毕业设计说明书
设计（论文）题目：20000立方米内浮顶原油储罐设计
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本人声明所呈交的毕业论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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摘 要
工程设什为实例，总结大型内浮顶原油储罐的设计．对大于32 m 直径带肋拱
顶进行了设计分析对内浮顶储罐与固定顶储罐进行了比较, 从罐体的配置、作用、制造和检验等方面阐述了内浮顶储罐的罐体设计技术要求; 并就内浮顶储罐的发展、储罐的用途特点、储罐的主要组成部分、油罐主体材质、罐壁厚度计算、罐底结构形式、内浮顶结构形式、油罐附件、储罐的安全使用等进行了详细分析，论述了内浮顶储罐的相关事项及步骤。
关键词: 内浮顶储罐; 固定顶储罐; 通气孔; 扩散管; 量油孔; 导向管; 大
型储罐
Abstract
Based on the engineering design, work of 20，000 m3 large roof c0ne
bottc,m avfiationkerosene tank，make the design analysis of over 32 m diameter roof with rib Comparison was made for inter floating roof tank with fixing roof tank , shell design technical requirements for shell of inter floating rooftank were described from aspects of lay2out of shell , function , fabrication and inspection etc. , the relevant matters and the reformation procedures werediscussed for reforming from fixing roof tank to inter floating roof tank.
Key words : inter floating roof tank ; fixing roof tank ; venting hole ;
spreading tube ; hole for oil measure ; guide tube ；large tank ，roof design
目 录
摘 要 . ............................................................. I ABSTRACT . ......................................................... III
第1章内浮顶储罐引言 . ............................................... 1
1.1国内外汽油储罐的发展概况 ...................................... 1
1.2内浮顶储罐概述 ................................................ 1
1.2.1内浮顶储罐的结构形式 . ...................................... 1
1.2.2 内浮顶罐的构成及特点 ...................................... 1
第2章 内浮顶油罐的设计计算 . ........................................ 3
2.1 内浮顶油罐的设计思想和参数的确定 .............................. 3
2.2 罐总体尺寸的确定 .............................................. 3
2.2.1 储罐内径和高度的确定 ...................................... 3
2.2.2 内浮顶所占容积和有效容积的估算 ............................ 4
2.3 材料的选择 .................................................... 5
2.4 罐壁设计 ...................................................... 5
2.4.1 壁厚的确定 ................................................ 6
2.4.2 罐壁的设计厚度 ............................................ 6
2.4.3 罐壁的设计外压 ............................................ 8
2.4.4 加强圈设计 ................................................ 8
2.4.5 罐壁的开孔及开孔补强 ...................................... 9
2.5 罐底设计 ..................................................... 10
2.5.1 排版形式 ................................................. 10
2.5.2罐底的应力计算 . ........................................... 11
2.6罐顶设计 ..................................................... 13
2.6.1 固定顶设计 ............................................... 13
2.6.2 球壳设计 ................................................. 14
2.6.3 内浮顶设计 ............................................... 16
