天然气圆形储罐设计计算大纲

2/2天然气圆形储罐设计计算大纲一、编制依据与适用范围1.1编制依据本大纲严格遵循现行国家及行业立式圆筒形储罐、天然气工程相关规范标准，所有计算方法、公式及参数取值均以规范条文与工程通用理论为依据，确保计算结果的科学性与合规性，主要依据包括：《立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》（GB50341-2014）《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》（SH/T3046-2019）《钢制焊接常压容器》（NB/T47003.1-2009）《压力容器》（GB150-2011）《天然气工程设计规范》（GB50251-2015）《立式圆筒形储罐抗震设计规范》（GB50981-2014）《低温绝热压力容器》（GB/T26978-2011）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）《钢结构设计标准》（GB50017-2017）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010，2015年版）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，2016年版）《立式圆筒形钢制焊接储罐施工规范》（GB50128-2014）1.2适用范围本大纲适用于天然气行业的立式圆筒形钢制储罐的设计计算工作，涵盖常压储罐、低压储罐、低温LNG储罐等各类储罐形式，涵盖碳钢、低温钢、不锈钢等各类罐体材料，涵盖100m³\20万m³的全容积系列，涵盖常温、低温、常压、低压、沿海、山地、地震区等各类工况，涵盖罐壁、罐底、罐顶、基础、附件、防腐、抗震等全系统的设计计算，可作为天然气储罐设计阶段计算工作的统一指导框架，与其他天然气工程设计大纲形成完整的天然气储运设计体系，满足储罐20\50年设计寿命的全周期安全要求。二、基础设计参数计算2.1介质设计参数天然气储罐的介质参数，是压力、壁厚计算的核心基础，取值规则如下：介质成分与密度：常温气态天然气：主要成分为甲烷，密度为0.7~0.8kg/m³，常规工况下常温液态凝析油：密度为750~850kg/m³，用于静压力计算低温液态LNG：密度为420~450kg/m³，-162℃工况下，用于低温储罐的静压力计算设计压力与设计温度：常压储罐：设计压力取-0.005~0.1MPa，设计温度取-20~50℃低压储罐：设计压力取0.1~1.6MPa，设计温度取-40~80℃低温LNG储罐：设计压力取0.1~0.2MPa，设计温度取-196~50℃液位参数：最高液位Hmax：常规取罐壁高度的0.9最低液位Hmin：常规取罐壁高度的0.1设计液位高度H：用于液体晃动、浮力计算2.2环境设计参数环境参数是风、雪、地震、基础计算的核心基础，取值规则如下：基本风压：

按50年重现期确定基本风压w0，台风地区需乘以1.2基本雪压：

按50年重现期确定基本雪压s0地震烈度：

按《建筑抗震设计规范》确定场地的地震烈度，7度及以上地区需进行专项抗震设计，大储罐的地震晃动是核心控制项。场地岩土参数：地基承载力特征值fak：常规粉质黏土取120\200kPa，砂土取150\压缩模量Es：粉质黏土取4\15MPa，砂土取10\30MPa地下水位埋深hw：常规取值0.5~5.0m腐蚀环境参数：

环境腐蚀性等级，分为C1~C5，沿海盐雾环境为C5-M，工业腐蚀环境为C5-I，用于腐蚀裕量的计算。2.3材料力学参数罐体与基础的材料力学参数，是强度计算的基础，核心参数及取值如下：罐体钢材参数：Q235B碳钢：20℃下的许用应力f=113MPa，弹性模量E=206GPa，热膨胀系数α=12×10Q355B碳钢：20℃下的许用应力f=189MPa，弹性模量E=206GPa，适用于大罐、高压储罐16MnDR低温钢：-40℃下的许用应力f=189MPa，冲击功≥34J，适用于低温LNG储罐基础混凝土参数：

