我国超大型油罐的发展与结构设计
孙硕
(北京石油化工学院机械工程学院油气储运工程专业北京102617)
摘要文中介绍了国内超大型油罐的发展历程，以浮顶油罐为例，介绍了目前的发展现状，对油罐设计时采用的规范、设计条件、单双盘、结构特点、施工与安装，注意事项等方面作了综合分析与比较，随着越来越多大型储备油库的设计与施工的陆续展开，我们应积累的成功经验和国内外的先进技术，应用到国内油库的建设中去，使我们的设计，技术更先进，油罐投用后运行更可靠。
关键词：超大型；油罐；规范；标准；结构；设计
1、国内超大型浮顶油罐发展历程以及现状
国内大型浮顶油罐（一般认为容积在5*104 m3～10*104 m3为大型浮顶油罐，容积≥10*104 m3为超大型浮顶油罐）的发展始于20世纪70年代。因材料等方面的原因，我们的油罐整体水平多年一直停留在5*104 m3的水平上。
20世纪的1985年，石油天然气管道局秦皇岛输油公司以技术贸易结合的形式，从日本新日铁株式会社引进了两台10*104 m3超大型单盘浮顶油罐，引进技术包括设计、高强度钢板、成品部件及施工技术等。日本油罐建设新材料、新结构、新技术的采用，使我们备受启发，收益非浅。从此以后便拉开了国内建造超大型浮顶油罐的序幕[1]。
到目前为止，国内超大型浮顶油罐的发展，经历了四个阶段。第一阶段为整套技术引进，包括设计、高强度钢板、热处理成品部件和施工技术，如20世纪80年代中后期在秦皇岛、大庆建造的10X104 m3超大型浮顶油罐[2]。第二阶段为国内自己设计和施工，仅引进高强度钢板和热处理成品部件。第三阶段为国内自己设计，仅引进高强度钢板，焊后消除应力热处理在国内完成。第四个阶段从设计、高强度钢板和热处理全部国产化，如北京燕山石化公司建造4台10*104 m3超大型浮顶油罐。经过上述四个阶段，我们的设计和施工水平有了大幅度的提高。2005年，由中国石化工程建设公司（SEI）和洛阳石化工程公司（LPEC）联合设计的国内最大的原油罐----15*104 m3超大型浮顶油罐（内径100m,罐高21.8m）建成，并顺利通过水压试验和中国石化集团公司的交工验收，目前已完全具备进油条件。标志着国内超大型油罐的设计与施工已跨入世界先进行列。
2.超大型油罐设计需考虑的几个问题
2.1设计规范
国内第一台超大型浮顶油罐从日本引进，所以我们开始设计的超大型浮顶油罐均采用日本工业标准JIS B8501《钢制焊接油罐结构》，到90年代中后期，已部分采用美国石油学会标准API650《Welded Steel Tank For Oil Storage》，这里所说规范，实际指用于罐壁强度计算时所采用的规范，对于抗风、抗震按以上两种规范计算，不是太合理，因为动载荷的选取及地质条件和国内不尽相同。API650和JIS B8501用于计算油罐罐壁强度时的主要区别有①许用应力的取值不同②底层壁板焊缝系数的选取不同③是否考虑罐壁最大应力点上移，即采用变点法还是定点法计算④计算液位高度的取法有区别⑤储液密度和腐蚀裕量的取法不同。
2.2设计条件
储罐基础设计必须具备以下资料：
1 建设场区的工程地质勘察报告；
2 建设场地和地基的地震效应评价；
3 罐区平面布置及设计竖向标高，罐中心座标；
4 储罐的型式、容积、几何尺寸、罐底坡度及中心标高、设计地面标高、罐壁底端线分布荷载标准值；
5 储罐内介质及最高储液面的高度、最高温度、介质重度；
6 储罐的罐前平台、排放口、沟、井、梯基础等辅助设施的位置及型式；
7 与储罐罐体有关的管道布置、预埋件、锚栓布置及罐周的排水设施等；
8 储罐施工安装、试压等方法对罐基础的要求[3]。
2.3 结构特点
2.3.1 关于油罐模数
油罐模数指油罐内径与罐壁高度。长期以来，人们把油罐模数固定下来是不太科学的，尤其对超大型油罐。油罐模数的确定主要应以总投资费用最低为原则，这些费用包括油罐本体的投资费用、油罐基础的投资费用和个罐组的占地费用，综合考虑以上费用而确定的油罐模数才比较合理，尤其在沿海地带建造超大型油罐，油罐模数的选取显得更为重要。国内虽然已设计出125 dam3超大型浮顶油罐。但客观地讲，不宜生搬硬套而应根据建罐地区的具体条件来确定油罐模数。
2.3.2 关于主体材料