2.6.4 罐顶的人孔和检查孔 ....................................... 19
2.7 储罐的附属设施 ............................................... 19
2.7.1 油罐附件 ................................................. 20
2.7.2 原油罐的安全设施 ......................................... 20
2.7.3 物料的管线设计 ........................................... 21
2.7.4 检测控制仪表 ............................................. 21
第3章 储罐设计的经济评价 . ......................................... 23
3.1 评价的意义 ................................................... 23
3.2 评价的指标 ................................................... 23
3.3 评价指标分析 ................................................. 24
3.4 结论 ......................................................... 25
结论 . .............................................................. 26
参考文献 . .......................................................... 27 致 谢 . ............................................. 错误！未定义书签。
喵星人理工大学
第1章内浮顶储罐引言
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、煤油等介质。随着内浮顶技术的发展，汽油和航空原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。
1.2内浮顶储罐概述
1.2.1 内浮顶储罐的结构形式
长期以来, 贮存油品及化学品的固定顶储罐的蒸发损耗问题倍受关注。以汽油贮存为例, 固定顶储罐的蒸发损失高达9 % , 而采用浮顶储罐则可减少蒸汽损耗98. 4 %以上, 且保护了环境。浮顶储罐有外浮顶和内浮顶2 种结构形式。外浮顶储罐, 即敞顶罐, 无固定顶, 贮液质量易受外界的影响, 在严寒地区还会因积雪太厚及密封圈冻结而难以使用。因此, 外浮顶储罐已逐渐被内浮顶储罐所取代。内浮顶储罐是安装有内浮盘的固定顶储罐。由于内浮顶储罐兼有外浮顶储罐和固定顶储罐的主要优点, 因此被誉为“全天候储罐”。内浮顶储罐内安装的内浮盘及其密封装置、导向装置、防旋转装置、静电导出装置以及自动通气阀等部件均由内浮盘制造商设计、制造及安装。
1.2.2 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、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原油、汽油等要求高的油 1
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、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。
2
第2章 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（原油）及工作环境确定设计温度为900C ，设计压力为常压，储液密度840kg/m3, 腐蚀裕量1mm 。.
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
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1储罐的经济尺寸
当容积大于1000m 3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。按此算得容积为20000m 3的储罐，高度为24.26m ，直径为34m ，储罐为“矮胖形”，取H=24.26m,D=34m。计算容积为:V=π/4*D2*H=22015m 3。
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提供的公称容积为20000m 3的储罐的参数如下：
计算容积：22015m 3；储罐内径：34000mm 罐壁高度：23710mm ；拱顶高度：24080mm ；总高:24260mm；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：162652Kg 。
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（不包括圆顶部分）。因此H 浮=1. 4+1. 2=2. 6m 。 2、储罐的有效容积
上面确定了20000m 3储罐的高度H=23.71m,所以内浮顶所占储罐的容积为：
V 浮=
2. 6
⨯20000=2193. 2m 3
23. 71
式（2-1）
. 2=17806. 8m 。 储罐的有效容积为：V 有效=V 总-V 浮=20000-2193
3
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1000m 3至20000m 3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-B 和Q235- A-F。
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—100C 以上时，取Q235-B ，在-10— -200C 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-B 或Q235-A-F 。
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16MnR 、Q235- B; 板材宽度: 2.97m。
