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油罐及管道强度设计第一章储罐设计概述内容提要储罐及发展概况影响储罐工艺系统和储罐建造的因素储罐的种类及特点储罐材料及选用储罐设计方法与基本要求11.1储罐及发展概况1.1.1储罐：油品和各种液体化学品的储存设备.用途:是储运系统设施、炼油、化工装置的重要组成部分按温度划分,可分为:低温储罐(-90℃～-20℃)常温储罐(90)高温储罐(90℃～250℃)按压力划分,可分为:低压储罐(-490Pa～2000Pa)常压储罐(2000Pa～0.1MPa)按制造储罐的材料,又可分为:非金属储罐塑料防震储罐软体储罐金属储罐(钢壳衬里、铝及其合金等)按储罐所在位置和达到某种目的又可分为：地上储罐地下储罐半地下储罐山洞储罐海中储罐地下废坑废矿穴改建地下的储库等。各种储存设备各种储存设备1.1.2储罐发展20世纪70年代以来，内浮顶储油罐和大型浮顶油罐发展较快第一个发展油罐内部覆盖层的是法国。1955年美国也开始建造此种类型的储罐。1962年美国德士古公司就开始使用覆盖浮顶罐，并在纽瓦克建有世界上最大直径为187ft(61.6m)的带盖浮顶罐。1972年美国已建造了600多个内浮顶油罐。1978年美国API650附录H对内浮盘的分类、选材、设计、安装、检验及标准载荷、浮力要求等均做了一系列修订和改进。先进国家都有较齐全的储罐设计专用软件，静态分析、动态分析、抗震分析等，如T形脚焊缝分析。近20年也相继出现各种形式和结构的内浮盘或覆盖物。目前已有16×104m320×104m324×104m31978年国内3000m3铝浮盘投入使用，通过测试蒸发损耗收到显著效果。1985年中国从日本引进第一台10×104m3全部执行日本标准JISB8501同时引进原材料，零部件及焊接设备.目前国内对10×104m3油罐有比较成熟的设计、施工和使用的经验，国产大型储罐用高强度钢材已能够批量生产。15×104m3目前国内正在建设。储罐的发展趋势---大型化1.1.3储罐大型化特点优点：(1)总图布置的占地面积小(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(4)便于储运和管理新问题:(储罐大型化产生的)：(1)罐壁板材料的要求提高了.因储罐大型化后，同时也对焊接质量提出更严格要求；相应增加储罐壁厚度，提高对钢材强度和韧性的要求。(2)事故危害性增大.随着容量的增大对消防措施要求提高.1.2储罐种类和特点储罐按几何形状可分为立式圆筒形储罐应用广泛可做大容量。卧式圆筒形储罐适用于储存容量较小且需压力较高的液体。球形储罐适用于储存容量较大有一定压力的液体，如液氨、液化石油气、乙烯等。双曲线储罐(滴形储罐)结构复杂，施工困难，造价高，。悬链式储罐（无力矩储罐）顶板过薄易积水，锈蚀遭损坏。立式圆筒形储罐按其罐顶结构可分为锥顶储罐固定顶储罐:拱顶储罐伞形顶储罐网壳顶储罐(球面网壳)浮顶储罐(外浮顶罐)浮顶储罐：内浮顶储罐(带盖浮顶）1.2.1锥顶储罐锥顶储罐又可分为：自支撑锥顶支撑锥顶。锥顶坡度最小为1/16，最大为3/4。锥顶罐制造简单，但耗钢量较多，顶部气体空间最小.可减少“小呼吸”损耗。自支撑锥顶还不受地基条件限制。支撑式锥顶不适用于有不均匀沉陷的地基或地荷载较大的地区。图1-1自支撑锥顶罐简图1.2.2拱顶储罐拱顶储罐的罐顶是一种接近于球形形状的一部分其结构一般只有自支撑拱顶一种。可分为无加强肋拱顶(容量小于1000m3)，有加强肋拱顶(容量大于1000～20000m3)拱顶R=0.8～1.2D，它可承受较高的剩余压力，蒸发损耗较少；与锥顶罐相比耗钢量少但罐顶气体空间较大；制作需用胎具，是国内外广泛采用的一种储罐。图1-2自支撑拱顶罐简图1.2.3伞形顶储罐自支撑伞形顶是自支撑拱顶的变种，其任何水平截面都具有规则的多边形。