GB50341和API650的罐壁設(shè)計(jì)比較

秦靜 葉亮

摘 要：本文主要對國內(nèi)油罐設(shè)計(jì)規(guī)范GB50341和美國石油協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)規(guī)范API650罐壁的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，得出結(jié)論普通材料GB50341的罐壁計(jì)算較API650保守，低密度低腐蝕材料GB50341的水壓試驗(yàn)厚度是壁厚的決定值，對于高強(qiáng)鋼，API650對材料的安全控制更嚴(yán)，安全預(yù)留量更大。

關(guān)鍵詞：罐壁;許用應(yīng)力;“一英尺”法;焊接接頭系數(shù);屈強(qiáng)比

1 前言

大型儲(chǔ)罐是存儲(chǔ)石化產(chǎn)品的重要設(shè)備，由于其儲(chǔ)存容量較大和存儲(chǔ)介質(zhì)大都易燃易爆且罐體耗材較多的特點(diǎn)，選擇正確合理全面的設(shè)計(jì)方法不僅是安全可靠的保證，也更經(jīng)濟(jì)節(jié)約。本文主要就GB50341和API650罐壁板的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較和分析。

API650對于直徑小于61m、GB50341對于直徑小于60m的罐壁計(jì)算均可采用定點(diǎn)法計(jì)算，即“一英尺”法?！耙挥⒊摺狈ㄊ且愿叱雒咳Ρ诎逑露?.3m（約為一英尺）處作為一個(gè)固定的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。該方法也是也是石油化工行業(yè)中儲(chǔ)罐類設(shè)計(jì)使用最多的計(jì)算方法。

以下是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定點(diǎn)法壁厚計(jì)算公式：

AP650罐壁設(shè)計(jì)壁厚公式：

AP650罐壁水壓試驗(yàn)壁厚公式：

GB50341罐壁設(shè)計(jì)壁厚公式：

GB50341罐壁水壓試驗(yàn)壁厚公式：

式中：

D-儲(chǔ)罐內(nèi)徑;

H-計(jì)算液位高度;

G-儲(chǔ)液相對水密度之比（API650）;

ρ-儲(chǔ)液相對水密度之比（GB50341）;

CA-厚度附加量（包括腐蝕余量和鋼板負(fù)偏差）;

Sd-儲(chǔ)存產(chǎn)品時(shí)鋼板的許用應(yīng)力;

St-水壓試驗(yàn)時(shí)鋼板的許用應(yīng)力;

[σ]d-設(shè)計(jì)溫度下鋼板的許用應(yīng)力;

[σ]t-常溫下鋼板的許用應(yīng)力;

Φ-焊接接頭系數(shù);

σs-屈服強(qiáng)度;

σb-抗拉強(qiáng)度。

從以上公式可看出，兩個(gè)公式的分子取值一樣，不同的是分母。API650中Sd許用應(yīng)力是2/3σs和2/5σb中的小值，GB50341[σ]d許用應(yīng)力是2/3σs，API650對許用應(yīng)力的取值較GB50341多了一項(xiàng)考慮，即2/5σb。因現(xiàn)在儲(chǔ)罐越來走向大型化，在選材方面也將趨向于強(qiáng)度更高的材料，爭對一些高強(qiáng)鋼，屈強(qiáng)比較大，如果還是采用2/3σs的許用應(yīng)力，那么相當(dāng)于降低了材料使用當(dāng)中的安全性儲(chǔ)備，API650中Sd許用應(yīng)力取2/3σs和2/5σb中的小值，也是基于對這種材料安全性的一種修正。針對高強(qiáng)鋼，GB50341對于最低屈服限大于390MPa時(shí)，采用了0.6σs的許用應(yīng)力。如GB50341中列入的調(diào)質(zhì)鋼12MnNiVR，σb為610MPa，σs為490MPa，按GB50341 20℃許用應(yīng)力取值為294MPa，按API650 20℃許用應(yīng)力取值為244MPa;GB50341的常用材料Q345R，σb為510MPa，σs為345MPa，按GB50341