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：
1）、定点法：用于容积较小的储罐（直径小于60米）。 2）、变点法：此方法适用于L/H≤1000/6的储罐。 3）、应力分析法：此方法适用于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
2.4.1 壁厚的确定
罐壁的设计首先要确定壁厚。在罐壁中环向应力是占控制地位的，因而壁厚是根据环向应力确定的。壁厚一般可按下式计算： t =
D (H -0. 3)γ
+C 式（2-2）
2σϕ
式中：t--罐壁按强度要求的最小壁厚，毫米； D--油罐的直径，米；
H--由所计算的那圈壁板的底边至罐壁顶端的垂直距离，米； γ--贮液的比重，当贮液的实际比重小于1时，取γ=1；
ϕ--焊缝系数，根据我国目前的焊接水平和焊缝质量检查的具体情况，可取ϕ=0.90；
[σ]可按2/3σS 进行计算，σS 为材料规定的最低屈服极限， [σ]--许用应力，
公斤/毫米3；
式中0.3是由于下一圈板或罐底对所计算的那圈板的约束而使最大应力减低的修正系数；
C--钢板的允许负偏差及腐蚀裕量之和，毫米。
钢板的允许负偏差，与钢板的厚度和宽度有关。按(2-2)式计算出的t 值，适当向上圆整。考虑到预制，运输、安装以及保证建成后罐壁圆度等，按(2-2)式确定的壁厚在任何情况下不得小于按刚性要求所决定的。
2.4.2 罐壁的设计厚度
罐壁的设计厚度按下式计算，取其中的较大值。 t 1=
0. 0049ρ(H -0. 3)D +C 1+C 2
σϕ
t
式（2-3）
t 2=
4. 9(H -0. 3)D +C 1
σϕ
式（2-4）
式中：t 1--储存介质时的设计厚度（mm ）；
t 2--储存水时的设计厚度（mm ）；
ρ--储液的密度(kg /m 3) ；
H--计算的壁板底边至罐壁顶端的垂直距离(m)； D--储罐内直径(m)；
[σ]t --设计温度下罐壁钢板的许用应力(MPa)； [σ]--常温下罐壁钢板的许用应力(MPa)；
ϕ--焊缝系数，取0．9；
C 1--钢板或钢管的厚度负偏差(mm), 取0.6mm ；
C 2--腐蚀裕量(mm),取2mm ；
查得，常温下16MnR 的许用应力[σ]=235MPa ，设计温度下的许用应力为
[σ]t
=157MPa ，将D=34m，H=24.26m代入上式，分别得：
t 1=
0. 0049⨯840⨯(24. 26-0. 3)⨯34+2. 6
=4. 72mm
157⨯0. 9t 2=
4. 9⨯(24. 26-0. 3)⨯34+0. 6
=3. 98mm
235⨯0. 9
在确定壁板的名义厚度时, 不能单纯地按计算结果考虑, 因为计算公式只从满足罐体强度方面考虑了作用在罐壁上的液柱静压力、材料的许用应力以及焊接接头系数。按照上述二式计算的罐壁厚度，最上一层或者几层钢板的厚度可能会较薄，以致于制造难度增大。确定罐体壁厚还要考虑以下几个方面的问题:：(1)防腐蚀；(2)罐体受力；(3)罐体刚度。为此罐体壁厚，可用一些经过实践证明行之有效的经验数据加以限制：
当油罐直径
2.4.3 罐壁的设计外压
储罐的外压包括风压和罐内负压，对内浮顶罐，没有罐内负压。故设计外压为：
p =2. 25μz W 0 式（2-5） =2.25×0.74×0.35
=0.58kPa=580Pa
式中：μz --风压高度变化系数，对于有密集建筑群的大城市区，取0.74； W 0--建罐地区的基本风压，根据GB50009-2001«建筑结构荷载规范»基本风压取值，风压值为0.35KN /m 2。
2.4.4 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：
P cr ≥P 0 式（2-6）
式中 p cr ——罐壁许用临界压力，Pa ；
p 0——设计外压，Pa ；
当P cr ≥P 0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. 59E δ2. 5
[P cr ]= 式（2-7）
D 1. 5L
式中： [P cr ]——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 ； δ——圆筒的厚度，m ； L——圆筒的高度，m;
将D =34m , L =24. 26m, δ=0.006m, E =192⨯109代入上式得：
2. 59E δ2. 52. 59⨯192⨯109⨯(0. 006)[P cr ]=1. 5=
D L 341. 5⨯24. 26
2. 5
=2191. 54Pa 式（2-8）
将式（2-7）用在当量筒体上，公式中的壁厚用δmin 表示，L 用罐壁筒体的当量高度表示，经整理后得到：
[P cr ]=D
H E ⎛δmin ⎫ ⎪ ⎝D ⎭
2. 5
式（2-9）
式中： P cr ——罐壁筒体的临界压力，Pa; D——储罐的内径，m ；
H E ——抗风圈以下的罐体的总当量高度，H E =∑H ei ，m;
⎛δmin ⎫
H ei ——抗风圈以下各圈罐壁的当量高度，H ei =h i δ⎪⎪
⎝i ⎭
2. 5
，m;
h i ——抗风圈以下各圈板的实际高度，m;
δi ——抗风圈以下各圈板的有效厚度，mm;
从上面的计算结果来看，P cr ≥P 0，故本文设计的储罐可不设置加强圈。
2.4.5 罐壁的开孔及开孔补强
由于使用的要求，必须在油罐壁上开孔并接管，例如，进出油管、通气孔、人孔和检查孔等。对罐壁的一些开孔有如下要求：
1）、无密闭要求的内浮顶罐，应在最高设计液位以上的罐壁上设置环形通气孔，通气孔应沿四周均匀分布，且不得少于4个，通气孔的总有效面积按下式计算：
B ≥0. 06D =0. 06⨯34=0. 78m 2 式（2-10）
式中： B——环向通气孔总有效通气面积（m 2）。
2）、罐壁上应至少设置一个低位人孔，并宜设一个高位人孔，其规格不应小于DN600。
在罐壁上开孔后将在孔的附近产生应力集中，其峰值应力通常达到罐壁基本应力的3倍，甚至更高。这样高的局部应力再加上开孔结构在制造过程中又不可避免的会形成缺陷和残余应力，如不采取适当的补强措施，就很可能在孔口造成疲劳破坏和脆性裂口，使孔口处撕裂。补强的办法就是在开孔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。
