储罐设计基础课件

1、第第1章章 储罐设计概述储罐设计概述主要内容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教学重点：教学重点： 储罐种类、特点及应用情况，储罐种类、特点及应用情况， 储罐设计的常用规范；储罐设计的常用规范； 储罐的大型发展趋势及技术难题储罐的大型发展趋势及技术难题 储罐材料及的常用规范储罐材料及的常用规范教学难点：教学难点： 无无1.1储罐及发展概况1.1.11.1.1储罐：储罐： 油品和各种液体化学品的储存设备油品和各种液体化学品的储存设备. . 用途用途: :是储运系统设施、炼油、化工装置是储运系统设施、炼油、化工装置 的重要组成部的重要

2、组成部分。分。 按温度划分按温度划分, ,可分为可分为: : 低温储罐低温储罐(-90 (-90 -20 )-20 ) 常温储罐常温储罐(90)(2104m3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，就是有效径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。蒸发损耗和残漏损耗分别是指储液在生产、储存、运

3、输、销售中由于受到工艺技术及设备的限制，有一部分较轻的液态组分气化而造成的在数量上不可回收的损失和在作业未能避免的滴洒、渗漏、储罐(容器)内壁的乳黏附、车、船底部余液未能卸净等而造成的数量损失，储液(油品)的残漏损耗不发生形态变化。 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，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

4、约有1X108t，几乎相当于中国一年的原油产量。储液损耗的危害 1.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。 2.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。 3.环境污染，危及人的生活质量和生存 大多数的油库、油

5、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。为此在这里主要阐述储罐蒸发损耗的各种原因。 任何储

6、液的蒸发损耗都是在储罐内部传质过程中发生的。这种传质过程包括发生在气、液接触面的相际传质，即储液的蒸发(液体表面的汽化过程)。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。 引起蒸发的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

7、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。 引起蒸发的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。 1.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。 2.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

8、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。 3.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。 4.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

9、人。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扭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、操作时盆油口未盖严等。 5.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

10、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。 6.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，这种排出或通过呼吸阀储液蒸气(油气)和吸人空气的过程所造成的储液(油品)损耗称作储罐小呼吸损耗，在生产上也叫储罐静止储存损耗中，小呼吸损耗约占10%。有关资料表明：一座1x104 m3地上金属汽油罐，一年小呼吸损失可达117t，损失率

11、为1.7%。1.2.8储罐选型 首先根据储液的性质和储液的需要，确定选用浮顶罐还是固定顶罐。 若是常压储存，主要为了减少蒸发损耗或防止污染环境保证储液不受空气污染、要求干净等宜选用浮顶罐或内浮顶罐。 若是常压或低压储存，蒸发损耗不是主要问题，环境污染也不大，可不必设置浮顶且需要适当加热储存，宜选用固定顶罐。 浮顶选型时 20m以下小直径罐，常用双盘式； 油品蒸汽压高于103.4kPa时，也用双盘式； 单盘式浮顶的建造费用是双盘式的1/3； 双盘式浮顶强度高，积雪深度2m以上时，用双盘式； 双盘式浮顶绝热保温效果好 1.3储罐用材和选用1.3.1储罐用材概述储罐用材按类别可分为碳钢(碳素钢和低合

12、金钢)、不锈钢、铝及其合金等。按储罐各部位又可分为钢板(厚、薄钢板)、结构用型钢、管子、锻件、法兰、螺柱(螺栓)、螺母、焊接用材(焊条、焊丝、焊剂或保护气体)。储罐容量的大型化，促进高强度钢的应用和开发储罐用钢材近30多年来，由于储罐大型化的发展，高强度钢的应用越来越多，等级也越来越高。 1962 荷兰10 104 m3 壁厚 34.5mm 罐壁用德国材料st52, 抗拉强度500600MPa; 日本14104 m3 壁厚 49mm 材料SM570 抗拉强度570720MPa; 1985 中国引进日本10 104 m3 材料SPV490 Q 抗拉强度610740MPa; 1997 中国生产10

13、 104 m3 国产材料 WH610D2(12MnNiVR) 抗拉强度610740MPa 储罐壁板最大厚度的限制 储罐壁板最大厚度的限制是由下面两个因素引起的。 其一是对一定强度的钢板，由于储罐容量(尺寸)的增大，壁板厚度需相应增加; 其二是随着壁板厚度的增加，为消除壁板在制造和焊接时产生的应力，必须进行现场消除应力的热处理措施。目前对储罐大型化还没能解决热处理的问题，为此只有限制壁板的厚度以确保储罐的安全运行。目前储罐壁板最大厚度限制在45mm范围以内。储罐用材(主要是钢板)的多样性 储罐容量从100m3到10 104 m3甚至20 104 m3，要求钢板的品种从普通碳素结构钢到焊接结构高普

