吉林化工学院
油气储运 课 程 设 计
题目 2700m³ 拱顶罐设计
教 学 院 化工与材料工程学院 专业班级 油气储运 学生姓名 乔佳琪 学生学号 ******** 指导教师 屈成亮
2011 年 12 月 17日
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吉林化工学院油气储运课程设计
课程设计任务书
题 目 学生姓名 一、原始数据 适用范围及设计条件： （1）油罐储存介质为汽油。 （2）设计压力 正压：1960Pa 负压：490Pa （3）设计温度 自选（-19℃≤t≤90℃） （4）基本风压 686Pa （5）雪载荷 441 Pa （6）抗震设防烈度 8度 （7）场地土类型 II类 设 计 内 容 与 要 求 容积（m3） 公称 计算 油罐 内径 （8）储液密度 737㎏／m³（9）腐蚀裕量 1mm 二、主要构件名称及规格 1.罐体 罐体的基本参数和尺寸见表一。 表一：固定顶油罐系列基本参数和尺寸 罐底 直径 高度（mm） 壁 高 顶 高 总 高 罐壁 厚度 顶(底) 板厚 主体 材料 Q235—A 油罐 总质 量（kg） 30300 2700m³拱顶罐设计 乔佳琪 学号 08160312 专业班级 油气0803 （mm） （mm） 17964 18180 （mm） 度（mm） 8 6 2700 2950 2.油罐附件 11643 4889 16532 （1）罐壁人孔 其规格及选用见表二。 （2）量油孔 其规格及选用见表二。 I
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（3）透光孔 其规格及选用见表二。 表二：人孔、透光孔及量油孔选用表 容积 （m） 2700 （4）呼吸阀 其规格及选用见表三。 表三：呼吸阀选用表 输液量 （m） <100 101~150 151~250 251~300 >300 （5） 排水槽 排水槽用于油罐排水（污）放净之用。排水槽的相应的结构尺寸可查阅相关的规范。 二、设计要求 1.了解拱顶油罐的基本结构和局部构件； 2.确定油罐大小，查阅相关标准确定相应构件的规格尺寸。 3.使用AutoCAD绘制图纸。 三、拟交成果 1. 拱顶油罐装配图一张，四张附件图(都在2#图纸内)； 2. 课程设计详细说明书一份。 33罐壁人孔 数 量 1 直径(mm) 600 质量 (kg) 126 数 量 1 透光孔 直径(mm) 500 质量 (kg) 47.7 数量 1 量油孔 直径(mm) 150 质量 (kg) 7.6 管径 （mm） 100 150 200 250 300 数量 1 1 1 1 1 规格 DN100 DN150 DN200 DN250 DN300 质量 (kg) 4.7 9.4 14.4 19.6 34 连接尺寸及标准 PN6,DNXX JB/T81-94 II
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摘要
进入21世纪，随着石油峰值的提前来临加之我国石油资源困乏的双重压力，我国必将加大对石油资源的战略储备，这就迫使国家不得不建造更多更大的油罐以应对石油危机所带来的挑战，而成品油罐的建设是保证市场需求充足供给的坚实基础，对社会稳定和经济的可持续发展具有举足轻重的地位，随着成品油罐需求的增加也产生越来越多的新课题，随着这些新课题的研究和解决，这就使成品油罐的设计与施工技术进一步发展和深化，本次拱顶罐的课程设计主要是加深对储罐分析与设计的基本概念、基本原理与基本方法的理解，将储罐强度设计的基础理论、设计计算方法和标准规范予以总结，为油气储运工程技术人员提供较为全面的参考资料。
关键词：拱顶罐 储罐设计
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Abstract
In the 21 st century, with the peak oil coming together with China in advance of oil resources the sleepy double pressure, our country will increase of oil resources strategic reserve, forcing the country had to build more and more oil tank in order to deal with the challenges of the oil crisis, and the construction of product oil is to ensure sufficient supply market demand the solid foundation, to social stability and sustainable development of the economy has the important status, with the growing demand for the product oil also has more and more new issues, as these new topic research and solve, this makes the product oil design and construction technology further development and deepening, the vault of course design is mainly deepen our understanding of the tank analysis and design of the basic concept, the basic principle and basic methods understanding of the storage tanks strength design of the basic theory, the design and calculation methods and standards to summarize, for oil and gas storage and transportation engineering and technical personnel to provide a more comprehensive reference material.