理论分析和实际经验表明，用罐壁相同材质的钢板作为补强圈板，补强圈板的横截面积与孔口的横截面积（孔口直径和罐壁厚度的乘积）取值相同，将有良好的效果，足以保证孔口的强度要求。因此工程实际中均采用这种“等截面”补强的方法。
接管公称直径大于50mm 的开孔应补强，当开孔直径不超过250mm ，补强板可采用环形板，当开孔直径大于250mm 时，补强板采用多边形板。
2.5 罐底设计
立式油罐的罐底一般是直接放在地基的砂垫层上．油罐内的油品重量可直接传结地基。底板仅受一简单的压缩力，这对钢板来说，受力是极其微小的。因此，对底板来说，理论上几乎没有强度要求，只需要将油品与地基隔开，不渗漏就行了。不过，考虑到不同大小的油罐由于地基沉陷的影响和经济要求，各种规范都对油罐罐底的结构，如排板的形式、底板的厚度以及搭接联接的方式等提出了不同的要求。
罐底设计的主要依据是：对排板、焊接、联接方法和板厚的要求。
2.5.1 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3所示的两种形式。
图3 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。
2.5.2罐底的应力计算
1）、中幅板处于薄膜受力状态，且在板的单位长度上的径向与环向的薄膜力是一致的，均等于常量N 。
2）、边缘板受力（如图4）
图4 罐底边缘板受力示意图
其中： F1——是支撑应力；
M0——是罐壁与边缘板的约束弯矩； L——受弯宽度； P2——是X=L；
根据：⑴第一层罐壁圈板挠度方程式： w -βx
(c βγR 2
1=e
3cos β1x 1+c 4sin 1x 1)-E δ(L 0-X 1) 1
⑵罐壁X 1=0处的边界条件 MX =M0 QX =-N（=Q0） ⑶图2-2的力平衡方程式 F 1+P l
2
4
=p 1 式（2-11）
式（2-12）
pl 2p 2l 2
- F 1l =M 0+ 式（2-13） 224
⑷在X=L/2处的挠度W 及
dw
dx
连续。 ⑸由圆膜的应力-应变关系，求得的罐底径向位移 u
=
N (1-U ) R
x =0
Et （向圆心为正） 0
⑹罐壁与罐底的交界处的位移连续条件
U
x =0
=-W 1x 1=0
dw =d
w 等关系，可以求得（推导从略）1dx
x =0
dx x 1=0
1
中幅板的薄膜力：
2M 2
N =0P 1+μL 0
2β(1-) 11
Rt 0
罐壁与边缘板之间的约束弯矩：
11δ1μ2β2
1L 0
240(t ) Pl 3+4β4(1
2β(1-) -1)
11+
M Rt 0
0=
1
117l 1β-1
2β
1+
+
(1-) +40(t )
3
1Rt 0
式中 t——边缘板厚度； 2 β1=4
3(1-μ) R 2
δ2
； 1
μ——泊松系数； R——储罐半径；
式（2-14）
式（2-15）
式（2-16）
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摘 要
工程设什为实例，总结大型内浮顶原油储罐的设计．对大于32 m 直径带肋拱
顶进行了设计分析对内浮顶储罐与固定顶储罐进行了比较, 从罐体的配置、作用、制造和检验等方面阐述了内浮顶储罐的罐体设计技术要求; 并就内浮顶储罐的发展、储罐的用途特点、储罐的主要组成部分、油罐主体材质、罐壁厚度计算、罐底结构形式、内浮顶结构形式、油罐附件、储罐的安全使用等进行了详细分析，论述了内浮顶储罐的相关事项及步骤。
关键词: 内浮顶储罐; 固定顶储罐; 通气孔; 扩散管; 量油孔; 导向管; 大
型储罐
Abstract
Based on the engineering design, work of 20，000 m3 large roof c0ne
bottc,m avfiationkerosene tank，make the design analysis of over 32 m diameter roof with rib Comparison was made for inter floating roof tank with fixing roof tank , shell design technical requirements for shell of inter floating rooftank were described from aspects of lay2out of shell , function , fabrication and inspection etc. , the relevant matters and the reformation procedures werediscussed for reforming from fixing roof tank to inter floating roof tank.
Key words : inter floating roof tank ; fixing roof tank ; venting hole ;
spreading tube ; hole for oil measure ; guide tube ；large tank ，roof design
目 录
摘 要 . ............................................................. I ABSTRACT . ......................................................... III
第1章内浮顶储罐引言 . ............................................... 1
1.1国内外汽油储罐的发展概况 ...................................... 1
1.2内浮顶储罐概述 ................................................ 1
1.2.1内浮顶储罐的结构形式 . ...................................... 1
1.2.2 内浮顶罐的构成及特点 ...................................... 1
第2章 内浮顶油罐的设计计算 . ........................................ 3
2.1 内浮顶油罐的设计思想和参数的确定 .............................. 3
