大型儲罐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系的對比

蒲弦

（中國成達(dá)工程有限公司，四川成都 610041）

大型立式圓筒形平底儲罐（下文簡稱“大型儲罐”）廣泛用于油品和各種液體化學(xué)品等的存儲，如石化裝置的原料罐區(qū)、中間罐區(qū)、成品罐區(qū)等過程設(shè)備或大型商業(yè)罐區(qū)、大型石油儲備庫等儲存設(shè)備。儲罐的建造需考慮2個基本的原則，即安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。國內(nèi)外的儲罐設(shè)計日趨大型化，目前國內(nèi)最大的單一儲罐罐容已達(dá)到27萬m2，其建造的經(jīng)濟(jì)性和安全性愈加重要。充分了解儲罐的標(biāo)準(zhǔn)體系，掌握儲罐的設(shè)計基礎(chǔ)理論對儲罐建造的經(jīng)濟(jì)性和安全性有著至關(guān)重要的作用。

大型儲罐的建造包含儲罐的設(shè)計、選材、現(xiàn)場制作安裝、檢驗、試驗及驗收等全過程。本文主要就大型儲罐的建造標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行分析與對比，對常見種類的大型儲罐的建造提供設(shè)計理論基礎(chǔ)，主要包括：國內(nèi)外主要大型儲罐建造標(biāo)準(zhǔn)體系介紹，并針對相關(guān)儲罐建造標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、強(qiáng)度計算方法、材料許用應(yīng)力安全系數(shù)取值、最小厚度要求等方面進(jìn)行了對比，對國內(nèi)大型儲罐建造標(biāo)準(zhǔn)的體系的建設(shè)提出建議，并對儲罐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的選用提供參考[1]。

大型儲罐按其存儲介質(zhì)的壓力劃分為常壓儲罐、低壓或微內(nèi)壓儲罐；按溫度劃分為低溫儲罐（≤-40℃）、常溫儲罐（≤90℃）以及高溫儲罐（90℃～250℃）；按建造材質(zhì)劃分金屬儲罐和非金屬儲罐。目前國內(nèi)的大型儲罐標(biāo)準(zhǔn)體系基本已經(jīng)涵蓋了上述各種類型儲罐的建造。本文主要就金屬儲罐的標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行對比分析。

1.國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

常壓儲罐標(biāo)準(zhǔn)：GB 50341立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范以設(shè)計為主體，GB50128立式圓筒形焊接油罐施工及驗收規(guī)范以施工為主體，構(gòu)成目前國內(nèi)大型儲罐的主流建造標(biāo)準(zhǔn)。SH3046石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設(shè)計規(guī)范、SH/T3530石油化工立式圓筒形鋼制儲罐施工工藝標(biāo)準(zhǔn)等建造標(biāo)準(zhǔn)形成對國標(biāo)體系的補(bǔ)充，如不銹鋼儲罐的設(shè)計補(bǔ)充以及施工技術(shù)規(guī)定的補(bǔ)充等。

低壓儲罐標(biāo)準(zhǔn)：SH/T3167鋼制焊接低壓儲罐和SY/T0608大型焊接低壓儲罐的設(shè)計與建造為國內(nèi)的低壓儲罐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。SY/T0608完全參照API620大型低壓焊接儲罐設(shè)計與建造進(jìn)行編制，并加入了國內(nèi)的部分金屬材料的參數(shù)，在無損檢測標(biāo)準(zhǔn)方面采用了國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。SH/T3167同時參照了API620和GB50341進(jìn)行編制，設(shè)計許用應(yīng)力較API620有所提高[2]。

低溫儲罐標(biāo)準(zhǔn)：SY/T0608包含了低溫儲罐部分的設(shè)計及施工技術(shù)要求。SH/T3537立式圓筒形低溫儲罐施工技術(shù)規(guī)程以低溫儲罐施工為主體的標(biāo)準(zhǔn)。

LNG儲罐標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 26978.1～GB/T 26978.5現(xiàn)場組裝立式圓筒形平底鋼制液化天然氣儲罐的設(shè)計與建造為國內(nèi)液化天然氣儲罐的建造規(guī)范，是國內(nèi)LNG 儲罐的系列標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)主要參照EN14620，并結(jié)合國內(nèi)LNG儲罐的建造實際情況編制而成。

大型儲罐的防腐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB50393鋼質(zhì)石油儲罐防腐蝕工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了儲罐的詳細(xì)的防腐技術(shù)要求及施工要求。

大型儲罐的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：AQ3053立式圓筒形鋼制焊接儲罐安全技術(shù)規(guī)范為應(yīng)急管理部安監(jiān)部門對化工設(shè)備中立式圓筒形焊接儲罐提出的最新建造要求。主要對大型儲罐提出了按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類進(jìn)行分級管理的規(guī)定。