14、通碳素结构钢到焊接结构高强度钢。强度钢。其强度等级范围广，以满足储罐不同容满足储罐不同容量的需求。量的需求。 满足液体腐蚀性的要求的不锈钢材质满足液体腐蚀性的要求的不锈钢材质的应用越来越多，主要牌号有主要牌号有0Cr18Ni9 , 00Cr19Ni10 , 0Cr17Ni12Mo2 , 00Cr17Ni14Mo20。 对某些液体化学品小容量储罐也有采用铝及其合液体化学品小容量储罐也有采用铝及其合金材质的。金材质的。1.3.2储罐壁板用材的基本要求 储罐壁板用材的基本要求是强度，可焊性和夏比(V形缺口)冲击功。1.强度 强度包括抗拉强度和屈服强度。由于储罐的操作温度在250以下，且大部分储罐处在

15、90以下，因此其强度大多是常温下的强度。强度是决定罐壁厚度大小的力学性能指标。 强度与材料的使用状态(热处理状态)有关。高强度钢常用的有正火钢和调质钢。 正火：热处理方法简单，材质均匀. 调质：热处理工艺复杂,强度及冲击韧性比正火高2.可焊性 钢板的可焊性一般用两个指标来控制，一是碳含量或碳当量，二是热影响区的硬度。 第一个指标取决于钢材的化学成分。一般碳钢以碳含量，低合金钢以碳含量或碳当量Ce把钢的化学成分对钢淬硬性的影响折算成碳的影响来估价可焊性。 可焊性的另一个指标是热影响区的硬度。热影响区的硬度与Ce值及焊接时冷却速度有关。 Ce值越高，冷却速度越快，热影响区的硬度越高。 碳含量或碳当

16、量含量越高，热影响区硬化与脆化倾向越大，焊接应力下，产生裂纹倾向越大 碳钢碳含量0.25%, 低合金钢碳含量0.25%, 应限定Ce0.45%,可焊性良好. 碳钢碳含量0.40%,低合金钢碳含量0.38%, 粹裂倾向性大,可焊性不好.3.钢板的韧性冲击功Akv 防止储罐(油罐)脆性破坏的一个重要数据指标。 钢板的V形缺口冲击试验得到钢板的韧性冲击功(吸收能量)Akv值来预测钢板的韧性。 影响罐壁钢板冲击韧性的因素很多，有 储罐的最低设计温度； 钢板的强度； 钢板的厚度； 钢板的时效性、晶粒度和使用状态等。 （所谓储罐的最低设计温度。是指储罐最低金属温度。 它是指设计最低使用温度与充水试验时的水

17、温两者中的较低值。设计最低使用温度是取建罐地区的最低日平均温度加13 。 设计温度低于-20的特殊情况，必须考虑低温对材料性能、结构形式等方面的影响。设计温度等于低于-20的储罐，应当按照低温储罐设计，设计温度的下限由特定的工况确定）。 1.储罐最低设计温度 温度越低，钢板的韧性越差，设计温度较低的罐壁板应有较高的冲击韧性。对不同的材料，其最低使用温度应有所限制，对同一种材料在不同的低温度下使用，其韧性的要求应有不同。 2.钢板的强度 钢板的强度等级越高，越容易产生脆性破坏，且产生裂纹的敏感性也越大。因此对强度等级较高的壁板，相应要有较高冲击韧性要求。 3.钢板的时效性、晶粒度和使用状态 钢板

18、的时效性是随着时间的延长，塑性和韧性下降，冷脆温度转变点升高。沸腾钢的时效性和晶粒度比镇静钢大，因此沸腾钢的冲击韧性比镇静钢的差。同一种钢材调质处理使用状态比正火处理使用状态的冲击韧性高。 4.钢板的厚度 钢板越厚越容易产生脆性破坏。原因之一是板厚的增加，冲击韧性降低。之二是，板厚的增加容易产生裂纹。因此钢板越厚冲击韧性的要求应更高。1.3.3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，在保证储罐各部位 安全、可靠的基础上节省投资的原则。 储罐罐壁，尤其是底圈壁板、第二层圈壁和罐底的边缘板对选材来说是

19、最重要的，它们之间的连接焊缝受力较大，且较复杂，也往往容易出现事故。 为从材料的选择方面保证强度和焊缝质量，罐底边缘板应与底圈壁板同材质。储罐的其他部分，如罐底的中幅板、罐顶及肋板、抗风圈、加强圈等一般可选用Q235-A, Q235-B或Q235-AF钢材。 不锈钢储罐材质的选择，主要是根据液物料的腐蚀性要求，一般选择0Cr18Ni9就可以。适用于小容量储罐.1.3.4国内储罐用钢材 国内几十年来，逐步完善和制定储罐设计标准，采用Q235-AF、Q235-A、Q235-B、Q235-C、20R、16MnR等钢材建造中、小型容量的储罐，并积累了较丰富的经验。 1997年采用国产材料WH610D2