Keywords: vault cans, Tank design;
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目录
Abstract ......................................................................................................................................................................... I
第1章 绪论 ...................................................................................................................................................... 4
1.1储罐的国内外发展概况 ................................................. 4 1.2储罐的用途 ........................................................... 5 1.3储罐的分类及适用范围 ................................................. 5 1.4储罐的类型选择 ....................................................... 5 1.4.1拱顶罐的发展状况 ................................................... 6 1.4.2拱顶罐设计的国内外发展状况 ......................................... 6 1.4.3拱顶罐在工业生产中的应用 ........................................... 7 1.5.1拱顶罐的构造 ....................................................... 7 1.5.2浮顶储罐的构造 ..................................................... 7 1.5.3内浮顶储罐的构造 ................................................... 8 1.5.4卧式储罐的构造 ..................................................... 8 1.6设计、制造遵循的主要指标规范 ......................................... 8 第2章 储罐经济尺寸的选择和荷载 ............................................................................................ 9
2.1储罐经济尺寸的选择 ................................................... 9 2.2油罐控制压力的选择 .................................................. 10 2.3荷载 ................................................................ 11 2.3.1静荷载 ............................................................ 11 2.3.2. 计算载荷（设计压力）的确定 ....................................... 11 第3章 罐壁设计 ........................................................................................................................................... 13
3.1.罐壁钢板的尺寸和排板 ................................................ 13 3.2.罐壁各层钢板厚度的计算 .............................................. 13 3.3加强圈设计 .......................................................... 16 3.4开口补强 ............................................................ 17 第4章 罐底设计 ........................................................................................................................................... 18
4.1罐底排版形式 ........................................................ 18 4.2罐底直径的计算 ...................................................... 18 4.3罐底板厚度的确定 .................................................... 18 4.4中幅板的设计 ........................................................ 19 4.5.罐底防水结构 ........................................................ 19 第5章 罐顶设计 ........................................................................................................................................... 20
5.1.罐顶顶板的厚度 ...................................................... 20 5.2.罐顶的设计计算 ...................................................... 20 5.2.1球面的曲率半径𝑹𝒏 ................................................. 20 5.2.2罐顶结构的确定 .................................................... 20 5.3 油罐罐顶的校核 ...................................................... 21 第6章 抗震设计 ........................................................................................................................................... 22