同時國內(nèi)軍用標(biāo)準(zhǔn)體系中也有關(guān)于大型儲罐建造的技術(shù)規(guī)定，如GJB5758后方油料倉庫設(shè)計規(guī)范對大型覆土罐提出了具體建造規(guī)定。其中覆土罐的鋼制儲罐部分按GB50341標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計、制作、檢驗及驗收。

2.國外標(biāo)準(zhǔn)

國外大型儲罐標(biāo)準(zhǔn)體系主要是歐美日標(biāo)準(zhǔn)體系，均包含了儲罐的整個建造過程，如材料、設(shè)計、焊接、檢驗、試驗、驗收、運行及后期維護(hù)、改造、維修等過程。國內(nèi)的儲罐標(biāo)準(zhǔn)大都參照美國API標(biāo)準(zhǔn)體系和EN標(biāo)準(zhǔn)體系編制[3]。

國外的常壓儲罐標(biāo)準(zhǔn)主要有美國 API650鋼制焊接油罐、俄羅斯npaBHJIa儲罐技術(shù)運行準(zhǔn)則、歐盟EN14015在室溫及高于室溫下液體儲存用平底、立式、圓柱形、現(xiàn)場建造的地面上可焊鋼罐的設(shè)計和制造規(guī)范，英國的BS2654石油工業(yè)立式鋼制焊接油罐及日本的 JIS8501鋼制焊接油罐結(jié)構(gòu)等。

國外的低壓或低溫儲罐標(biāo)準(zhǔn)主要有API620大型低壓焊接儲罐設(shè)計與建造、EN14620現(xiàn)場組裝立式圓筒形平底鋼制操作溫度介于0℃～-165℃冷凍液化氣儲罐的設(shè)計與建造等，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型LNG等低溫儲罐的建造。EN14620的使用范圍更為廣泛，主要應(yīng)用于大型低溫儲罐，如單金屬壁單容罐、雙金屬壁單容罐或全容罐、預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐的建造。

API651、API652及API653標(biāo)準(zhǔn)也是API儲罐標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，既涵蓋了儲罐建造過程中的特殊考慮，也為用戶在儲罐的使用過程中的操作及維護(hù)提供幫助。并對儲罐運行過程中的檢驗，維修及重建提供指導(dǎo)性措施。

EN14015是歐盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會在結(jié)合BS和DIN標(biāo)準(zhǔn)中的大型儲罐基礎(chǔ)上編制而成，在石油、石化、食品和通用液體儲存等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。EN14015具有國際標(biāo)準(zhǔn)的通用性，其理論是基于設(shè)計許用應(yīng)力強(qiáng)度。

與儲罐相關(guān)的俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)為PД企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，PД企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)借鑒和吸收了獨聯(lián)體跨國標(biāo)準(zhǔn)GOST、獨聯(lián)體跨國規(guī)則PMΓ與ΠMΓ和俄羅斯聯(lián)邦國家標(biāo)準(zhǔn)GOST R等文件內(nèi)容，具有較強(qiáng)的權(quán)威性和先進(jìn)性。俄羅斯儲罐標(biāo)準(zhǔn)最具代表性的為РД153-39.4-078干線石油管道和油庫的儲罐的技術(shù)運營準(zhǔn)則和Правила儲罐技術(shù)運營規(guī)則等。

3.大型儲罐標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

國內(nèi)外主要大型儲罐標(biāo)準(zhǔn)適用范圍見表1。目前GB50341將壓力適用范圍擴(kuò)展與API650一致，溫度范圍略有區(qū)別。GB50341及API650的正文部分適用負(fù)壓為-0.25kPa，按附錄設(shè)計時負(fù)壓可達(dá)-6.9kPa，在各國標(biāo)準(zhǔn)中負(fù)壓范圍最大。

表1 國內(nèi)外大型儲罐的溫度、壓力適用范圍

環(huán)境溫度所影響的最低設(shè)計溫度，各國標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，其中國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)取值為最低日平均溫度加上13℃考慮，API及JIS按加8℃考慮，EN14015標(biāo)準(zhǔn)則按不同環(huán)境溫度范圍增加不同的數(shù)值，考慮更為細(xì)化。從材料類別看：GB50341標(biāo)準(zhǔn)仍未將不銹鋼材料列入標(biāo)準(zhǔn)，而API 650及API620基本涵蓋常用的儲罐用材料，如碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金，同時列入了其他標(biāo)準(zhǔn)材料如ISO標(biāo)準(zhǔn)，EN標(biāo)準(zhǔn)以及加拿大CSA標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)SH3046和低壓儲罐 SH/T3167中列入了不銹鋼材料，設(shè)計時可作為補(bǔ)充和參考。

