶钢罐改造成内浮顶罐。

3）、密封圈更耐腐蚀

钢制内浮顶采用“O”密封，而装配式铝制内浮顶四周与罐壁之间的环形空间多数采用舌形密封装置加以密封，一种是舌形橡胶密封带，一般用在新罐上；另一种是填料式舌形密封胶带,一般用在旧罐上。舌形密封属于二次密封，它除了提高密封效果外，还可以保持一次密封免遭风雨等的破坏，延长一次密封的寿命，但使用二次密封能减少油罐的有效使用容积。其结构图如图2所示：

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图2 舌形密封装置

4）、浮盘升降更平稳，不易卡盘

钢制内浮顶由于自身重量大、浮船容易腐蚀渗漏，造成倾斜升降，发生沉船现象，导致油罐不能正常工作。装配式铝制内浮顶改变了传统的利用大直径(DN 200)不锈钢管作支撑的硬式防转装置，采用了固定钢丝绳支撑的软式防转装置，使内浮顶自由的漂浮在油面上，缓解了浮顶径向压力的不均衡状态，防止了卡盘现象。1.3.4铝制内浮顶工作原理

当油品进罐后，油品充满在罐底、罐壁与内浮顶之间，当油品液位高度达到淹没浮筒的1/2时，内浮顶便在浮筒产生的浮力作用下漂浮在油面上，随着油面升降而升降，有效地减小了油品上部的气相空间，同时，始终将油品与空气保持隔离状态，从而大量减少了油品的蒸发损耗，节约了能源，减少了环境污染，提高了储罐使用的安全性。内浮顶储罐正常运行的关键点是内浮盘的安全平稳升降。若处理不当，引起沉盘，起不到内浮顶储罐的作用，则安全性要求就得不到保证。为确保内浮盘安全平稳升降的要求主要有两方面：一是导向结构；二是内浮盘的平整度。导向管越垂直，内浮盘的平整度越好，内浮盘上下升降的平稳性越好。

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2 内浮顶油罐的设计计算

2.1 内浮顶油罐的设计思想和参数的确定

内浮顶油罐总的设计思想是在设计容积给定的情况下，如何使设计出的油罐达到最低的工程造价和材料消耗，同时又满足罐壁强度和稳定性要求。

储罐的设计参数主要有：设计温度、设计压力、风及地震载荷、油罐的直径、高度、容量等。

根据储罐所盛装的介质（汽油）及工作环境（湖北地区）确定设计温度为0--60C 0，设计压力为常压，即-0.49KPa —1.96Kpa 。其他参数将在后文中介绍。

2.2 罐总体尺寸的确定

储罐总体尺寸的确定主要坚持两个原则，即材料最省和费用最省。

2.2.1 储罐内径和高度的确定

表1储罐的经济尺寸

当容积大于10003m 时采用不等壁厚的储罐。若把罐壁和罐顶看作相同的费用，并且分别为罐底费用的两倍时，其经济尺寸8/3D H ≈看来合理些。按此算得容积为15003m 的储罐，高度为6.45m ，直径为17.20m ，储罐为“矮胖形”，取H=6.5m,D=17.3m 。计算容积为:2315274V D H m π

==。

对于立式圆筒性形储罐，可通过建立立式圆筒储罐罐体质量函数关系并求取极小值，同时引入质量折算系数的概念，在遵循JB/T4735-1997?钢制焊接常压容器?原则的基础上，推导出立式圆筒储罐最经济内径的计算公式，最后应用数值理论反复迭代的方法来确定储罐的最经济内径值（计算过程可参考文献16）。由此计算出

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的储罐的最经济内径值可归纳为下表：

表2储罐的最经济内径值

上述两种理论确定的内径和高度与HG 21502.2-92（化工钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列标准）提供的数据有些出入，这主要是考虑载荷、占地面积及许用容积等方面的因素。本文的设计以HG 21502.2-92给定的参数为准。HG 21502.2-92提供m的储罐的参数如下：

的公称容积为15003

m；储罐内径：13000mm罐壁高度：13500mm；拱顶高度：计算容积：16503

14050mm；总高:14905mm；罐壁底圈到第八圈的厚度（mm）分别为：8，7，6，6，6，6，6，6，储罐总重：51425Kg。

2.2.2 内浮顶所占容积和有效容积的估算

1、内浮顶占罐体的有效高度

根据内浮顶使用有关规定：放油时罐内应保持1.4m的高度，防止浮盘落架，卡盘，收放油时油罐本身的高度减少1.4m；进油时顶部有1.2m的空间（不包括圆

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顶部分）。因此m H 6.22.14.1=+=浮。

2、储罐的有效容积

上面确定了15003m 储罐的高度H=13.5m,所以内浮顶所占储罐的容积为： 39.28815005.136.2m V =?=浮 式（2-1）

储罐的有效容积为：31.12119.2881500m V V V =-=-=浮总有效。

2.3 材料的选择

1、储罐的用材按类别可分为：碳钢（碳素钢和低合金钢）、不锈钢、铝及其合金。

2、储罐主要用材的选择

储罐用材的选择应根据储罐的设计温度（最低和最高设计温度）、物料的特性（腐蚀性，毒性，易爆性等）钢材的性能和使用限制，在保证各部位安全，可靠的基础上节省投资的原则。在满足其他条件的情况下优先选用碳素钢。

3、罐壁和罐底的边板对选材来说是最重要地，也是最难于判断的。由强度决定的罐壁部分、罐底的边缘板(或简称边板)、人孔接管、补强板在原则上应选择同一种材科。罐底的中幅板、罐顶及肋板、抗风圈、加强圈等一般可选用Q235-A ，Q235-B 或Q235-A-F 牌号钢材。

由10003m 至100003m 的小型油罐由强度决定的罐壁部分的选材，根据用途及建罐地区最低日平均温度分别采用Q235-A-F 和Q235-A 。

当这些小型油罐锗存汽油时，则根据建罐地区的最低日平均温度选取不同材料。当最低日平均温度在—10C 0以上时，取Q235-A ，在-10— -20C 0时取Q235-A-F 。

油罐的其他部分，如罐底的中幅板、罐顶、抗风圈、加强圈等一般可选用Q235-A 或Q235-A-F ，日本在这些部位多选用SS41。

4、罐壁材料三项基本要求

罐壁材料的三项基本要求是强度、可焊性和冲击韧性，三者全都重要不个可偏废。

根据以上原则，储罐的主体材料选择Q235-A 。

2.4 罐壁设计

工程设计中罐壁厚度通常由三种方法确定，即：