2.2 罐总体尺寸的确定 .............................................. 3
2.2.1 储罐内径和高度的确定 ...................................... 3
2.2.2 内浮顶所占容积和有效容积的估算 ............................ 4
2.3 材料的选择 .................................................... 5
2.4 罐壁设计 ...................................................... 5
2.4.1 壁厚的确定 ................................................ 6
2.4.2 罐壁的设计厚度 ............................................ 6
2.4.3 罐壁的设计外压 ............................................ 8
2.4.4 加强圈设计 ................................................ 8
2.4.5 罐壁的开孔及开孔补强 ...................................... 9
2.5 罐底设计 ..................................................... 10
2.5.1 排版形式 ................................................. 10
2.5.2罐底的应力计算 . ........................................... 11
2.6罐顶设计 ..................................................... 13
2.6.1 固定顶设计 ............................................... 13
2.6.2 球壳设计 ................................................. 14
2.6.3 内浮顶设计 ............................................... 16
2.6.4 罐顶的人孔和检查孔 ....................................... 19
2.7 储罐的附属设施 ............................................... 19
2.7.1 油罐附件 ................................................. 20
2.7.2 原油罐的安全设施 ......................................... 20
2.7.3 物料的管线设计 ........................................... 21
2.7.4 检测控制仪表 ............................................. 21
第3章 储罐设计的经济评价 . ......................................... 23
3.1 评价的意义 ................................................... 23
3.2 评价的指标 ................................................... 23
3.3 评价指标分析 ................................................. 24
3.4 结论 ......................................................... 25
结论 . .............................................................. 26
参考文献 . .......................................................... 27 致 谢 . ............................................. 错误！未定义书签。
喵星人理工大学
第1章内浮顶储罐引言
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、煤油等介质。随着内浮顶技术的发展，汽油和航空原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。
1.2内浮顶储罐概述
1.2.1 内浮顶储罐的结构形式
长期以来, 贮存油品及化学品的固定顶储罐的蒸发损耗问题倍受关注。以汽油贮存为例, 固定顶储罐的蒸发损失高达9 % , 而采用浮顶储罐则可减少蒸汽损耗98. 4 %以上, 且保护了环境。浮顶储罐有外浮顶和内浮顶2 种结构形式。外浮顶储罐, 即敞顶罐, 无固定顶, 贮液质量易受外界的影响, 在严寒地区还会因积雪太厚及密封圈冻结而难以使用。因此, 外浮顶储罐已逐渐被内浮顶储罐所取代。内浮顶储罐是安装有内浮盘的固定顶储罐。由于内浮顶储罐兼有外浮顶储罐和固定顶储罐的主要优点, 因此被誉为“全天候储罐”。内浮顶储罐内安装的内浮盘及其密封装置、导向装置、防旋转装置、静电导出装置以及自动通气阀等部件均由内浮盘制造商设计、制造及安装。
1.2.2 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、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原油、汽油等要求高的油 1
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、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。
2
第2章 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（原油）及工作环境确定设计温度为900C ，设计压力为常压，储液密度840kg/m3, 腐蚀裕量1mm 。.