C30混凝土：轴心抗压强度fc=14.3MPa，轴心抗拉强度ft=1.43MPa密封与保冷材料参数：弹性密封材料：邵氏硬度60\70，压缩量10\15%，适用于浮顶密封聚氨酯保冷材料：导热系数λ=0.020.03W/(m・K)，适用于低温储罐的保冷三、罐壁结构设计计算3.1罐壁结构选型根据储罐的容积与工况，选择合适的罐壁结构：等壁厚罐壁：适用于小型储罐（≤1000m³），罐壁采用统一的壁厚，构造简单，施工方便变壁厚罐壁：适用于中大型储罐（≥1000m³），罐壁从上到下分为多圈板，每圈板的壁厚随静压力增加而加大，节省钢材，常规1万m³储罐分为6圈，10万m³分为10圈低温罐壁：适用于LNG储罐，采用双层罐壁，内罐为低温钢，外罐为碳钢，中间为保冷层，防止冷量损失3.2罐壁静压力计算罐壁的静压力，是壁厚计算的核心荷载，由液体的自重产生：

p参数说明：pi：第i圈板位置的液体静压力（MPaρ：液体的密度（kg/m³），LNG取450，凝析油取850，水取1000g：重力加速度，取9.8m/s²H：最高液位高度（m）hi：第i圈板的顶部距离罐底的高度（m常规取值：15m高的LNG储罐，罐底的最大静压力为0.007MPa，远小于压力管道的压力。3.3罐壁最小壁厚计算根据GB50341的公式，每圈板的最小壁厚，按下式计算：

t参数说明：tmin,i：第i圈板的计算最小壁厚（mmD：储罐的内径（mm）[σ]t：设计温度下的钢材许用应力（ϕ：焊接接头系数，双面焊100%检测取1.0，双面焊局部检测取0.850.6：径向应力的修正系数然后，叠加腐蚀裕量与钢板负偏差，得到名义壁厚：

tΔδcorr：腐蚀裕量，常规取1\3mm，罐底侧的圈板取Δδneg常规取值：10万m³的LNG储罐，最上圈板的名义壁厚为6mm，最下圈板为30mm，从上到下逐步加厚。3.4罐壁外压稳定性验算针对真空工况、风荷载工况，罐壁需要验算外压的稳定性，避免失稳：罐壁临界外压计算：

P参数说明：Pcr：罐壁的临界失稳压力（MPaμ：泊松比，钢材取0.3稳定性验算：

Pn：外压安全系数，常规取3.0Pext验算要求：设计外压不大于临界压力除以安全系数，保证罐壁不会发生失稳变形。3.5罐壁开孔补强计算罐壁的接管、人孔等开孔，会导致应力集中，需要进行补强计算，采用等面积补强法：开孔削弱的面积：

A=d参数说明：d：开孔的直径（mm）te：开孔位置的罐壁有效壁厚（mm补强的面积：

A参数说明：d1：补强接管的外径（mmt1：补强接管的壁厚（mmtn：补强圈的厚度（mmfr补强验算：

A验算要求：补强的面积不小于开孔削弱的面积，抵消应力集中，保证开孔位置的强度。3.6罐壁热应力验算温度变化时，罐壁会产生热胀冷缩的应力，需要验算：

σ参数说明：ΔT：温度变化量，常温储罐取40℃，低温储罐取验算要求：热应力不大于钢材的许用应力，保证温度变化时罐壁不会破坏，低温储罐的热应力是核心控制项。规范依据：《立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》（GB50341-2014）第5章四、罐底结构设计计算4.1罐底结构选型根据储罐的容积与工况，选择合适的罐底结构：平底罐底：适用于绝大多数储罐，中幅板+边缘板的结构，常规平底，坡度2‰锥底罐底：适用于需要排净介质的储罐，坡度8~15°，方便排污双层罐底：适用于泄漏检测的储罐，双层罐底，中间有泄漏检测空间，防止介质泄漏污染环境4.2罐底板厚度设计罐底的底板，分为中幅板与边缘板，厚度不同：中幅板厚度：