6.1倾覆力矩的计算 ...................................................... 22 6.2罐壁压应力计算 ...................................................... 22 6.3 罐壁临界压应力及其校核 .............................................. 23 第7章 储罐附件设计及选用 .................................................................................................................... 24
7.1常用附件及选用 ...................................................... 24
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7.2 检测控制仪表 ........................................................ 25 7.3 油罐接口 ............................................................ 25 7.4 消防设施 ............................................................ 26 7.5 避雷及防静电 ........................................................ 26 7.6 罐体保温 ............................................................ 26 7.7 罐体外壁涂漆 ........................................................ 26 7.8 油罐的制造、检验及验收 .............................................. 26
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第1章 绪论
1.1储罐的国内外发展概况
石油的开采、炼制、消费离不开油库，油库的主题设备是储罐。油库和储罐的发展是随着石油工业和国民经济的发展而发展的。储罐材料经历了非金属到金属再到非金属的循环发展历程，储罐容量经历了由小到大再到特大的过程。
近一、二十年来，储罐的设计与施工技术都较过去有了更快的发展。从世界范围来讲，这一状况与前一时期国际上的能源危机有关。由于能源危机，近若干年来许多工业化的、靠进口原油的国家都增加了原油的储备量，这就迫使这些国家不得不建造更多更大的储罐。这一经济需求不仅促进了储罐事业的发展，也使越来越多的新课题，随着这些新课题的研究和解决，这就使储罐的设计与施工技术进一步发展和深化
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。
现在储罐发展的总体趋势是走向大型化，而所以有此趋势是由于大型化具有下列优点： (1)节省钢材。 (2)减少投资。 (3)占地面积小。 (4)便于操作管理。 (5)节省管线及配件。
由以上分析可以看出，储罐大型化有许多经济利益，这也就是这种趋势的动力。目前油库的组成结构与十年前相比有了很大的改观，由储罐的“小而多”变为“大而少”。这一点也是衡量一个国家在储罐设计、研究、建造等方面技术水平高低的一个尺度。
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[7]。
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1.2储罐的用途
用于储存液体或气体的钢制密封容器即为钢制储罐，钢制储罐工程是石油、化工、粮油、食品、消防、交通、冶金、国防等行业必不可少的、重要的基础设施，我们的经济生活中总是离不开大大小小的钢制储罐，钢制储罐在国民经济发展中所起的重要作用是无可替代的。钢制储罐是储存各种液体（或气体）原料及成品的专用设备，对许多企业来讲没有储罐就无法正常生产，特别是国家战略物资储备均离不开各种容量和类型的储罐。我国的储油设施多以地上储罐为主，且以金属结构居多，故本网站将着重介绍在国内普遍使用的拱顶储罐、内浮顶储罐以及卧式储罐的一些基础知识。
[5]
1.3储罐的分类及适用范围
由于储存介质的不同，储罐的形式也是多种多样的。
按位置分类：可分为地上储罐、地下储罐、半地下储罐、海上储罐、海底储罐等。 按油品分类：可分为原油储罐、燃油储罐、润滑油罐、食用油罐、消防水罐等。 按用途分类：可分为生产油罐、存储油罐等。 按形式分类：可分为立式储罐、卧式储罐等。 按结构分类：可分为固定顶储罐、浮顶储罐、球形储罐等。
按大小分类： 100m3 以上为大型储罐，多为立式储罐； 100m 3 以下的为小型储罐，多为卧式储罐。
选择储罐类型时，应综合考虑油库类型、油品类型、周转频繁程度、储油容量、建设投资和建造材料供应情况等多种因素。从储罐安装位置考虑，民用中转油、分配油库及一般企业附属油库，宜选用地上油罐；要求隐蔽或要求具备一定防护能力的油库，如国家储备油库，某些军用油库，宜选用山洞油罐，地下油罐或半地下油罐。从油罐几何形状考虑，挥发油较低或不挥发的油品，宜选用拱顶油罐；如要求储量较大且周转频繁时应优先选用浮顶油罐[7]。
1.4储罐的类型选择
储罐选用时，应本着结构安全，耗材量少、节省经费的原则，通过全面技术经济指标比较，选取经济合理的油罐尺寸。选用原则有以下几个方面：
(1)油罐的工作条件必须满足本说明的设计条件，如不能满足上述设计条件，应由选用者
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重新校核所选用的油罐厚度及稳定性。
(2)油罐的进、出口管的规格与本系列推荐的不同时，应对油罐附件（呼吸阀）的规格尺寸按工艺条件核算后方可选用。必要时应加大其规格尺寸或增加数量。
(3)喷淋管的支架由选用者根据需要现场焊接。其它支架允许现场焊接，但支架的载荷不能过重。
1.4.1拱顶罐的发展状况
随着国民经济持续快速增长，我国石油消费量也逐年增加，成为继美国之后世界第二大石油消费国，为了保障石油资源安全和国民经济的快速发展，建立国家石油储备体系和建立大型石油储备基地势在必行，随着庞大的石油储备体系的建立，大型储油罐的设计必将等到进一步的发展。
目前拱顶油罐的发展总体趋势是趋向大型化，大型化的优点有以下几个方面。
（1）.总图布置的占地面积小，按国内《石油库设计规范》，4台15×104 m3 的罐组占地面积比6台10×104 m3 的罐组占地面积约减少26.4％。
（2）.节省罐区（包括管网和配件）的总投资。
（3）.节省钢材和基地工程材料，当储罐容量越小，单位容量耗钢量越大。
（4）.便于操作和管理，大容量储罐组成的罐区比小容量储罐组成的罐区操作简单，在进油、检尺、维护、出油等方面都较方便[8]。
1.4.2拱顶罐设计的国内外发展状况
