10万15万钢制储罐技术总结

10万、15万钢制储罐技术总结

技术储备项目

编制：田立

校对：刘海宁

审核：晋永革

中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司

2004年12月

10万、15万钢制储罐技术总结

立项背景

近年来，国内兴建了众多的5、10、15万大型钢制储罐，北京分公司为了能够参与到这些项目中去，也做了大量的工作，但是因为没有相应的业绩，一直没有得到过类似的项目，为了使分公司在大型储罐项目上具有更强的竞争力，能够迅速的在投标中做出回应，2004年初开始，设备专业投入了大量的人力物力，对大型储罐的设计、建造进行广泛的研究调研，经过一年的努力，完成了5万、10万立方米外浮顶油罐的施工图设计，并收集了15万立方米外浮顶油罐的设计基础资料。现就一年来，取得的研究成果做一总结。

分公司现状

因为华北油田的产量在逐年的下降，华北油田的大型储罐项目比较少，我公司大型储罐的设计任务也较少，仅华北石油炼厂建造了2具1.5万立方米外浮顶油罐，该储罐是我公司1999年设计的，2000年投入使用，再有就是2004年冀东油田原油外输线项目中，设计了2具1万立方米外浮顶油罐，还有就是2004年年底完成的华北石化公司5万立方米外浮顶油罐的施工图设计。总的说来，2004年以前我们基本掌握了外浮顶油罐的结构性能，但是对大型的尤其是5万立方米以上的油罐，从罐壁材料的选择到设计经验上都存在着不足。这种不足造成了我们在投标过程中，技术准备期较长，不能有效的对市场的要求做出快速反应。

国内现状

通过近年来的一些国内工程项目来看，现在有10万立方米大型储罐设计经验的几家设计单位分别是，廊坊管道局设计院、大庆油田设计院、中石油规划总院、辽河油田设计院等几家单位。应该可以说在这几家设计院中以大庆和廊坊两家设计院对大型储罐了解得最深入，因为国内早期的储罐工程设计项目，一直就是以这两家单位为先驱的，他们最早介入了国内由日本设计建造的5万、10万立方米大型储罐，从而从工程中总结了大量的经验，同时也有机会与国际上一些油罐设计公司共同探讨和研发。现在大庆石油设计院已经模拟设计了15万立方米单盘外浮顶储罐，但工程上尚未实施。我们对大型储罐的调研也是通过与大庆设计院的技术交流的方式进行的。

研究过程

近二十年来油罐的设计及施工技术都有了更快的发展，由于原油储备量的增加，就迫使许多国家要建造更大更多的油罐。这一经济需要促进了油罐事业的发展。有越来越多的工程技术人员从事油罐的设计、研究工作。与此同时，随着油罐的大型化，实践也提出了越来越多的新课题，随着这些课题的研究和解决，也就使油罐的设计进一步发展和深化。

由于大罐的事故危害性比小罐更大，因此要求在设计施工、验收等方面更加慎重，综合各种资料和数据来看，大罐的危险性主要表现在以下两个方面。

一是油罐大了以后，油罐基础所占的面积也相应加大，如15万立油罐直径96米，在这样大的面积上要找到完全均匀的工程地址状况往往是比较困难的，60年代后期，欧洲先后有3座油罐连续发生不均匀沉降而造成罐底破裂事故。

二是油罐大了以后，罐壁板相应加厚了，所选用的材料屈服极限增高了，这二者都会造成材料冲击韧性下降的趋势。冲击韧性的下降增加了由于切口脆性而产生破坏的可能性，一些大型油罐在试水时发生的破坏事故就是由于切口脆性破坏而造成的。

通过我们广泛的收集资料，现在对上述问题有了相应的解决措施及对策。

罐的基础

对于油罐，尤其是大型油罐的威胁主要来自两个方面，一是基础的不均匀沉降，二是材料的脆性破坏。这两者往往是结合在一起的。由于不均匀沉降造成罐底或罐底与罐壁板间的角缝处产生过大的应力。在过大的应力下，再加上这个应力的交变，就会使原来存在的缺陷扩展，而这一扩展最终造成脆性破坏事故。油罐基础的沉降有以下5种类型。

均匀沉降：这种沉降的特点是整个基础均匀下沉，这种类型的沉降只有达到很严重的程度时才会造成损坏。油罐与进出油管相连接，当油罐下沉时，就会在进出口管与油罐罐壁相连接处产生附加应力，当下沉很严重的时候应力值会很大，甚至造成破坏。