中幅板的厚度，仅需要满足自身的刚度与腐蚀裕量，最小厚度为：

t常规取值：中幅板的名义厚度为6\8mm，腐蚀严重的地区取8\10mm边缘板厚度：

边缘板承受罐壁的集中荷载，还有不均匀沉降的应力，厚度更大：

t参数说明：Medge：边缘板的局部弯矩（N・mm常规取值：边缘板的名义厚度为10~16mm，10万m³的储罐取16mm，远大于中幅板4.3罐底坡度与排水计算罐底的坡度，用于排净介质与积水：

i=2‰常规取值：平底罐底的坡度为2‰，从罐壁向中心的排污口倾斜，保证罐底的介质可以全部排净，没有积液。排污口的尺寸，常规为DN100~DN200，根据储罐的大小调整。4.4罐底抗浮验算当地下水位较高时，空罐状态下，地下水的浮力会把储罐浮起，需要验算抗浮：浮力计算：

F参数说明：ρw：水的密度，取hw：地下水位超过罐底的高度（mA：储罐的底面积（m²）抗浮验算：

G参数说明：Gtank：罐体的自重（kNGfoundation：基础的自重（kNGsoil：基础上覆土的自重（kN1.05：抗浮安全系数，规范要求验算要求：总自重不小于浮力的1.05倍，保证空罐时不会被浮起，当不满足时，需要设置抗浮桩。4.5罐底不均匀沉降验算罐底的不均匀沉降，会导致罐壁的应力，需要验算：

s参数说明：smax：最大沉降量（mmsmin：最小沉降量（mmD：储罐的直径（mm）验算要求：不均匀沉降的差，不大于直径的0.2%，保证罐底的变形不会导致罐壁的破坏。规范依据：《立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》（GB50341-2014）第6章五、罐顶结构设计计算5.1罐顶结构选型根据储罐的容积与工况，选择合适的罐顶结构：自支撑拱顶：适用于中小型储罐（≤1万m³），球面拱顶，自身支撑，不需要立柱，构造简单柱支撑拱顶：适用于中大型储罐（1万～5万m³），拱顶加中间立柱，支撑拱顶，降低拱顶的跨度浮顶：适用于大型天然气储罐（≥5万m³），浮顶随液位升降，减少介质的挥发，降低损耗，是大型天然气储罐的主流形式，分为单盘浮顶与双盘浮顶5.2自支撑拱顶设计计算拱顶曲率半径：

拱顶的曲率半径，常规取R=0.81.2D，即0.8~1.2倍的储罐直径，保证拱顶的受力合理。拱顶壁厚计算：

拱顶的壁厚，按下式计算：

t=参数说明：p：罐顶的设计压力（MPa）R：拱顶的曲率半径（mm）常规取值：拱顶的最小壁厚为6mm，叠加腐蚀裕量，名义厚度为8~10mm拱顶稳定验算：

拱顶的外压稳定，临界压力：

P验算要求：设计外压不大于临界压力，保证拱顶不会失稳。5.3浮顶设计计算浮顶浮力计算：

浮顶的浮力，需要大于浮顶的自重，保证浮顶可以浮起：

F参数说明：Vdisp：浮顶的排液体积（m³1.2：浮力安全系数，预留裕度浮顶抗沉验算：

当暴雨的时候，浮顶的积水，需要验算浮顶不会沉：

GGrain：浮顶的最大积水重量，常规取100mm浮顶密封设计：

浮顶与罐壁之间的密封，采用弹性密封，密封的压缩量为10~15%，密封的间隙不大于5mm，减少介质的挥发，降低损耗。浮顶排水设计：

浮顶的排水系统，排水管的流量，需要满足：

Q保证暴雨时，浮顶的积水可以快速排走，不会导致浮顶过载。5.4罐顶荷载组合罐顶的荷载，取最不利的组合：1.2×自重+1.4×雪荷载1.2×自重+1.4×风荷载1.2×自重+1.4×检修活荷载

取最大值，作为罐顶的控制荷载。规范依据：《立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》（GB50341-2014）第7章六、储罐基础设计计算6.1基础结构选型根据场地与储罐的大小，选择合适的基础形式：环墙基础：适用于绝大多数储罐，环形的混凝土墙，支撑罐壁，中间为砂垫层，构造简单，沉降均匀，是储罐的主流基础形式桩基础：适用于软土、深厚土层的场地，桩基础支撑环墙，提高承载力，减小沉降筏板基础：适用于小型储罐，整体的混凝土筏板，刚度大，适用于荷载小的小型罐6.2环墙基础设计计算环墙壁厚计算：