目前国内外拱顶罐设计的发展趋势是大型化，自支撑式，并逐渐完善解决油品和易挥发产品损耗和环境污染等问题，建造和维修更加方便的拱顶罐，同时开发储罐用的高强度钢，利用储罐的CAD辅助设计，储罐计量和储运系统的自动化，储罐清洗的机械化，储罐维护修补的化学化，此外，由于储罐的大型化带来的储罐稳定性、灌顶结构和计算、全天候高效的储罐附件，消防设施，罐基础等都是当前拱顶罐设计的重点研究方向，目前国内最大的拱顶罐可达3×104 m3，国外较大的拱顶罐可达5×104 m3，（直径50.3m，罐高23.67m），建在日本。
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1.4.3拱顶罐在工业生产中的应用
随着我国石油工业的飞速发展，拱顶油罐的发展也很快，处了石油系统，供销系统，和
军事系统一系列专用的石油储罐，其他企业，如铁路，交通，电力，冶金等部门也建有各种类型的储罐，以保证运输和生产的正常进行，拱顶储油罐作为储罐系统的重要组成部分，在石油化工行业中应用格外突出，通过它协调原油生产，原油加工，成品油供应及运输的纽带，拱顶罐是储存各种液体原料及成品的专用设备，对许多企业来讲没有储罐就无法正常生产，无法保证石油化工下游产业的稳定生产，特别是国家战略石油储备均离不开各种容量的拱顶储罐，战略石油储备是防止石油供应中断，保障国家石油安全的重要手段。
1.5.1拱顶罐的构造
拱顶储罐是指罐顶为球冠状、罐体为圆柱形的一种钢制容器。拱顶储罐制造简单、造价低廉，所以在国内外许多行业应用最为广泛，最常用的容积为 1000 -10000m 3 ，目前，国内拱顶储罐的最大容积已经达到 30000m 3 。
罐底：罐底由钢板拼装而成，罐底中部的钢板为中幅板，周边的钢板为边缘板。边缘板可采用条形板，也可采用弓形板。一般情况下，储罐内径＜ 16.5m 时，宜采用条形边缘板，储罐内径 ≥ 16.5m 时，宜采用弓形边缘板。
罐壁：罐壁由多圈钢板组对焊接而成，分为套筒式和直线式。
套筒式罐壁板环向焊缝采用搭接，纵向焊缝为对接。拱顶储罐多采用该形式，其优点是便于各圈壁板组对，采用倒装法施工比较安全。
直线式罐壁板环向焊缝为对接。优点是罐壁整体自上而下直径相同，特别适用于内浮顶储罐，但组对安装要求较高、难度亦较大。
罐顶：罐顶有多块扇形板组对焊接而成球冠状，罐顶内侧采用扁钢制成加强筋，各个扇形板之间采用搭接焊缝，整个罐顶与罐壁板上部的角钢圈（或称锁口）焊接成一体。
1.5.2浮顶储罐的构造
浮顶储罐是由漂浮在介质表面上的浮顶和立式圆柱形罐壁所构成。浮顶随罐内介质储量的增加或减少而升降，浮顶外缘与罐壁之间有环形密封装置，罐内介质始终被内浮顶直接覆盖，减少介质挥发。
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罐底：浮顶罐的容积一般都比较大，其底板均采用弓形边缘板。
罐壁：采用直线式罐壁，对接焊缝宜打磨光滑，保证内表面平整。浮顶储罐上部为敞口，为增加壁板刚度，应根据所在地区的风载大小，罐壁顶部需设置抗风圈梁和加强圈。 浮顶：浮顶分为单盘式浮顶、双盘式浮顶和浮子式浮顶等形式。
单盘式浮顶：由若干个独立舱室组成环形浮船，其环形内侧为单盘顶板。单盘顶板底部设有多道环形钢圈加固。其优点是造价低、好维修。
双盘式浮顶：由上盘板、下盘板和船舱边缘板所组成，由径向隔板和环向隔板隔成若干独立的环形舱。其优点是浮力大、排水效果好。
1.5.3内浮顶储罐的构造
内浮顶储罐是在拱顶储罐内部增设浮顶而成，罐内增设浮顶可减少介质的挥发损耗，外部的拱顶又可以防止雨水、积雪及灰尘等进入罐内，保证罐内介质清洁。这种储罐主要用于储存轻质油，例如汽油、航空煤油等。内浮顶储罐采用直线式罐壁，壁板对接焊制，拱顶按拱顶储罐的要求制作。目前国内的内浮顶有两种结构：一种是与浮顶储罐相同的钢制浮顶；另一种是拼装成型的铝合金浮顶。
1.5.4卧式储罐的构造
卧式储罐的容积一般都小于 100m3 ，通常用于生产环节或加油站。卧式储罐环向焊缝采用搭接，纵向焊缝采用对接。圈板交互排列，取单数，使端盖直径相同。卧式储罐的端盖分为平端盖和碟形端盖，平端盖卧式储罐可承受 40kPa 内压，碟形端盖卧式储罐可承受 0.2Mpa 内压。地下卧式储罐必须设置加强环，加强还用角钢煨制而成。
1.6设计、制造遵循的主要指标规范
SH3046《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》 GBJ128《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》 SH3048《石油化工钢制设备抗震设计规范》 GB50205《钢结构工程施工质量验收规范》
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第2章 储罐经济尺寸的选择和荷载
拱顶油罐总的设计是在公称容积给定的情况下，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（吉林地区）确定设计温度为-19−−300C，设计压力为常压，即-0.49KPa—1.96Kpa。其他参数将在后文中介绍。
𝟐.𝟏储罐经济尺寸的选择
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。
根据储罐总体尺寸确定的两个原则，前人将计算储罐内径的方法归纳为下表
表2-1 储罐的经济尺寸
罐壁情况 等壁厚 储罐形式 小型敞口储罐 H≈R 等壁厚 小型封闭储罐 H≈2R 不等壁厚 大型封闭储罐 H≈√λa 𝐇≈H≈2R H≈R 按材料最省经济尺寸 按费用最省经济尺寸 𝐂𝟐+𝐂𝟑 𝟐𝐂𝟏表中：H为油罐高度，R为油罐半径
储罐按给定的设计容积进行设计，在满足的设计容积的条件下变换直径和高度可以得到许多种组合，自重总有某种尺寸使材料，投资费用最省，下面分别进行分析,当容积大于1000m3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H≈3D⁄8看来合理些。同时参照国家标准HG 21502.2−92给定的参数两方面考虑准确定其经济尺寸。按给定的公称容积为2700m3，得计算参数如下： H=11643mm，D=17964mm。计算容积为V=4D2H≈2950m³。
π
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吉林化工学院油气储运课程设计 表2-2 HG 21502.2-92储罐的经济内径值
V （m3） 20 罐体材料 碳钢/不锈钢 Q235-A-F/不锈钢 30 Q235-A-F/不锈钢 50 Q235-A-F/不锈钢 80 100 150 200 250 300 400 500 600 700 800
Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 4800/4650 5100/4950 5800/5650 6400/6250 6900/6700 7350/7100 8100/7850 8700/8450 9250/8950 9600/10500 1100/11100 2000 2500 3000 3500 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Q235-A/不锈钢 20R/不锈钢 20R/不锈钢 20R/不锈钢 16MnR/不锈钢 16250/16450 17750/18150 19250/19750 20550/20850 22100/22250 24350/24900 26600/27150 27550/29050 29250/31050 31100/无 31000/无 4100/3950 1500 Q235-A/不锈钢 14300/14400 3500/3350 1000 Q235-A/不锈钢 12150/12150 Dis（mm） V 罐体材料 碳钢/不锈钢 Q235-A/不锈钢 Dis（mm） 碳钢/不锈钢 11600/11600 碳钢/不锈钢 （m3） 3050/2900 900 2.2油罐控制压力的选择
在《立式圆筒形钢制焊接油罐设计技术规定》中规定了油罐设计内压和设计外压两个方面的要求。
固定顶油罐的控制内压要求如下：
（1）柱支撑锥顶油罐的控制内压不应超过罐顶板单位面积的重量。
（2）自支撑拱顶油罐和自支撑锥顶油罐的控制内压采用1.2倍呼吸阀开启压力减去锥顶单位面积重量。
（3）内浮顶油罐固定顶的控制内压为零。
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固定顶油罐的控制外压，取油罐顶自重与附加荷载之和。
（1）罐顶自重：当油罐顶部有隔热层时，罐顶自重应计入隔热层的重量。
（2）附加荷载：取1.2倍呼吸阀的开启压力和活荷载之和，活荷载是雪荷载与检修荷载二者中的较大值。在任何情况下，固定顶 油罐的罐顶附加荷载不得小于1.2×107pa,内浮顶油罐的罐顶附加荷载不得小于7×106pa。
2.3荷载
计算时必须考虑以下荷载或参数来进行储罐的承压结构的计算
2.3.1静荷载
（1）储罐本身的自重：包括附件，如通气孔，透光孔，人孔，量油孔，梯子，平台等；配件，如呼吸阀，阀门，固定泡沫消防堰板。
（2）隔热层荷载：由所用隔热材料的性质求出，并应将支撑构件，外部保护层的重量计算在内。
（3）灌顶的水平投影面积上取1200Pa。 （4）储液自身的重力，密度越大，作用力越大。
（5）雪荷载，雪压指单位水平面积上的重力，KN/m³（或kPa）。
2.3.2. 计算载荷（设计压力）的确定
（1）正压：储罐气体空间的压力，（表压）由储罐的操作压力决定，一般来说，正压力在罐内的升力不大于罐顶结构的单位面积的重力时，为常压储罐，否则属于压力储罐。
（2）负压：这是由于储罐抽液或储罐环境温度变化形成罐内的负压值，对于常压储罐，设计负压一般不高于490pa。
罐顶向下外载荷（设计外压）应包括自重、罐内真空（排油时）度、雪载、活载荷组成，设计外压会使球壳受压失稳，也会使包边角钢被拉（横推力）。
设计外压： 𝑞𝑒=𝑞1+𝑞2+𝑞3+𝑞4 (2-1)
式中：𝑞1——顶结构单位面积自重Pa；
q2——为操作时最大真空度，一般取500Pa(1.2倍呼吸阀开启压力)； q3——雪载荷，取441Pa；
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q4——活载荷Pa，通常取400Pa,通常当雪载≪600 时，取q1+𝑞2+𝑞3≫1200Mpa。
0.006×1×1×7.85×103×9.8𝑞1==461.58𝑝𝑎=462𝑝𝑎
1×1𝑞𝑒=462+500+441+400=1803𝑝𝑎
罐顶内载荷（设计内压）由(油气压力−重力)，这一载荷使球壳产生薄膜应力破坏，并使包边角钢成为受压环。
内载荷: 𝑞𝑖=1.2𝑞𝑚𝑎𝑥−𝑞1 (2-2)
式中𝑞𝑚𝑎𝑥 ——呼气阀的开启压力，通常取2000Pa；
q𝑖 ——作用于球壳上的内载荷，490Pa。 q𝑖=1.2×2000−490=1910𝑝𝑎
拱顶设计压力取设计外压与设计内压的最大值，所以设计压力p=1910pa
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第3章 罐壁设计
3.1.罐壁钢板的尺寸和排板
管壁的上下圈板之间采用套筒式搭接，搭接长度取50mm。 油罐罐壁钢板的尺寸规格定为1750×5200mm。 油罐周长：L=πD=3.14×17964=56407mm 每圈罐壁筒节所需钢板： n=5200=
L
564075200
≈10.85
△：每块钢板的加工余量： △=10mm(经验值) 这样除去边缘的加工余量后,每块钢板的实际可用长度𝐿’
𝐿‘=5200−2×10=5180mm
实际每圈所需钢板数 n=𝐿⁄𝐿‘=56407/5180≈10.89 油罐的高度H=11643mm，则每块钢板除去余量后实际宽度B为:
B=1750−2×10=1730mm
罐壁钢板层数 n=11643/1730≈6.73
由以上得出,油罐罐壁由7层钢板,每层8块钢板组焊而成。
3.2.罐壁各层钢板厚度的计算
工程设计中罐壁厚度通常由三种方法确定
（1）定点法：是以高出每圈罐壁板低0.300m处的液体压力来确定每圈板厚度的方法，多用于容积较小的储罐（直径小于60m）。
（2）变点法：考虑了相邻圈罐壁之间不同的厚度的相互影响，对每一圈罐壁板采用距罐壁底面高度不同的设计点计算壁厚，从而使每一圈罐壁板中的最大盈利接近港版的许用应力，此方法适用于L/H≪1000/6的储罐。
（3）应力分析法：适用于L/H>1000/6的储罐。
对于容积较小的储罐，采用定点法设计罐壁厚度计算简便，结果也足够安全。
由于本次500m³汽油储罐采用定点发计算储罐的壁厚，罐壁任一点的计算厚度，按以下公式进行计算罐壁的设计首先要确定壁厚：
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𝜌（H−0.3)𝐷
[𝜎]𝑡𝜙
t1=0.0049𝑡2=4.9
+𝐶1+𝐶2 (3-1)
(𝐻−0.3)D[𝜎]𝜙
+𝐶1 (3-2)
𝑡1——装储液时该全罐壁的设计厚度， 𝑡2——装储水时该全罐壁的设计厚度， D——储罐内径
g——重力加速度，9.81m/𝑠2 Ρ——储液密度，汽油737kg/m³ 𝑃0——气体压力，pa
Φ——焊缝系数，设计中取0.9
[𝜎]——罐壁材料的许用应力，根据文献，查表得235Mpa
[𝜎]𝑡——设计温度下储罐钢板的许用压力，根据参考文献，查表得113Mpa C1——钢板负偏差，通过查Q235-A，确定C1=0.25mm 𝐶2——腐蚀余量，设计中𝐶2=1mm
序号 钢号 表3-1 钢体的许用应力图表 板厚 常温强度指下列温度（。C）下的许用应力 标 （MPa） 1 2 3 Q235-AF Q235-A 20R ≤16 ≤16 17~40 6~16 17~25 26~36 ≤16 17~25 6~16 17~25 26~36 38~60 2~60 2~60 2~60 2~60 2~60 375 375 375 400 400 400 510 490 510 490 490 470 235 235 225 245 235 225 345 325 345 325 305 285 大气温 至90 157 157 150 163 157 150 230 217 230 217 203 190 137 137 118 137 118 137 118 150 137 137 130 140 134 127 196 183 196 183 173 163 137 137 118 137 117 137 118 200 130 130 124 130 124 117 183 170 183 170 160 150 130 130 110 134 108 134 118 250 121 121 114 117 111 108 167 157 167 157 147 140 122 122 103 125 100 125 118 4 5 16Mn 16MnR 6 7 8 9 10 11 12 0Cr19Ni9 0Cr18Ni11Ti 00Cr19Ni11 0Cr17Ni12Mo 00Cr17Ni14Mo2 0Cr19Ni13Mo3 2~60 00Cr19Ni13Mo2~60 3 14