從適用的結(jié)構(gòu)形式看：常溫常壓儲罐標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式基本一致，而在EN14015標(biāo)準(zhǔn)中增加雙層平底的結(jié)構(gòu)。低溫或低壓儲罐標(biāo)準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)形式基本一樣。液化冷凍介質(zhì)儲罐標(biāo)準(zhǔn)如 EN14620和GB/T26978則增加了混泥土構(gòu)件部分的技術(shù)要求，而API620標(biāo)準(zhǔn)中無此部分建造要求，故在大型低溫儲罐的設(shè)計時，各國標(biāo)準(zhǔn)可互為參考使用，以確保大型儲罐設(shè)計的各種工況得到充分的考慮，保證儲罐建造的本質(zhì)安全性。國內(nèi)外主要的大型儲罐結(jié)構(gòu)形式見表2。

表2 國內(nèi)外主要的大型儲罐結(jié)構(gòu)形式

4.主要標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度計算方法對比

由于儲罐的強(qiáng)度計算方法、焊接接頭系數(shù)以及材料的許用應(yīng)力都對大型儲罐的罐壁厚度計算影響較大，直接關(guān)系到儲罐設(shè)計的經(jīng)濟(jì)合理性。下述為國內(nèi)外儲罐罐壁的計算方法和接頭系數(shù)的比較，見下表3。

表3 大型儲罐罐壁強(qiáng)度計算方法

我國和歐盟、日本常壓大型儲罐罐壁的計算都采用定點法，即“一英尺”法，盡管公式有些不同，但都是基于薄膜理論中環(huán)向應(yīng)力公式而得，其本質(zhì)是一樣的。美國的API650，提出3種方法，其中定點法與我國及歐盟的本質(zhì)一致；變點法對于直徑大于60m的大型儲罐有較好的經(jīng)濟(jì)性；同時，當(dāng)H/L大于1000/6時的儲罐，應(yīng)采用彈性應(yīng)力分析方法確定罐壁壁厚。API620、SH/T3167、SY/T0608均采用“自由體”法，自由體分析法是一種確定作用在儲罐壁上力的大小和方向的設(shè)計程序。在選擇的分析高度上，儲罐保持靜平衡，高于或低于選擇部分作為自由體考慮。

5.主要標(biāo)準(zhǔn)的材料許用應(yīng)力安全系數(shù)對比

確定材料的安全系數(shù)，也是影響大型儲罐安全和經(jīng)濟(jì)性的主要因數(shù)。下述表4為國內(nèi)外大型儲罐確定材料許用應(yīng)力安全系數(shù)的對比。

表4 大型儲罐材料確定許用應(yīng)力的安全系數(shù)取值

表5 GB50341、SH/T3167儲罐邊緣板最小厚度

對于高溫儲罐的材料，同時應(yīng)考慮材料力學(xué)性能的折減系數(shù)。

表6 API620、SY/T0608底板最小公稱厚度

表7 API 650底板邊緣板最小厚度

表8 EN14015: 底板最小公稱厚度

6.主要標(biāo)準(zhǔn)對最小厚度要求對比

大型儲罐的各部件最小厚度要求，體現(xiàn)了各個體系對大型儲罐研究的發(fā)展歷程以及經(jīng)驗積累，是保證儲罐安全性的重要因數(shù)。表5～表9為各國標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于最小厚度要求的對比。下表中均為碳鋼或低合金鋼材質(zhì)的數(shù)據(jù)。

表9 儲罐壁板最小厚度

我國大型儲罐標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)形成一套相對完整的建造標(biāo)準(zhǔn)體系，但與國外的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)比較仍有需要進(jìn)一步完善的地方，主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍上，介質(zhì)特性以及結(jié)構(gòu)形式上，除個別行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，目前我國國標(biāo)體系中還不能完全包含下述內(nèi)容，如高度極度危害性介質(zhì)、雙壁罐或雙層底板儲罐；我國儲罐標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)合理論和實際建造中，將設(shè)計公式經(jīng)驗化，使用起來較為方便。

通過國內(nèi)外大型儲罐建造標(biāo)準(zhǔn)體系的對比分析，大型儲罐的設(shè)計應(yīng)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)體系，是保證大型儲罐建造經(jīng)濟(jì)性和安全性的前提。通常，對于常溫常壓儲罐可采用GB50341、API650、EN14015等標(biāo)準(zhǔn)，但對于儲罐直徑大于60m時，建議采用變點法進(jìn)行設(shè)計，以保證儲罐建造的經(jīng)濟(jì)性；對于常溫低壓或低溫低壓儲罐可采用SH/T3167、SY/0608、API620、EN14620等標(biāo)準(zhǔn)；對于不銹鋼儲罐可以采用SH3046、SH/3167并可參考GB50341標(biāo)準(zhǔn)；對于低溫鋁制儲罐可采用API650附錄部分；對于大型LNG儲罐的建造可采用GB/T26978、EN14620、API620標(biāo)準(zhǔn)；采用上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高度危害介質(zhì)儲罐設(shè)計的同時，還應(yīng)對儲罐材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接、熱處理、無損檢測、試驗等方面提出附加的技術(shù)要求，以確保儲罐的運行本質(zhì)安全性。