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
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1储罐的经济尺寸
当容积大于1000m 3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。按此算得容积为20000m 3的储罐，高度为24.26m ，直径为34m ，储罐为“矮胖形”，取H=24.26m,D=34m。计算容积为:V=π/4*D2*H=22015m 3。
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提供的公称容积为20000m 3的储罐的参数如下：
计算容积：22015m 3；储罐内径：34000mm 罐壁高度：23710mm ；拱顶高度：24080mm ；总高:24260mm；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：162652Kg 。
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（不包括圆顶部分）。因此H 浮=1. 4+1. 2=2. 6m 。 2、储罐的有效容积
上面确定了20000m 3储罐的高度H=23.71m,所以内浮顶所占储罐的容积为：
V 浮=
2. 6
⨯20000=2193. 2m 3
23. 71
式（2-1）
. 2=17806. 8m 。 储罐的有效容积为：V 有效=V 总-V 浮=20000-2193
3
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1000m 3至20000m 3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-B 和Q235- A-F。
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—100C 以上时，取Q235-B ，在-10— -200C 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-B 或Q235-A-F 。
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16MnR 、Q235- B; 板材宽度: 2.97m。
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：
1）、定点法：用于容积较小的储罐（直径小于60米）。 2）、变点法：此方法适用于L/H≤1000/6的储罐。 3）、应力分析法：此方法适用于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
2.4.1 壁厚的确定
罐壁的设计首先要确定壁厚。在罐壁中环向应力是占控制地位的，因而壁厚是根据环向应力确定的。壁厚一般可按下式计算： t =
D (H -0. 3)γ
+C 式（2-2）
2σϕ
式中：t--罐壁按强度要求的最小壁厚，毫米； D--油罐的直径，米；
H--由所计算的那圈壁板的底边至罐壁顶端的垂直距离，米； γ--贮液的比重，当贮液的实际比重小于1时，取γ=1；
ϕ--焊缝系数，根据我国目前的焊接水平和焊缝质量检查的具体情况，可取ϕ=0.90；
[σ]可按2/3σS 进行计算，σS 为材料规定的最低屈服极限， [σ]--许用应力，
公斤/毫米3；
式中0.3是由于下一圈板或罐底对所计算的那圈板的约束而使最大应力减低的修正系数；
C--钢板的允许负偏差及腐蚀裕量之和，毫米。
钢板的允许负偏差，与钢板的厚度和宽度有关。按(2-2)式计算出的t 值，适当向上圆整。考虑到预制，运输、安装以及保证建成后罐壁圆度等，按(2-2)式确定的壁厚在任何情况下不得小于按刚性要求所决定的。