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每层罐壁钢板取t1,t2中的最大值，最后按GB709进行钢板厚度的向上圆整。 第一层壁板的厚度计算（从底部算起）
（11.643−0.3）×737×17.964
t1=0.0049+1+0.25=8.48mm
113×0.9
t2=4.9
所以向上圆整为12mm。
(11.643−0.3)×17.964
+1=10.82mm
113×0.9第二层壁板计算时的高度为：H=11.643−1.68=9.963m t1=0.0049×
+1+0.25=7.41mm
(9.963−0.3)×17.964
t2=4.9+1=9.36mm
113×0.9向上圆整为10mm。
113×0.9
737×(9.963−0.3)×17.964
第三层壁板计算时的高度为：H=9.963−1.68=8.283mm
t1=0.0049×
737×(8.283−0.3)×17.964
+1=6.09mm
113×0.9(8.283−0.3)×17.964
t2=4.9×=6.9mm
113×0.9向上圆整为8mm。
第四层壁板计算时的高度为：H=8.283−1.68=6.6mm
737×(6.6−0.3)×17.964
t1=0.0049×+1+0.25=5.27mm
113×0.9(6.6−0.3)×17.964
t2=4.9×+1=6.45mm
113×0.9向上圆整为8mm。
第五层壁板计算时的高度为：H=6.6−1.68=4.92mm
737×(4.92−0.3)×17.964
t1=0.0049×+1+0.25=4.2mm
113×0.9(4.92−0.3)×17.964
t2=4.9×+1=5mm
113×0.9向上圆整为6mm。
第六层壁板计算时的高度为：H=4.92−1.68=3.24mm
737×(3.24−0.3)×17.964
t1=0.0049×+1+0.25=3.13mm
113×0.9(3.24−0.3)×17.964
t2=4.9×+1=3.54mm
113×0.9向上圆整为6mm。
第七层壁板计算时的高度为：H=3.24−1.68=1.56mm
737×(1.56−0.3)×17.964
t1=0.0049×+1+0.25=2.05mm
113×0.915
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向上圆整为6mm。
(1.56−0.3)×17.964
t2=4.9×+1=2.09mm
113×0.9表3-2 罐壁各层罐板壁厚汇总 名称 第一层罐壁 第二层罐壁 第三层罐壁 第四层罐壁 第五层罐壁 第六层罐壁 第七层罐壁 材料 Q235-A Q235-A Q235-A Q235-A Q235-A Q235-A Q235-A 厚度（mm） 12 10 8 8 8 6 6
3.3加强圈设计
由于内浮顶罐顶部有固定顶，不需加设抗风圈，但随着储罐高度的增长（主要是为了减少材料、降低成本），使得油罐中部的筒体有被风吹瘪的危险。在风载荷的作用下，为防止储罐被风吹瘪，必须对罐壁筒体进行稳定性校核，并根据需要在适当的位置设置加强圈。
判定储罐的侧压稳定条件为：
PcrP0 （3-3）
式中 pcr——罐壁许用临界压力，Pa；
p0——设计外压，Pa；
当PcrP0时，就可以认为罐壁具备了足够的抗风能力，否则必须设置加强圈以提高储罐的抗外压能力。
下面介绍SH3046-92推荐的加强圈的设计方法。该方法是根据薄壁短圆筒在外压作用下的临界压力得到的， 罐壁的许用临界压力：
2.59E2.5 Pcr （3-4）
D1.5L式中： Pcr——罐壁许用临界压力，kgf/m2； E——圆筒材料的弹性模量，192×109pa； D——油罐内径，m；
——圆筒的厚度，m；
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L——圆筒的高度，m。
将D=17.964m,L=11.643m,δ=0.008m,E=192×109 代入上式得：
[𝑃𝑐𝑟]=
2.59𝐸𝛿2.5𝐷1.5𝐿
=
2.59×192×109×(0.008)2.5
17.9641.5×11.643
=3211.12𝑝𝑎
从上面的计算结果来看，[𝑃cr]>𝑃𝑒，故本文设计的储罐可不设置加强圈。
3.4开口补强
由于使用的要求，必须在罐壁上开口并连接管，例如进出油管，清扫口，人孔，在罐壁上开口后，将在开孔的附近产生应力集中，其峰值通常达到罐壁基本应力的3倍，甚至更高，这样的局部应力，如果不采取适当的补强措施，就很可能在孔口造成疲劳破坏或脆性裂口，使孔口处开裂，补强的办法就是在孔口的周围焊上补强圈板，以增大开孔周围的壁厚，降低孔周围的应力。
补强的开孔可为圆形，椭圆形，或长圆形，当开孔为椭圆形或长圆形时，孔的长径与短径之比应不大于2.0，其长轴方向最好为环向，开孔补强计算与JB/T4735《钢制常压容器》开孔u、补强相同，采用等面积法，当开孔直径
时可不考虑补强，
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第4章 罐底设计
4.1罐底排版形式
罐底板的排板形式，主要考虑使其焊接变形最小、易于施工、以及节约钢材等因素来决定。经过多年的实践，目前主要采用如图所示的两种形式。
图4-1 储罐罐底板排版形式
当储罐内径小于12.5m时宜采用条形排版形式，当外径大于等于12.5时，宜采用弓形边缘板。由于本文所设计的油罐外径为13m，故选用弓形排版形式(如图3-b)。
罐底板的接缝除弓形边缘板之间为对接外其余全为搭接。搭接顺序一般是由中心向边缘进行。
4.2罐底直径的计算
D1=D+2δ1+2δ
式中 D1—罐底直径，mm；
δ—边缘板外伸量，为100mm； δ1—底圈板厚度，mm。
D1=17964+2×8+2×100=18180mm
4.3罐底板厚度的确定
为减小罐底组焊时的工作量，减少变形，改善受力，节省焊接材料，减少焊缝长度及泄露机会，罐底中幅板的宽度不宜太窄，中幅板的最小宽度为1000mm。
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表4-1 罐底板厚度表
储罐内径 m D<10 D≪20 D>20 中幅板钢板规格厚度，mm 碳素钢 不锈钢 5 4 6 4 6 4.5 罐壁板圆板厚度 边缘板钢板规格厚度mm mm 碳素钢 不锈钢 ≪6 6 同底圆壁板厚度 7~10 6 6 11~20 8 7 21~25 10 >25 12 储罐的应力实测表明，罐底最大径向应力在距离壁厚300至500mm处，因此设计中规定边缘板在沿储罐半径方向的最小宽度为700mm，对于软弱地基，边缘板的径向尺寸可适当加大，边缘板伸出罐壁外侧的距离应不小于50mm。
4.4中幅板的设计