罐顶荷载靠伞形板支撑于罐壁上，伞形罐顶的强度接近于拱形顶，安装较容易，1.2.4网壳顶储罐(球面网壳)钢网壳结构形式在近代大型体育馆屋顶结构中已有成熟的设计经验工程实践证明它具有足够的刚性和可靠性，1.2.5浮顶储罐浮动顶(简称浮顶)漂浮在储液面上。浮顶与罐壁之间有一个环形空间。环形空间中有密封元件。使得罐内的储液与大气完全隔开.减少储液储存过程中的蒸发损耗，保证安全.减少大气污染。浮顶的形式有双盘式、单盘式、浮子式等。可用于储存原油、汽油、溶剂油以及需控制蒸发损耗及大气污染，控制放出不良气体，有着火危险的液体化学品。图1-4双盘式浮顶罐图1-5单盘式浮顶罐图1-6内浮顶罐1.2.6内浮顶储罐美国石油学会认为:设计完善的内浮顶是迄今为止控制固定顶油罐蒸发损耗研究出来的和投资最少的方法。大量减少蒸发损耗。储液与空气隔离，减少空气污染和着火爆炸危险，易于保证储液质量。特别适用于储存高级汽油和喷气燃料以及有毒易污染的化学品。易于将已建固定顶罐改造为内浮顶罐，并取消呼吸阀、阻火器等附件，投资少、经济效益明显。能有效地防止风砂、雨雪或灰尘污染储液，在各种气候条件下保证储液的质量，有“全天候储罐”之称。在密封效果相同情况下，与浮顶罐相比，能进一步降低蒸发损耗，。内浮顶罐的内浮盘与浮顶罐上部敞开的浮盘不同，不可能有雨、雪荷载，内浮盘上荷载少、结构简单、轻便，可以省去浮盘上的中央排水管、转动浮梯等附件，易于施工和维护。密封部分的材料可以避免日光照射而老化。类型罐顶表面形状受力分析罐顶特点和使用范围备注锥顶罐自支撑式接近于正圆锥体荷载靠锥顶板周边支撑于罐壁上VN＜1000m3直径不宜过大，制造容易，不受地基条件限制1/16≤坡度≤3/4分有加强肋和无加强肋两种锥顶板支撑式接近于正圆锥体荷载主要由梁檀条或桁架和柱子承担VN≥1000m3坡度较自支撑式小,顶部气体空间最小,可减少“小呼吸”损耗不适用地基有不均匀沉降，耗钢量较自支撑多拱顶罐（一般只有自支撑式）接近于球形表面拱顶R=0.8~1.2D荷载靠拱顶周边支撑于罐壁受力情况好,结构简单,刚性好能承受较高的剩余压力,耗钢量最小气体空间较锥顶大，制造需胎具，单台成本高，分有加强肋和无加强肋两种拱顶板伞形顶罐（一般只有自支撑式）一种修正的拱形顶其任一水平截面都是规则的多边形荷载靠伞形板周边支撑于罐壁上强度接近于拱顶,安装较拱顶容易系美国API650和日本JISB8501规范中的一种罐顶结构形式，但国内很少采用网壳顶罐一种球面形状荷载靠网格结构支撑于罐壁上刚性好，受力好，可用于VN2×104m3以上的固定顶储罐可制造成部件，在现场组装成整体结构1.2.7储液损耗研究石油类或液体化学品储运系统储液的损耗日益受到人们的重视。损耗不但使资源浪费，降低了储液的质量，造成经济损失，而且严重污染环境，危害人们的生活质量和生存，因此作为储运系统重要组成部分的储罐技术发展的标志之一，就是有效控制和尽量减少储液的很耗。损耗类型与损耗量石油类或液体化学品储液的损耗可分为蒸发损耗和残漏损耗两种类型。文献和调查资料表明，储液损失，特别是油品损耗数量是十分惊人的。1980年，中国11个主要油田的测试结果表明，从井口开始到井场原油库，井场油品损耗量约占采油量的2%，其中发生于井场库的蒸发损耗约占总损耗的32%。据1995年第四届国际石油会议报道，在美国油品从井场经炼制加工到成品销售的全过程中，油品损耗数量约占原油产量的3%。若以总损耗为3%估算，全世界每年的油品损耗约有1X108t，几乎相当于中国一年的原油产量。储液损耗的危害液(油品)数量减少，经济损失严重据估算全世界从油田井场到销售的全过程中，每年原油和油品的总耗达3%。每年散失到大气中的量约1X108t，其经济损失相当严重。储液(油品)质量降低由于油品的蒸发都是油料中的最轻组成，因此会严重降低油品质量，甚至使本来合格油品变为不合格。例如，汽油随着轻组分的蒸发，蒸气压下降，启动性变差;辛烷值降低，汽油在发动机内燃烧时抗爆性变差。当航空汽油的蒸发损耗率达到1.2%时，其初馏点升高30C,蒸气压下降20，辛烷值减少0.5个单位。