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关于储罐设计若干问题的思考

发表时间：2020/11/18 来源：《基层建设》2020年第22期作者：张桂英

[导读] 摘要：在化工产业的生产过程中，需要使用到大量的化工液体或者石油、液化气等等原料，这些通常都储存在储罐之中。

        首辅工程设计有限公司泉山分公司江苏徐州 221000
        摘要：在化工产业的生产过程中，需要使用到大量的化工液体或者石油、液化气等等原料，这些通常都储存在储罐之中。储罐是化工产业的重要设备和储运设施，其储存的化学原料往往具有易燃易爆、腐蚀性强或者还有毒性等特征，因此储罐也需要进行相应的特殊设计，才能够提供安全保证，杜绝安全隐患，否则一旦发生生产事故，将会造成严重的人员伤亡和经济损失。储罐设计不仅仅要对其自身结构进行设计，还要按照相关规定进行防腐、抗震等安全性能的设计，本文将从这两方面出发对储罐设计进行过思考，希望能够为实际的设计制造提供参考，提升化工生产质量和安全。
        关键词：储罐设计；防腐；抗震；结构
        引言
        近年来，我国社会经济不断发展，对资源的需求越来越大，石油行业发展迅速，同时化工行业也突飞猛进，成为我国重要的经济支柱，为人民生活提供便利，为国家军事力量发展提供助力。储罐作为化工生产必不可少的重要设备而应用越发广泛，储罐安全也成为了化工生产安全的重要内容，如何科学合理地开展储罐设计，提升储罐自身性能的同时，保证储罐安全，成为了化工行业的热门话题。开展储罐设计要经济性与安全性并重，对设计压力、温度、钢材等进行深入思考，关注储罐的防腐、抗震消防等性能。切实提升储罐设计的安全性，是促进化工行业健康发展，有效避免安全事故的重要手段。
        1经济性与安全性原则
        进行储罐设计必须遵循两个原则，分别是经济性原则和安全性原则，尤其是在储罐尺寸和选材设计环节。在储罐尺寸设计过程中，要坚持省材料、降费用，根据实际生产所需要的容积作为设计基础，从材料直径和高度等方面进行多次组合设计，在满足现场条件的基础上，选取其中成本最低的设计方案，调整钢材高径比，直至储罐壁厚度达到最小，尽可能降低制造成本，保证设计经济性。同时，很多厂商会对管壁厚度进行合理调节，来缩减钢板使用量，但是不同设计规范对厚度要求不一致，这就需要对各类规范进行全面了解，结合化工生产实际状况和材料强度等进行合理设计，降低成本的同时，保证储罐安全性。随着化工行业的发展和储罐的普遍应用，与储罐相关的安全事故时有发生，不仅给企业带来经济损失，还造成了员工及周边居民的伤亡，因此储罐设计必须坚持安全性原则，从实际工况出发，对设计的各个环节以及储罐应用的各个阶段进行综合考虑，保证生产安全。
        2设计压力、温度
        在明确储罐设计压力时要考虑两个因素，分别是储存液体的具体状况以及罐顶压力。一般来说常压储罐的顶部存在能够通往大气的开口，因此没有内部压力。为了保证储罐安全，通常情况下，设计压力要控制在750Pa以内，特殊情况下，要根据专门的设计规范可以将压力最大设置为6000Pa，当储罐为浮顶罐时，可以将设计压力明确为常压，当储罐为立式时，不能忽视负压工况，以免造成负压而损坏罐体。
        在明确储罐设计温度时也要考虑两个因素，分别是实际生产对罐内液体温度的要求以及生产环境的温度，通常会将温度设置为储罐运行时罐壁及主要受力元件可能达到的最高或最低金属温度，这个温度不能超过90℃。当储罐为固定顶油罐时，按照相关规定可以将最高温控制在250℃以内，最低设计温度不低于-20℃，如果不采取温度控制措施，严寒地区的最低设计温度可以将明确为超出储罐使用地最低日平均温度13℃。
        3钢材设计
        在储罐设计中经常被应用到了钢材为以下几种：Q235A，Q235B，Q245R，Q345R，16MnDR，15MnNbR，12MnNiVR等。当储罐容积超出105m3时，通常对钢板的强度要求较高，抗拉强度610MPa，屈服强度490 MPa。储罐在运行过程中的主要受力来自静液压力，而其中的液面处于缓慢变化的状态，为了避免液体溢流，通常会将液面高度控制为管壁的十分之九。同时考虑到罐内气相空间变化小、环境温度影响小等现象，如果钢材为碳素钢和低合金钢，会根据钢材屈服强度的三分之二来设计许用应力，如果为高合金不锈钢，则按照压力容器设计经验明确许用应力。