中幅板的厚度选取先按选取一个基值为不小于6mm，设计时考虑了腐蚀余量以及焊接方法的选择及焊接的易操作性，加之其对地基的影响，取中幅板的厚度为：
𝛿𝑤1=6+5+1=12mm 其中 6mm为中幅板必需的最小值；
5mm是为腐蚀余量较严重，焊接及地基要求而增加的； 1mm为腐蚀余量。
4.5.罐底防水结构
根据大量现场调查，了解到影响大型储罐使用寿命的重要因素是罐底的腐蚀泄漏，而造成底板腐蚀泄漏的重要原因之一是罐底板与基础之间的与雨水渗入，为防止雨水渗入罐底造成底板背面腐蚀，目前有以下几种方法。
（1） 用橡胶沥青密封条密封； （2） 用圆钢焊于边缘板周边； （3） 用角钢焊于边缘板周边； （4） 用扁钢焊于边缘板周边。
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第5章 罐顶设计
拱顶是一种由球面拱形结构通过包边环量与罐壁上沿相连接的固定顶盖。球面拱顶与锥顶相比，球面拱顶结构简单、刚性好、能承受较高的剩余压力、钢材耗量少；但气体空间较一般的锥顶盖大，制造也比锥顶盖麻烦些。
5.1.罐顶顶板的厚度
球面顶板的厚度与储罐的大小和储罐的设计条件有关，对于500m³的储罐，可采用光面球壳（不加肋），而较大的储罐采用加肋拱顶较为经济，使在满足拱顶稳定性的条件下，拱顶自身的重量最轻，国内SH 3046规定球面顶板的最小厚度为4.5mm。
公称容量100 ㎡ 顶板壁厚4.5 mm 6（加肋或6（加肋） 6（加肋） 6（加肋） 6~7（加肋） 不加肋） 表5-1 SH3046规定的球面顶板壁厚 1000 2000 3000 5000 10000 5.2.罐顶的设计计算 5.2.1球面的曲率半径𝑹𝒏
当气体内压作用下的拱顶球壳与罐壁的厚度相等时，拱顶的强度为罐壁强度的两倍，为使它们的强度相当，球面的半径𝑅𝑛一般按照下式选取，即
𝑅𝑛=0.8~1.2𝐷=1.2𝐷=1.2×17964=21556.8mm
式中D——储罐直径
5.2.2罐顶结构的确定
D
sinφ0= 2Rn𝐷2
sinφ0= 2Rn
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−1
θ=sin
0.5𝐷0.5×17964−1
=sin=24.83° 𝑅𝑛21556.8式中：𝑫𝟐——中心孔直径，D2=D−30=17964−30=17934mm； 拱顶顶板长L=360×2πRn=每块顶板所对圆心角θ=L×顶板块数n=59.59≈6； 大端弦长AB=小端弦长CD=
πD2n2πrn360
θ
24.83360
×2π×21556.8=9337.23mm；
360
360πD
=9337.23×π×17964=59.59°；
+∆=+∆=
3.14×17964
62π×750
6
+50=9451.16mm；
+50=825mm
式中：r ——拱顶中心孔的半径，取750mm； ∆——搭接宽度，50mm。
所以罐顶由6块，每块长为9337.23mm，大端弦长9451.16mm，小端弦长825mm的板组成。
5.3 油罐罐顶的校核
根据古典球壳临界载荷公式 p𝑐𝑟= T——板厚，cm；
E——弹性模量，kgf/cm2； R——球壳曲率半径，cm；
——波桑系数，取0.3。
试验值比上述理论小2~2.5倍，而工程上拱顶为钢板拼焊，几何形状误差大，取许用压力
，则光球壳许用外压力（外载荷） [P]为𝑝𝑐𝑟的1（安全导数n=12）12[𝑝]=
76065.7
=6338.8𝑝𝑎 122𝐸𝑡2𝑅2√3(1−𝜈2)=
2×200×109×0.621070.42×√3×(1−0.32)=76065.7𝑝𝑎
式中 Pcr——临界载荷，kgf/cm2；
因为设计压力p=1910pa，[𝑝]>𝑝，所以球壳安全。
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第6章 抗震设计
6.1倾覆力矩的计算
MQ0H （6-1） 2 式中： M ——水平地震载荷对罐底底面的弯矩，kgf−cm； Q0——水平地震的载荷，kgf； H——罐底底面至液面的高度，m； Q0按下式计算：
Q0Czmaxw0 式中： Cz——综合影响系数，对常压立式油罐，取CZ=0.40;
max——地震影响系数最大值，max与地震烈度有关；
W0——产生载荷的油罐总重量，W按下式计算。
WFtW 式中： W′——罐内储液重量，kgf； Ft——动液系数，由H/R查表选取； R——底层圈板的内半径，cm
6.2罐壁压应力计算
底层壁板的最大压应力可按下式计算
σ=
MB
=M
0.785D2δ (6-4)
式中： ——底层壁板的最大压应力，kgf/cm2；
N——底层壁板底部的垂直载荷，包括罐体自重和保温层重，kgf； A——底层壁板的截面积，cm2；
ADt (6-5) W——底层壁板的截面系数，cm3；
W0.785D2t (6-6)22
(6-2)
(6-3)
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D——油罐的直径，cm；
t——油罐底层壁板的厚度，cm 。
6.3 罐壁临界压应力及其校核
临界许用压应力可按下式计算
t cr3.88105)1.25H.0.25 (6-7)
RR式中： cr——临界许用压应力，kgf/cm2 。
经计算cr，在设计预测的地震情况下，油罐安全。
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第7章 储罐附件设计及选用
为了保证储液的储存安全和计量，收发等操作，储罐必须选用合适的附件（或配件），它应满足下列要求
（1） 保证能收进或发出合格的储液；
（2） 保证储罐和储液在储存过程中不发生事故； （3） 万一发生事故，能将损失减少到最低限度；
（4） 能延长储罐的操作周期，并便于清理罐底残液等杂志。
7.1常用附件及选用
储罐附件应根据储罐的形式，设计压力，设计温度，储液的性质进行选择或设计，储罐根据需要，一般设有储液进出口，量液口，人孔，清扫孔，阻火孔，通气孔，呼吸阀，液压安全阀，消防孔，防爆孔，排污孔，梯子平台以及加热装置，温度及液面测量装置，胶棒装置等附件。
（1）透光孔
透光孔主要用于储罐放空后通风和检修时采光，它主要安装于固定顶储罐的顶盖上，一般可设在储液进出口管上方的位置，与人孔对称布置，其中心距罐壁800~1000mm，透光孔的公称直径一般为DN=500
（2）人孔
人孔主要在检修和清除液渣时进入储罐用，人孔的公称压力可按储液的高度和密度来选择，公称之间能够一般有DN500、DN600、DN750三种，人孔安装于罐壁第一圈壁板上，其中心距罐底月750mm人孔位置应与透光孔，清扫孔相对应，以便采光通气，避开罐内附件，并设在操作方便的方位。
（3）量液孔
量液孔只适用于安装有通气管的储罐，其公称直径一般为DN150，安装在固定顶储罐靠近罐壁附近的顶部，往往在透光孔附近，如果同时设有液位计，则安装在盘梯平台附近，用于手工计量或取样，量液孔上有固定的测探点和导向槽。
（4）呼吸阀
呼吸阀使罐内空间与大气隔绝，只有罐内压力达到呼吸阀额定呼出压力时，管内蒸汽才能
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排除，同样只有罐内真空度达到吸入负压时空气才能进入，这就减少了“小呼吸”损失，如果能使呼吸阀的呼吸压力差设计成略大于日夜温差所引起的罐内气体的压力差，则“小呼吸”损失可以避免。呼吸阀的常用规格DN50~250.