20、(12MnNiVR)钢板建造10 X 104 m3大型浮顶原油储罐，该钢种是武钢生产的调质低合金高强度钢，强度为490MPa。 储罐用材料的许用应力、使用状态见相关标准 GB 50341、SH 3046、JB/T 4735的规定。 1.Q235-AF、Q235-A、Q235-B、Q235-C 普通低碳钢 Q235-AF、Q235-A钢板技术要求低,钢板质量差, 2002年以后的标准已取消这两种牌号； Q235-B 大量生产,并广泛使用. Q235-B、 Q235-C 韧性高于A级 特点:有一定强度,良好的塑性、韧性和加工工 艺性,特别是焊接性能良好.价格低廉,应用广泛.2. 20R 容器用优质

21、低碳钢（按压力容器专用钢的要求进行冶炼和检验，严于一般的碳素结构钢） 平均含碳量0.20% 除保证、 s b对冲击韧性有严格要求（相当于原来AR） 特点 (1)20R与20g相近,板厚6100mm,一般热扎状态供货，板厚大于30mm,应以正火状态供货. (2)20R的塑性、韧性都相当好，焊接性能好，较薄的板材焊接时一般不需预热， 强度低（s不小于245MPa,b=400520MPa） (616mm时) 是压力容器用钢中强度级别最低的钢种 一般用于温度-20、475以下的容器(3)20R制造压力容器，用于中低压且为小型容器 (大型容器、高压容器用强度级别高一些的低合 金类压力容器用钢)(4)20

22、R在-20以下使用，随温度降低呈低温脆性 25mm厚以上板材在0以下使用时要求做V型缺 口试样的低温冲击试验，AKV值达31J.(5)20R在475以上时高温强度明显下降（发生珠光体的球化） 20R使用温度不应超过500 16MnR 16MnR 是在20号钢的基础上加入价格便宜的锰与硅进行强化形成的CMn钢， Mn元素含量1.21.6%.特点 16MnR与20R相比,含碳量相仿,但利用锰的强化作用可使16MnR的强度显著升高. 16MnR钢的可焊性是几种低合金压力容器专用钢中最好的一种.(3)16MnR是屈服强度350MPa级的普通低合金中等强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以

23、及低温冲击韧性.(4) 16MnR钢的缺口敏感性比低碳钢大、疲劳强度 低，焊接时易产生裂纹. (5) 16MnR：使用条件： -20 475，压力不限, 常温冲击值Akv31J (0-10使用时，板厚大于38mm，进行低温 冲击试验) (-10 -19使用时，板厚大于20mm进行低温冲击试验，且Akv20J ) (6) 是压力容器制造采用最多的钢号. 16MnR：中低压压力容器;中小型高压容器 400m3以下液化石油气、氧气以及氮气球形容器 1.4储罐设计1.4.1相关概念强度、韧性、刚度 材料强度：是指载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力。屈服点和抗拉强度是钢材常用的强度判据。 韧性：是指

24、材料断裂前吸收变形能量的能力。材料韧性一般随着强度的提高而降低。 刚度：是过程设备在载荷作用下保持原有形状的能力。刚度不足是过程设备过度变形主要原因之一。 1.4.2储罐设计基本要求 a.安全可靠 材料的强度高、韧性好； 材料与介质相容； 结构有足够的刚度和抗失稳能力； 密封性能好 b.满足过程要求 功能要求； 寿命要求； c.综合经济好 生产效率高、消耗系数低； 结构合理、制造简便； 易于运输和安装d.易于操作操作、维护和控制 操作简单； 可维护性和可修理性好； 便于控制 e.优良的环境性能1.4.3基本设计步骤需求分析需求分析目标界定总体总体结构设计结构设计零部件零部件结构设计结构设计参数

25、设计参数设计设计实施设计实施 1.4.4影响参数设计的因 素材料材料规范标准规范标准设计准则设计准则参数设计参数设计 国外标准：国外标准： 美国石油学会标准钢制焊接油罐API650 日本工业标准钢制焊接油罐结构JISB 8501 英国标准石油工业立式钢制焊接油罐BS2654 美国石油学会标准大型焊接低压储罐设计和建造推荐规定 API620 中国标准：中国标准： 立式圆筒型钢制焊接油罐设计规范GB 50341 石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范 SH3046 立式圆筒型钢制焊接油罐施工及验收规范 GBJ128 钢制焊接常压容器 第十二章 立式圆筒形储罐 JB/T 4735 1.4.5 影响储