20℃許用應(yīng)力取值為230MPa，按API650 20℃許用應(yīng)力取值為204;GB50341的常用材料Q235-B，σb為370MPa，

σs為225MPa，按GB50341 20℃許用應(yīng)力取值為150MPa，按API650 20℃許用應(yīng)力取值為148MPa。通過以上三種材料比較，API650的許用應(yīng)力值比GB50341低，對于屈強(qiáng)比越大的材料，API650的許用應(yīng)力與GB50341相差越大。GB50341引入了焊接頭系系數(shù)，GB50341中Φ第一圈壁板取0.85，其余壁板取0.9。API650的罐壁計(jì)算公式?jīng)]有焊接接頭系數(shù)（除附錄A），也可以理解為焊接接頭系數(shù)為1。API650的許用應(yīng)力值低于GB50341，GB50341引用了焊縫系數(shù)，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雖然焊縫系數(shù)和材料許用值不一樣，但通過公式的組合計(jì)算可以判斷，對于低強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比材料如Q235-B API650較GB50341設(shè)計(jì)更先進(jìn)，設(shè)計(jì)壁厚更薄，對于中等強(qiáng)度鋼如Q345R API650和設(shè)計(jì)壁厚相差不大，對于高強(qiáng)鋼、高屈強(qiáng)比材料如12MnNiVR API650更偏保守一些，設(shè)計(jì)壁厚更厚。越是高強(qiáng)鋼，API650對材料的安全控制更嚴(yán)，安全預(yù)留量更大。API650相較GB50341考慮更為合理和全面。

API650設(shè)計(jì)和水壓試驗(yàn)時(shí)對材料許用應(yīng)力Sd和St的取值是不同的，St是取3/4σs和3/7σb中的小值。GB50341

[σ]d和[σ]t均為2/3σs，只是對操作溫度和常溫上的區(qū)別，但大型儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度一般均在90度以下，對于這一溫度下GB50341的操作和水壓試驗(yàn)的材料許用應(yīng)力相差不大，這就基本等同于在水壓試驗(yàn)和常期操作工況對罐體的安全性要求一致，沒有明顯的區(qū)分短期載荷和長期載荷的安全系數(shù)，這一點(diǎn)和我們很多較成熟標(biāo)準(zhǔn)（如GB150，JB4710）的設(shè)計(jì)理念是不一致的。如對于一些密度較小、腐蝕裕度也較?。ㄈ鐑?nèi)防腐）的一些介質(zhì)，水壓試驗(yàn)將是決定取材厚度的工況。在這種工況下，GB50341較API650保守，API650的設(shè)計(jì)更為合理。

下面對以下設(shè)計(jì)參數(shù)的儲(chǔ)罐分別用GB50341和API650進(jìn)行計(jì)算比較：

設(shè)計(jì)壓力：5.5kPa設(shè)計(jì)溫度：40℃;罐壁內(nèi)徑：20m;

罐壁高度：20m;設(shè)計(jì)液位高度：20m;液體密度：800kg/m3;焊縫系數(shù)：0.9，0.85（GB50341），1（API650）;腐蝕

裕量：C1mm。

GB50341各段壁厚計(jì)算結(jié)果如表格。

由上面的計(jì)算結(jié)果比較得出，在上述設(shè)定參數(shù)的工況下，GB50341的水壓試驗(yàn)厚度和設(shè)計(jì)計(jì)算厚度均大于API650，且GB50341的水試驗(yàn)厚度大于設(shè)計(jì)計(jì)算厚度（因介質(zhì)密度較水小），是名義厚度取值的決定值。GB50341按名義厚度算出的總重為100678，API650按名義厚度算出的總重為91788，GB50341多出API650重量9.7%。

2 結(jié)束語

綜合上面的分析可以得出結(jié)論，對于普通材料GB50341的罐壁計(jì)算較API650保守，對于低密度低腐蝕材料GB50341

的水壓試驗(yàn)計(jì)算較API650更偏保守，水壓試驗(yàn)工況是罐壁厚度的決定值，所以對于普通材料和低密度低腐蝕材料GB50341的最終名義厚度均高于API650。但對于高強(qiáng)鋼，API650對材料的安全控制更嚴(yán)，安全預(yù)留量更大，計(jì)算壁厚高于GB50341。在儲(chǔ)罐罐壁設(shè)計(jì)方面API650相較GB50341考慮更為合理和全面。但隨著GB50341的升版，GB50341在計(jì)算理論和計(jì)算的全面性方面均與AI650保持同步，在地震、負(fù)壓、載荷方面的取值和計(jì)算與API650也基本保持一致，在罐頂形式和罐底邊緣板方面的運(yùn)用范圍更廣，GB50341是我國編制的標(biāo)準(zhǔn)，與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系相吻合，在實(shí)際運(yùn)用和計(jì)算中更為方便簡潔。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB50341-2014.立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2015.

[2] API650-2013.TWELFTH EDITION.Welded Steel Tanks for Oil Storage[S].API.2013.

作者簡介：

秦靜（1976- ），女，籍貫：四川，學(xué)歷：大學(xué)本科，職稱：高級(jí)工程師，研究方向：化工裝備。