倾斜不均匀沉降：这种沉降的特点是虽为不均匀沉降，但罐底的整个周边仍保持在同一平面上，一侧沉降较少，对面一侧较多，造成倾斜。这种类型的沉降对浮顶油罐可能会造成一定威胁。当油罐倾斜时，油面处的平面变成椭圆，对于机械密封浮顶油罐，其调节量较小，这时有可能会把浮船卡住。但是如采用软密封时，一般存在这个问题。

盘形不均匀沉降：这种沉降罐底周边沉降少，中心沉降多，形成盘形，一般情况下沉降不会超出允许范围，因此不会造成真正的威胁。

壁板周边的不均匀沉降

壁板周边局部沉降

后两种沉降实际上属于同一类型，是最危险的一种沉降，由于壁板在垂直方向的刚性是很大的，当下部基础沉降时，会使罐底与罐壁间的角缝和罐底的边缘板受力状况急剧恶化。对罐底基础沉降的控制实际上是控制这两种不均匀沉降。

如上所述，罐底的不均匀沉降以第4、5两种情况最为危险，因此对不均匀沉降的限制也主要是针对这两种情况。

ESSO公司有3座储罐曾经先后主要由于上述原因而发生了破坏事故，对此曾有多人进行了研究，研究结果表明，油罐对于不均匀沉降的适应能力与罐底的结构有关。这里所说的结构包括罐底边缘板的宽度、厚度、角焊缝的韧性等。根据这些研究结果，可以把罐分为三类，各类允许的沉降值见下表：

罐底的分类

类别

D≤50

D≤100

D≤150

I

板宽符合API650有关要求

边缘板最小宽度为0.91m

边缘板最小宽度为1.83m

II

板宽符合API650有关要求

边缘板最小宽度为0.61m

边缘板最小宽度为1.22m

III

板宽符合API650有关要求

板宽符合API650有关要求

边缘板最小宽度为0.67m

以上数据是ESSO公司在伦敦的一次国际石油工业研讨会上提出的，目前已经被越来越多的工程设计人员所采用。

油罐基础的的设计应与油罐的设计人配合好，当工程地址条件较差时，如柔软地基，则油罐应采取I级罐底，这样虽然罐底投资要较高些，但基础工程的费用会大大降低，相反，如地址条件较好时，如油罐坐落在均一的岩石上，则可取III类罐底，这样可以节省罐底投资而不必增加基础的工程费用。

2、油罐材料的选择

选材的基本原则是在安全可靠的前提下（包括不产生脆性断裂、不因强度不够或失稳而不能正常工作）投资最少，尤其是大型油罐的威胁主要来自基础的不均匀沉降和脆性断裂。正确的选材是防止脆性断裂的重要条件。

有些油罐在使用过程中，由于载荷的变化（液位升降），造成裂纹的高应力低循环疲劳扩展，当裂纹达到某一临界值时发生破坏。近些年来，由于焊接结构的大量应用和钢材的强度等级越来越高，结合众多文献和资料，对于上述油罐破裂的事故可用弹性断裂力学加以很好的解释。作用于工程方面就是第一要提高材料的韧性，第二要减少裂纹的长度。

由于罐壁的最大厚度有一定的限制，为了建造更大的油罐，迫使设计人员去追求强度级别越来越高的钢材，但在这一过程中如忽略了材料的韧性指标，则会发生或增加断裂韧性破坏的机率。材料的韧性和温度有关，温度越低韧性越差，这一情况在转变温度范围内更加明显，这样就要求对不同材料的最低使用温度有所限制，同时对在较低温度下使用时的材料冲击韧性值有所规定。减少裂纹长度在工程中最有效的方法是控制可焊性，其目的是要保证材料的碳当量含量不能超过某一规定的数值。

综合上述，结合国内类似工程的经验，10万、15万的罐壁板采用SPV490Q，这种钢板能够完全满足结构和性能的需要。

3、抗震加固的措施

油罐的抗震规范有两个特点，忽略了垂直方向地震加速度的影响，并且把罐体假设成为刚性的。

然而地震的运动是三维的，既有水平方向也有垂直方向的，地震垂直加速度会造成油罐产生径向位移，即油罐罐壁周长增加或环向应力增加。由于静水压力产生的环向应力再叠加上地震时由于垂直地震加速度产生的附加环向应力，并与由于罐底罐壁连接处的边缘效应产生垂直方向的弯曲应力组合而成的当量应力，有可能远远超过屈服极限，在超过屈服极限的整个区域会形成象腿。