2.4.2 罐壁的设计厚度
罐壁的设计厚度按下式计算，取其中的较大值。 t 1=
0. 0049ρ(H -0. 3)D +C 1+C 2
σϕ
t
式（2-3）
t 2=
4. 9(H -0. 3)D +C 1
σϕ
式（2-4）
式中：t 1--储存介质时的设计厚度（mm ）；
t 2--储存水时的设计厚度（mm ）；
ρ--储液的密度(kg /m 3) ；
H--计算的壁板底边至罐壁顶端的垂直距离(m)； D--储罐内直径(m)；
[σ]t --设计温度下罐壁钢板的许用应力(MPa)； [σ]--常温下罐壁钢板的许用应力(MPa)；
ϕ--焊缝系数，取0．9；
C 1--钢板或钢管的厚度负偏差(mm), 取0.6mm ；
C 2--腐蚀裕量(mm),取2mm ；
查得，常温下16MnR 的许用应力[σ]=235MPa ，设计温度下的许用应力为
[σ]t
=157MPa ，将D=34m，H=24.26m代入上式，分别得：
t 1=
0. 0049⨯840⨯(24. 26-0. 3)⨯34+2. 6
=4. 72mm
157⨯0. 9t 2=
4. 9⨯(24. 26-0. 3)⨯34+0. 6
=3. 98mm
235⨯0. 9
在确定壁板的名义厚度时, 不能单纯地按计算结果考虑, 因为计算公式只从满足罐体强度方面考虑了作用在罐壁上的液柱静压力、材料的许用应力以及焊接接头系数。按照上述二式计算的罐壁厚度，最上一层或者几层钢板的厚度可能会较薄，以致于制造难度增大。确定罐体壁厚还要考虑以下几个方面的问题:：(1)防腐蚀；(2)罐体受力；(3)罐体刚度。为此罐体壁厚，可用一些经过实践证明行之有效的经验数据加以限制：
当油罐直径
2.4.3 罐壁的设计外压
储罐的外压包括风压和罐内负压，对内浮顶罐，没有罐内负压。故设计外压为：
p =2. 25μz W 0 式（2-5） =2.25×0.74×0.35
=0.58kPa=580Pa
式中：μz --风压高度变化系数，对于有密集建筑群的大城市区，取0.74； W 0--建罐地区的基本风压，根据GB50009-2001«建筑结构荷载规范»基本风压取值，风压值为0.35KN /m 2。
2.4.4 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：
P cr ≥P 0 式（2-6）
式中 p cr ——罐壁许用临界压力，Pa ；
p 0——设计外压，Pa ；
当P cr ≥P 0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. 59E δ2. 5
[P cr ]= 式（2-7）
D 1. 5L
式中： [P cr ]——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 ； δ——圆筒的厚度，m ； L——圆筒的高度，m;
将D =34m , L =24. 26m, δ=0.006m, E =192⨯109代入上式得：
2. 59E δ2. 52. 59⨯192⨯109⨯(0. 006)[P cr ]=1. 5=
D L 341. 5⨯24. 26
2. 5
=2191. 54Pa 式（2-8）
将式（2-7）用在当量筒体上，公式中的壁厚用δmin 表示，L 用罐壁筒体的当量高度表示，经整理后得到：
[P cr ]=D
H E ⎛δmin ⎫ ⎪ ⎝D ⎭
2. 5
式（2-9）
式中： P cr ——罐壁筒体的临界压力，Pa; D——储罐的内径，m ；
H E ——抗风圈以下的罐体的总当量高度，H E =∑H ei ，m;
⎛δmin ⎫
H ei ——抗风圈以下各圈罐壁的当量高度，H ei =h i δ⎪⎪
⎝i ⎭
2. 5
，m;
h i ——抗风圈以下各圈板的实际高度，m;
δi ——抗风圈以下各圈板的有效厚度，mm;
从上面的计算结果来看，P cr ≥P 0，故本文设计的储罐可不设置加强圈。