(5)排污孔
带放水管的排污孔装于轻质油罐，清扫罐时从此孔排除污泥，平时可从放水管排除罐内的污水。
7.2 检测控制仪表
1) 温度计：应在储罐侧壁安装就地指示温度计。低温常压液体储罐应设温度指示仪。对罐内设有蒸汽加热器的储罐,为防止物料加热超温,宜设温度控制及报警系统。重要的温度高低温报警宜引至控制室监控。
2) 压力计：低温常压液体储罐和设有氮封系统的储罐,应设置就地压力计和压力控制系统。重要的压力高、低报警宜引至控制室监控。
3) 流量计：因生产管理需要,要求记录流入、流出物料量时,应在储罐(或罐组)进出界区的物料管线上设置流量计,流量计应具有指示(或记录)累记功能。作为接纳生产装置界区外原料或向界区外输出产品的储罐,选用的流量计要具有足够的精度。
4) 液位计：各储罐均应设液位计。根据操作需要,液位计的功能有就地指示、液位控制和高低液位报警。可燃液体的储罐除设置液位计外,还应设高低位报警器（防止过量充液造成灾害性事故）,必要时可设自动联锁切断进液装置或自动联锁停出料泵。
接管公称直径DN 50 80 100 150 L 1000 1400 1800 2400 φB φC φD E F 100 150 180 200 880 600 636 300 1180 900 936 400 1480 1200 1236 600 1780 1500 1536 900 表7-1 罐底排水槽的结构和尺寸
7.3 油罐接口
此设计中所设置的接口数量、规格及用途是推荐性的。选用者可根据需要，参照表中给出
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的各种管口要求，自行变更其规格、数量，安装方位及标高。
此设计中未设液位指示计口，选用者可根据具体情况设定液位指示计口的规格、定位尺寸、方位。定货时须注明油罐高度。
7.4 消防设施
此设计中油罐采用泡沫消防，根据油罐容积大小不同，设置不同数量、不同规格的泡沫发生器。本图集中仅提供泡沫发生器与罐壁连接的开孔数量、规格尺寸及方位。泡沫发生器由选用者确定。并应根据储存介质的特性，校核空气泡沫发生器的规格和数量。
7.5 避雷及防静电
此设计中油罐未设置避雷及防静电设施。选用时由选用单位相应专业根据有关规范确定设置避雷及防静电设施。
7.6 罐体保温
此设计中油罐的罐体保温应由选用者按照工程的具体情况，确定保温材料、保温结构及保温厚度。
7.7 罐体外壁涂漆
此设计中油罐的罐体外壁无保温时要求涂两遍底漆，两遍面漆。当油罐有外壁保温时，不涂刷面漆。
7.8 油罐的制造、检验及验收
此设计中油罐的制造、检验及验收按GBJ128《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》进行。
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主要符号说明
A 罐顶和罐壁连接处的有效面积 G 重力加速度 B C C1 C2 D Et 通气孔总面积 厚度附加量 钢板厚度负偏差 腐蚀裕量 储罐内直径 设计温度下钢材的弹性模量 HE P PF P0 q S 罐壁的总当量高度 压力 破坏压力 设计压力 呼吸阀负压设定压力的1.2 荷载设计值 GK 罐顶自重在单位投影面积上的荷载值 T 设计厚度 TM 度 TMIN 带助顶板的折算厚ρ 储液密度 最薄罐壁板的规格厚度 E𝐵 常温下钢材的最低搞拉强度 WZ θ
截面模数 罐顶起始角度
𝐸𝑆 TE 常温下钢材的屈服点 有效厚度 27
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参考文献
[1]GB50341-2003，«立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范»，2003。 [2]GB150-1998，«钢制压力容器标准»，1998。 [3]GB/T4735，«钢制压力容器»，1997。
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结束语
通过两周时间的努力，本次课程设计基本完成。
经过这次化工原理课程设计，我充分认识到以下几点： （1）.理论联系实际
这次专业性较强的课程设计，让我认识到：课堂上理论知识掌握的再好，没有落实到实
处，是远远不够的。拱顶罐的设计，从课本上简单的理论计算，到根据需求满足一定条件的切实地进行设计，不再仅仅包括呆板单调的计算，还要根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细节，我觉得这是最大的一个挑战。 （2）.书籍、资料的作用大，设计并不简单
课程设计任务一分配，我就跑到图书馆，借了两本与储罐的设计相关的图书，信心满满的拿着书，想有了书设计不是很简单，照着样子来就行了。 可是但我开始根据自己的任务书开始设计的时候我发现并不是那么的容易，有很多公式，定理，各种尺寸的选择都是要自己考虑，才能确定。不能马马虎虎。 （3）.绘制样图时要仔细精确
绘制样图，就是将自己的设计反映到图纸上，到了工厂中，设备方案的选择图纸是很重要的环节，所以不能马虎，一个连接，一个焊缝，一个尺寸都可能关系重大。要有一种责任心去对待设计，用工程实践的角度，合理性的角度去思考。 （4）. 设计报告排版的细致
设计方案要正规化，专业化，做出来的东西要让人感觉舒服而且正确。不能简单的将方案腾出来，要按照标准严格要求自己。
（5）. 老师的指导，同学们互相帮助是最重要的
开始设计前，老师指导了我们很多设计过程中的问题和应该注意的地方，在自己独立完成的时候，想到这些要求对我帮助很大。在此也非常感谢老师。而且同学们的互相帮助也是很重要的。在交流的过程中，查缺补漏，互相学习，形成了良好的学习风气。我觉得设计是次要的，最重要的是从这次设计中的收获。在今后的学习过程中，我会更加严格的要求自己，做事，学习都不能马马虎虎，这样对将来的发展是有很大帮助的。
总之，我很感谢这次课程设计，他让我学到了很多，收获了很多。谢谢老师！
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吉林化工学院油气储运课程设计
教师评分表
评价单元 评价要素 评价内涵 能按时到指定设计地点进行课程设计，不旷课，不迟到，不早退。 学习态度认真，遵守课程设计阶段的纪律，作风严谨，按时完成课程设计规定的任务，按时上交课程设计有关资料。 符合课程设计说明书的基本要求，用语、格式、图表、数据、量和单位及各种资料引用规范等。 根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算，附属设备的选型等。 图纸的布局、线形、字体、箭头、整洁等。 符合化工原理课程设计任务书制图要求，正确绘制流程图和工艺条件图等。 答辩过程中，思路清晰、论点正确、对设计方案理解深入，主要问题回答正确 满分 评分 出勤 平时成绩 20% 10 纪律 10 说明书质量 30% 说明书格式 10 工艺设 计计算 20 制图图形 制图质量 30% 20 制图正确性 10 答辩 20％ 对设计方 案的理解 20 指导教师综合评定成绩： 实评总分 ；成绩等级 指导教师（签名）： 年 月 日
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