环境污染，危及人的生活质量和生存大多数的油库、油码头、石油与化工联合装置和加油站分布在人口稠密的城市或周边地区，散发到大气中的油气含有苯和有机活性化合物，苯对人有致癌作用，而有机活性化合物与氮氧化物在紫外线的作用下会发生一系列的光化学反应，生成臭氧、一氧乙酞硝酸醋、醛类、酮类和有机酸类等二次污染物；大气中的SO2还会生成硫酸盐气溶胶，这种一次和二次污染物的混合物称为光化学烟雾。这种烟雾强烈刺激人的眼睛、喉咙导致头痛以及使呼吸道患者病情恶化，严重时甚至造成死亡。因此寻找降低油品和液体化学品损耗的措施，是十分重要的课题。储液损耗的原因油品与液体化学品损耗两种类型中，蒸发是储液损耗的主要原因。任何储液的蒸发损耗都是在储罐内部传质过程中发生的。发生在气、液接触面的相际传质，即储液的蒸发。发生在储罐内气相空间蒸气分子的扩散.上述过程的进行，使储罐内气相空间原有的空气变为趋于均匀分布的储液蒸气和空气的混合气体.当外界条件变化引起混合气体状态参数改变时，混合气体从储罐排入大气，就造成了储液的蒸发损耗。内部因素是储液本身的固有性质。对油类来说是多种碳氢化合物的馏分组成，馏分组成越轻，沸点越低，蒸气压越大，蒸发损耗越大。因此在储罐内溶剂汽油、航空汽油、车用汽油和原油，容易造成蒸发损耗，而煤油、燃料油的蒸发损耗稍小，润滑油的蒸发损失更小。对液体化学品来说其组成较单一纯度较高，其蒸发损耗主要取决于沸点、蒸汽压的大小，沸点越低、蒸气压越大就越容易蒸发。因此在储罐内的醚类、醇类容易蒸发，苯类、酚类稍小，酸类和碱类更小。外部因素主要有温度、储罐的承压能力、储罐气相空间大小、储罐的密封程度、储罐的大小呼吸等。温度对同一种储液，大气温度和储液温度的高低是决定蒸发速度的重要因素。温度越高储液蒸发越剧烈。同时，随着温度的升高，储罐气相空间的压强也升高，增大的压强一旦超过储罐的安全控制压力使呼吸阀打开时，大量的储液蒸气就会排出罐外，造成损耗。储罐的承压能力储罐的承压能力较低，储液蒸气(油气)在较短时间内达到呼吸阀的开启压力，油气排入大气，使罐内压力降低，这样呼吸阀开启频率增加.蒸发速度加快蒸发损耗增加。储罐的承压能力较高，导致蒸发速度减慢，蒸发损耗减少。储罐气相空间储罐中储液上方气相空间越大，蒸发损耗越大。据计算，在相同温度和密封条件下储存同一种牌号汽油，进油量为储罐容量积20%时的蒸发损耗比进油量为储罐容积95%时大8倍。储罐的密封程度若进油储罐上部密封不严即有孔隙，随着储罐内部或外部气压的波动，油气就会从孔隙被排出或空气被吸入。孔隙不止一个，就会因空气流动形成自然通风。空气从一个孔隙进入而油气从另一个孔隙排出。当孔隙在不同高度分布时，还会因高差而产生的气压压差使油气从低处孔隙排出，空气从高处孔隙吸入。油气排出和空气吸入，会使储罐内的油蒸气浓度降低，又会使油品不断地蒸发，形成恶性循环。这种因储罐不同高度的孔隙引起的蒸发损耗又称为自然通风损耗。储罐上孔隙的产生原因为焊缝处的锈蚀、透光孔、法兰密封垫缺损、呼吸阀阀盘失灵、操作时量油口未盖严等。储罐的大呼吸储罐顶大呼吸是指储罐收、发储液(油)时的呼吸。储液收油时，由于油面逐渐升高，气相空间逐渐减小，罐内气相压力增大，当压力超过储罐安全控制压力时使呼吸阀打开。一定浓度的油蒸气从呼吸阀排出，直到储罐停止收油，所呼出的油蒸气造成了油品的蒸发损耗。当储罐向外发油时，因油面不断降低，罐内气相压力减小，当压力小于呼吸阀控制的真空度时，储罐开始吸人新鲜空气。由于油面上方油气没有饱和，促使油品蒸发速度加快，使油气重新达到饱和，罐内气相压力再次上升，可能有部分油气因压力过大，从呼吸阀逸出，大部分饱和蒸气将在下一次收油时被呼出。储罐的小呼吸罐内储液(油品)在没有收、发作业静止储存情况下，随着环境气温、压力在一天内昼夜周期变化，罐内气相温度、储液(油品)的蒸发速度、蒸气(油气)浓度和蒸气压力也随着变化，这种通过呼吸阀储液蒸气(油气)排出和吸入空气的过程所造成的储液(油品