2.4.5 罐壁的开孔及开孔补强
由于使用的要求，必须在油罐壁上开孔并接管，例如，进出油管、通气孔、人孔和检查孔等。对罐壁的一些开孔有如下要求：
1）、无密闭要求的内浮顶罐，应在最高设计液位以上的罐壁上设置环形通气孔，通气孔应沿四周均匀分布，且不得少于4个，通气孔的总有效面积按下式计算：
B ≥0. 06D =0. 06⨯34=0. 78m 2 式（2-10）
式中： B——环向通气孔总有效通气面积（m 2）。
2）、罐壁上应至少设置一个低位人孔，并宜设一个高位人孔，其规格不应小于DN600。
在罐壁上开孔后将在孔的附近产生应力集中，其峰值应力通常达到罐壁基本应力的3倍，甚至更高。这样高的局部应力再加上开孔结构在制造过程中又不可避免的会形成缺陷和残余应力，如不采取适当的补强措施，就很可能在孔口造成疲劳破坏和脆性裂口，使孔口处撕裂。补强的办法就是在开孔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。
理论分析和实际经验表明，用罐壁相同材质的钢板作为补强圈板，补强圈板的横截面积与孔口的横截面积（孔口直径和罐壁厚度的乘积）取值相同，将有良好的效果，足以保证孔口的强度要求。因此工程实际中均采用这种“等截面”补强的方法。
接管公称直径大于50mm 的开孔应补强，当开孔直径不超过250mm ，补强板可采用环形板，当开孔直径大于250mm 时，补强板采用多边形板。
2.5 罐底设计
立式油罐的罐底一般是直接放在地基的砂垫层上．油罐内的油品重量可直接传结地基。底板仅受一简单的压缩力，这对钢板来说，受力是极其微小的。因此，对底板来说，理论上几乎没有强度要求，只需要将油品与地基隔开，不渗漏就行了。不过，考虑到不同大小的油罐由于地基沉陷的影响和经济要求，各种规范都对油罐罐底的结构，如排板的形式、底板的厚度以及搭接联接的方式等提出了不同的要求。
罐底设计的主要依据是：对排板、焊接、联接方法和板厚的要求。
2.5.1 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3所示的两种形式。
图3 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。
2.5.2罐底的应力计算
1）、中幅板处于薄膜受力状态，且在板的单位长度上的径向与环向的薄膜力是一致的，均等于常量N 。
2）、边缘板受力（如图4）
图4 罐底边缘板受力示意图
其中： F1——是支撑应力；
M0——是罐壁与边缘板的约束弯矩； L——受弯宽度； P2——是X=L；
根据：⑴第一层罐壁圈板挠度方程式： w -βx
(c βγR 2
1=e
3cos β1x 1+c 4sin 1x 1)-E δ(L 0-X 1) 1
⑵罐壁X 1=0处的边界条件 MX =M0 QX =-N（=Q0） ⑶图2-2的力平衡方程式 F 1+P l
2
4
=p 1 式（2-11）
式（2-12）
pl 2p 2l 2
- F 1l =M 0+ 式（2-13） 224
⑷在X=L/2处的挠度W 及
dw
dx
连续。 ⑸由圆膜的应力-应变关系，求得的罐底径向位移 u
=
N (1-U ) R
x =0
Et （向圆心为正） 0
⑹罐壁与罐底的交界处的位移连续条件
U
x =0
=-W 1x 1=0
dw =d
w 等关系，可以求得（推导从略）1dx
x =0
dx x 1=0
1
中幅板的薄膜力：
2M 2
N =0P 1+μL 0
2β(1-) 11
Rt 0
罐壁与边缘板之间的约束弯矩：
11δ1μ2β2
1L 0
240(t ) Pl 3+4β4(1
2β(1-) -1)
11+
M Rt 0
0=
1
117l 1β-1
2β
1+
+
(1-) +40(t )
3
1Rt 0
式中 t——边缘板厚度； 2 β1=4
3(1-μ) R 2
δ2
； 1
μ——泊松系数； R——储罐半径；
式（2-14）
式（2-15）
式（2-16）