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        4罐底设计
        从储罐整体来看，罐底相当于薄膜，直接平铺在基础表面，并且两者贴合。进行罐底设计时，要根据其中化工液体的腐蚀性和生产对使用周期的要求来明确罐底厚度。罐底由边缘板以及中幅板组成，前者主要是指罐底中和罐壁连接的部分，后者主要是指剩下的部分。其中，后者受力情况比较简单，所受到的径向力和环向薄膜力是同一个固定值，前者受力最为复杂，厚度也更大。
        5罐壁设计
        罐壁的受力主要来自罐中液体的侧向压力，相对于罐内半径，罐壁厚度更小，因此罐壁是一个圆柱形的壳体，进行罐壁设时只需要对环向薄膜应力进行了解和分析。在对管壁厚度进行明确的过程中，要以强度为最重要的因素，同时结合操作负压和风荷载的影响。当运营区域为地震多发区时，要加强抗震设计，提升储罐的安全性。
        6固定顶设计
        在进行固定顶的外荷载设计时，需要对固定荷载和附加荷载进行明确。首先固定荷载，也就是固定顶的重力荷载，隔热层也包括其中。其次附加荷载，主要指的是负压值、雪荷载和活荷载，在罐顶水平投影面积上的附加设计荷载值，要超出1.2kPa，当储罐为内浮顶油罐，并且存在环向通气孔时，要超出0.7kPa。通常罐顶板与罐壁之间会设计为弱顶结构，这是为了当事故发生时，弱连接会通过塑性失稳来将压力释放，从而为罐体、罐底缓解一定破坏。
        7防腐设计
        防腐设计包括内外两部分，主要是为了缓解罐内液体和外部环境的腐蚀，常用的方法有采用防腐涂料和进行阴极保护等，但这两种方法有时会发生冲突，导致防腐涂料效果无法正常发挥，从而引发燃爆事件，造成重大损失。在进行防腐设计时，要按照相关技术规范的指导来进行，对外部环境和内部液体的特性进行全面分析，考虑到不同防腐措施之间的协调性，根据不同位置的防腐需求，制定有效的防腐蚀保护方案，同时还要重视涂料质量和施工质量，保证防腐蚀作用正常发挥。
        8抗震设计
        当储罐的运行区域为地震多发区时，需要加强抗震设计，提升储罐的强度和抗外力能力。地震发生时，首先会对罐壁下部造成破坏，导致轴压失稳问题，进而出现变形甚至裂缝，最终造成化工液体泄露，而这些危险性极强的液体极有可能引发燃爆、毒气等事故，因此，抗震设计的主要内容就是避免罐壁轴向失稳。罐壁失稳的主要影响因素来自轴向压应力，设计人员可以通过分析软件对储液高度进行模拟，明确合适的高度，以此来实现对轴向压应力的控制，同时，要将储液深度控制在储罐额定液位的三分之二以内。总之，为了避免地震灾害对储罐的破坏，要对区域地理状况进行了解，尽可能避开地震多发区。同时，采取降低储液深度的方式来避免罐壁失稳，增强储罐的抗震能力。
        总结语
        综上所述，储罐作为化工产业中常用的储运设备，所储存的液体具有较强的危险性，具有腐蚀性或者毒性，储存不当还有可能造成燃爆事件，因此储罐设计对于化工生产安全而言十分重要。在进行储罐设计时，必须要坚持安全至上原则，遵循国家标准规定，对储罐结构和各部位进行合理设计，加强储罐的强度、防腐、抗震等性能，同时也要考虑到经济性因素的影响，切实保证储罐的安全性，促进石油化工行业健康稳定发展，为化工生产安全提供保证。
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        [3]李娟娟.立式圆筒形储罐设计中需注意的几个问题[J].安徽化工，2019，45（06）：101-103.
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