在引进100 dam3浮顶油罐之前，国内自行设计与建造的油罐最大容积仅为50 dam3，当时不能建造大型油罐的最主要原因是受到材料强度的限制。材料强度低，油罐壁厚必然增加，但对如此庞大的油罐进行焊后热处理是不现实的。而且厚钢板焊接会产生很大的焊接残余应力和焊接缺陷，增加了油罐脆性破坏的机率。各国的油罐及压力容器设计规范对不进行焊后热处理的钢板的最大使用厚度提出了限制，如美国石油学会API 650标准规定A537M/A537钢板的最大使用厚度为45mm；日本工业标准JIS B8501规范规定低碳钢为38mm，高强度钢为45mm；英国工业标准BS 2654规定40mm，我国的油罐设计规范GB 50341的规定与JIS B8501相同。因此，要建造超大型油罐必须在钢板强度上有新的突破。因为提高强度，必然造成材料的可焊性降低，冲击功下降，增加了油罐脆性破坏的机率，国际上也没有这样的先例。2.3.3 油罐结构
油罐结构的关键是边缘板厚度的选取和大角焊缝结构型式的确定。在这两个方面，美国石油学会标准API 650和日本工业标准JIS B850有一定的区别。在相同条件下，前者规定的边缘板厚度薄，而后者要求的厚；大角焊缝前者要求当边缘板厚度大于13 mm时，应内外开双面坡口，而后者要求仅仅内侧可开单面坡口，国内超大型油罐的设计选用后者规定的型式居多，大角焊缝的结构优化值得我们进一步研究[4]。
2.3.4 关于强度计算
国内对超大型油罐的壁厚计算普遍采用美国石油学会API 650标准和日本工业标准JIS B8501规范，由于国内首台100 dam3超大型浮顶油罐是从日本引进的，因此，我们自行设计的超大型油罐设计采用巧规范的居多。从20世纪90年代中后期，已部分采用API 650标准。JIS B8501和API 650用于罐壁厚度计算时的主要区别是：①许用应力的取值不同②底层壁板焊缝系数的选取不同③考虑罐壁最大应力点是否上移，即采用变点法还是定点法计算方法不同④储液密度和壁厚附加量的取法不同。从实际计算结果比较来看，按计算的底圈壁板较厚，而底圈上面的第二圈较薄。通过现场应力实测，发现按API 650计算的壁厚，应力分布比较均匀，而按JIS B8501计算的壁厚，第一圈与第二圈有较大的应力梯度。对两种规范的选取，还需设计者进行认真的比较[5]。
2.3.5 关于浮盘结构型式
浮盘的结构型式主要有单盘式和双盘式。单盘和双盘两种结构型式，国内都有使用的经验。其本质上认识单双盘。单从简单的单盘省料、便于施工，但保温性能差，变形不易控制，容易集水造成腐蚀而双盘保温隔热性能好，排水方便，但用料多、施工不便等来选择浮盘
的结构型式，是远远不够的。国内引进的油罐当中，单双盘都不同程度地存在问题，而且还发生过沉盘事故。造成这些问题的原因，除了自然条件以外，不是单双盘本身的问题，而是结构上有进一步考究之处。因此，单双盘的选择及结构设计需要认真研究，以便在出现各种不利工况时，浮盘能经得住真正的考验。
2.3.6 油罐的环形冷却水管
(1) 新安装的油罐环形冷却水装置宜采用无堵塞的水幕喷淋头。
(2) 安装时应与罐壁有一定的距离，防止水花飞溅，以保证喷淋冷却的效果。
(3) 有些油罐外壁中间设置有加强圈，应考虑加强圈下部罐壁的冷却效果。
2.3.7 排污管及排污口
在油罐底设特制的锅底，锅底与油罐双面焊接，排污管线在罐内应伸到安装在底板下的锅中，这样在排放罐内污水时，不容易将油带出(见下图)。
图油罐排污管示意图
3 总结
“细节决定成败”,我们今天的“以人为本”的理念不断深入人心，应重视各方面的细节问题，使设备、设施的设计、安装更加方便人员的操作和使用，更能保证人员的安全。以不多的资金投人，产出更大的安全效益。以上是在超大型油罐设计当中的确值得思考的几个问题。除此之外，油罐的抗风计算、抗震验算、紧急排水管设置、密封与排水型式，油罐的防腐蚀条件等，均要做大量的调查研究工作。我国超大型浮顶油罐的建设，从引进消化到吸收改进，历经了二十年，期间我国油罐的设计和施工水平向前迈了一大步。但不论设计还是施工，还有很多方面值得我们认真学习研究，详细总结。随着越来越多大型储备油库的设计与施工的陆续展开，我们应把我国超大型储罐设计积累的成功经验，国内外的先进技术，应用到国内油库的建设中去，使我们的设计，技术更先进，方案更合理，质量高，油罐投用后运行更可靠。
参考文献：
[1] 李宏斌范云.我国超大型浮顶油罐的发展[J].炼油技术与工程，2005，2，35（2）
[2] 曹崇阳肖立兵.石油化工企业中立式钢制储油罐设计特点[J].中国新技术新产品，2009，NO.16
[3] 齐正武.重视立式油罐设计和建造中的细节问题[J]. 石油库与加油站，2007，12，16（6）
[4] 李宏斌.我国超大型浮顶油罐的发展[J].技术综述，2006，23（5）
[5] 李宏斌.油罐常用设计规范计算方法比较[J].炼油技术，2002.11，32（11）