当按油罐抗震设计规范进行计算发现不合格时，一般可以采取以下几种办法：

增加罐底边缘板厚度

改变油罐的径高比，一般情况下在容积不变的情况下，直径增加高度减少可以降低倾倒力矩。增加底层壁板厚度。

加设锚固螺栓

加设罐底板衬垫（衬层）。

4、油罐浮顶的设计

浮顶油罐是目前国内外大型油罐最常采用的一种结构形式。浮顶有两种，一种是双盘式，一种是单盘式。双盘式的有上下两层盖板，两层板之间由边缘环板、径向与环向隔板分隔为若干个互不渗漏的舱室。双盘隔热效果好，多用于轻质油的储存。根据一些资料的观点，5000立以上的多为单盘式结构，单盘的周边为环行浮船，环行浮船由隔板将浮船分隔成若干个互相不渗漏的舱室，单盘与浮船之间由连接角钢连接。但是通过我们调研的结果来看，10万、15万罐采用单盘结构的耗钢量几乎和双盘一样，双盘的稳定性和保温性能都要高于单盘，所以从工程实际的出发，我们在大型储罐的设计中，采用双盘结构。

基于以上设计时应注意的事项即原则，我们在罐底、选材、抗震等方面的综合考虑下，结合国内相应工程的特点确定了10万、15万钢制储罐的材料为SPV490Q，并且根据上述原则确定了10万立罐的基本尺寸，并完成了施工图的设计，同时结合工程经验确定了15万立罐的外型参数及选材，同时制定了15万立罐的结构特性，预计明年可以完成15万立罐的施工图设计。

验收结果

本年度，设备专业克服了人员紧张、生产任务繁重的困难，专门抽出人力进行钢制大型储罐的基础工作，工作主要包含了以下4个方面的内容：

100~10000立方米钢制拱顶储罐的施工图设计；

包含100、200、300、400、500、700、1000、2000、3000、5000、10000十一种规格的钢制拱顶储罐罐体施工图、梯子平台施工图，文字资料22页，折合1号图24.75张。本次基础工作设计的钢制拱顶储罐严格按照GB50341《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》及SH3046《石油化工立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》的相关规定进行设计，能够满足上述规格的储罐所有的设计要求。经过一年多在实际工程中的使用效果来看，完全能够满足各类工程的需要，并且达到了快速、准确、复用率高的立项目的。

50000立方米钢制外浮顶储罐的施工图设计

本设计按照GB50341《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》进行设计，图纸文字资料8页，折合1号图30.875张。设备总重1181445Kg，浮盘结构形式为双盘，密封形式为一次加二次密封形式，罐主体材料为16MnR，各部件配件材料广泛采用Q235-A，实现了全部材料的国产化。

3. 100000立方米钢制外浮顶储罐的施工图设计

本设计按照API650《钢制焊接油罐》进行设计，并同时满足GB50341《立式圆筒形钢制焊

接油罐设计规范》的有关规定，设计图纸文字资料11页，折合1号图44.5张。设备总重2153115Kg，浮盘结构形式为双盘，密封形式为一次加二次密封形式，罐主体材料为SPV490Q，最上两圈壁板采用Q235-A各部件配件材料广泛采用Q235-A，最大限度的使用国产材料，有效的降低了工程造价。

4.编制钢制大型储罐设计计算软件

软件的编制是基于GB50341《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》及SH3046《石油化工立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》进行的，同时能够满足API650的有关要求。本软件可以计算100~150000立方米的各种规格钢制焊接油罐，包括拱顶罐、内浮顶罐、外浮顶罐及梯子平台的计算。软件计算结果与手工计算结果相对照，正确率100%，并且计算精度大大提高，整个计算仅需要6~8分钟的时间，极大的提高了设计计算效率。本软件编写源程序代码19200余行，编写文档资料4.6万字，加上前期标准汇总、方案确定等工作，共投入人力25个人月，最终达到了用户界面友好、操作灵活简便、标准规范运用准确、用户可即时扩充数据库等特点。

上述工作，已经由分公司进行了验收，得到了广泛的好评。

存在问题

经过了一年对大型储罐的技术储备工作，我们已经基本掌握了10万立方米以下的大型储罐的技术要点，并完成了5000、1万、1.5万、5万、10万立方米大型储罐的施工图设计，可以说能够达到分公司在大型储罐项目上的技术要求。但是因为时间紧，任务重，还有一些细节需要进一步的完善，我们计划2005年，对储罐配件进行深入的调研，掌握国内外各种档次、价格的储罐配件，这样可以在投标工作中结合业主的要求和经济状况，提供出更为贴近实际工程的储罐设计，同时为了分公司的发展和振兴，在2005年还要投入精力，进一步的加强对15万大罐进行研究，争取尽快的掌握行业的最先进技术，提升专业乃至分公司的整体形象。