26、罐工艺系统和储罐建造的因素储罐容积 确定储罐容积(一种介质)可根据该种介质进出罐区的流量和装置对介质储存天数进行计算，其计算公式为: V=(W1-W2) 式中：V储存总容积 W1介质进入罐区的流量 W2介质流出罐区的流量 介质储存的天数 储罐的储存系数 储罐的储存系数一般取值如下： 储罐公称容积1000m3 的固定顶罐 =0.9 储罐公称容积1000m3 的固定顶罐 =0.85 浮顶罐或内浮顶罐 =0.85 球罐和卧罐 =0.9 储罐的总容积除以储罐的个数便得每个储罐的容积。 储罐的个数应满足不同装置生产操作的要求.一般储罐个数为2-4台.若生产需要储罐个数可较多，储罐的容积有以下四种不同的含

27、义。 储罐的容积有以下四种不同的含义。 计算容积:计算容积是指按罐壁高度和内径计算的圆筒几何容积。 公称容积：公称容积是指储罐的圆简几何容积(计算容积)圆整后，以整数表示的容积，通常所说的1000m3储罐。10000m3储罐是指公称容积。 实际容积(储存容积)：实际容积是指储罐实际上可储存的最大容积。计算容积减去A部分的容积.便是实际容积.如图1-3 (b)所示。 A的取值根据储罐的形式和容积大小可在3001100范围内确定。 操作容积(工作容积)：操作容积是指储罐液面上、下波动范围内的容积(即在储罐的操作过程中输出最大的满足质量要求容积)。实际容积减去B部分的容积.便是操作容积，如图1-3

28、(c)所示。 B值与储罐出料口结构有关，如图1-4所示。罐区的现场条件(包括自然条件) 1.建罐地区的温度 建罐地区的温度高低与储液的蒸发损失、能量损耗、储罐材料和检测仪表的选用密切相关，或者说对储液的储存成本产生直接影响。 对同一种介质气温越高和持续天数越长，储罐内储液温度也增高.相应其气压越大.燕发损失越多(建罐地区的昼夜温差和大气压的变化越大所引起的储罐“小呼吸”也会使蒸发损失增加)。为降低其蒸发损失，在高温季节往往对储罐采用水喷淋装里以降低其罐体温度。 对一些液体需要在低于室温状态下储存(如液化气、液态氧、氨和氯乙烯等)，除保冷措施外，还需要采用冷冻装置供给其冷以维持其较低温度。在这里

29、储存压力和储存温度是互相依赖的，在储罐能承受一定压力的情况下，要寻找一个适当的储存温度.以尽可能减少冷冻装的能量。 在寒冷季节，对储存黏性较大或凝固点较低的介质，储罐除保温外还需加热，使其保持便于输送的流动状态。2.风载荷 建罐地区的风荷载，对储罐的稳定性和经济性产生影响.在风荷载较大地区，往往把储罐设计成“矮胖”较为经济。在强风季节要注意储罐的位移和倾覆(空罐或储液很少时)。 在计算风力时，必须考虑储罐的绝热层厚度、梯子、平台、管线、顶盖的形状等产生的影晌。在风沙较多较大的地区，为了保证储液的纯度和洁净必须十分注意储罐形式的选择。3.雪荷载 建罐地区的雪荷载，对储罐的罐顶设计和运行都产生影响

30、，特别是雪荷载较大地区，对直径较大的大型储罐的罐顶荷载增大了，对储液的洁净度或纯度有要求的介质更要注意储罐类型的选择。对储罐的附加设施，如泵、呼吸阀、阻火器、检测仪表、绝热层等，要采取防冻、保温、防水措施或采用全天候结构产品。4.地震荷载 地震时，储罐是受地震损害最严重设备之一，因此在地震烈度为7度或7度以上的地区建罐时(烈度为9度区是不适宜建罐地区)应采取抗震措施。5.地基的地耐力和地价 建罐地区的地耐力对一定容积储罐的高径比选择和储罐基础费用起决定性作用。 地耐力较高的地区，不但可大大降低处理地基的费用.而且储罐的高径比可取得大些.这样储堆本身占地面积少，且储罐间的间距也相应缩小，对地价较高的地区其面积更能得到充分的利用。因此，地耐较大且地价又适中的地区，可大大节约罐区的投资公用。6.外部环境腐蚀(包括大气和土坡腐蚀) 储罐外表面的腐蚀往往比内表面腐蚀更不好处理。特别在化工区大气中经常有酸雾、碱或盐尘，这些杂质与露水或蒸汽和大气中的氧形成一个活泼的腐蚀介质。 几乎每一种腐蚀(一般腐蚀、点腐蚀、局部漫出腐蚀、电化学腐蚀、缝隙晶间腐蚀