环墙的壁厚，需要满足承载力与刚度，常规取值：

bwall=300800mm，1万m³的储罐取400mm，10万m³环墙承载力验算：

环墙底面的地基承载力验算：

p参数说明：Fk：罐壁传下来的轴力（kNGk：环墙的自重（kNAwall：环墙的底面积（m²fa验算要求：环墙的压力不大于地基的承载力，保证地基不会破坏。6.3地基沉降计算储罐的地基沉降，采用分层总和法计算：

s=参数说明：ψs：沉降计算经验系数，常规取验算要求：最终沉降量≤200mm，大型储罐≤300mm不均匀沉降差≤0.002D，保证罐底的变形6.4砂垫层设计计算环墙基础中间的砂垫层，用于调整沉降，扩散应力：砂垫层厚度：

常规厚度为500\1000mm，软土地区取1000\1500mm，提高地基的承载力，减小沉降。砂垫层的压实系数：

压实系数≥0.97，保证砂垫层的刚度，不会发生压缩变形。6.5基础坡度设计基础的坡度，和罐底的坡度一致，为2‰，保证罐底的排水，不会有积液。规范依据：《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐基础设计规范》（SH/T3083-2017）七、储罐附件设计计算7.1接管与人孔设计接管壁厚计算：

接管的壁厚，同管道的壁厚计算，根据设计压力与温度，计算最小壁厚，叠加腐蚀裕量。人孔设计：

人孔的尺寸，常规为DN600，方便人员进出，人孔的位置，常规在罐壁的下部，距离罐底1m的位置，人孔的补强，同罐壁的开孔补强。7.2呼吸阀设计计算呼吸阀用于平衡储罐的压力，防止超压或者真空，计算如下：呼吸量计算：

温度变化导致的呼吸量：

Qtemp=1.2×V×ΔT273呼吸阀选型：

呼吸阀的通气量，需要大于总呼吸量，常规1万m³的储罐，呼吸阀的通气量为1000m³/h，10万m³的为5000m³/h。7.3安全阀设计计算安全阀用于超压保护，防止储罐超压破坏，计算如下：泄放量计算：

火灾工况的泄放量，是最不利的工况：

W=34500F参数说明：F：环境修正系数，地上储罐取1.0A：储罐的受热面积（m²）泄放面积计算：

安全阀的泄放面积：

A=参数说明：Cd：安全阀的流量系数，常规取Z：气体的压缩因子，天然气取0.9M：气体的摩尔质量，天然气取16然后，根据泄放面积，选择合适的安全阀的尺寸。7.4液位计与压力表设计液位计选型：

常规采用磁翻板液位计，或者雷达液位计，量程为罐壁的高度，精度±5mm，满足液位的测量要求。压力表选型：

压力表的量程，为设计压力的1.5~2倍，精度±0.1%，满足压力的测量要求。规范依据：《石油化工储罐附件设计规范》（SH/T3027-2019）八、储罐抗震设计计算8.1地震作用计算储罐的地震作用，分为两部分，罐壁的惯性作用，与液体的晃动作用：罐壁惯性力：

F参数说明：α：地震影响系数，7度区取0.08，8度区取0.16Geq液体晃动周期：

液体的晃动周期，是大储罐的核心参数：

T参数说明：Cs：晃动系数，常规取常规取值：80m直径的储罐，晃动周期为3.5~4.5s，远大于罐壁的周期，所以，晃动的地震影响系数很小。8.2液体晃动波高计算地震时，液体会产生晃动，波高的计算：

h参数说明：αg：设计地震加速度，7度区取0.1g，8度区取验算要求：晃动的波高，不大于罐壁的超高，即罐壁高度减去最高液位的高度，保证液体不会溢出，常规超高取0.5~1.0m。8.3罐壁地震应力验算地震时，罐壁的应力，需要验算：

σ参数说明：Mseismic：地震产生的弯矩（N・mm验算要求：地震应力不大于钢材的许用应力，保证罐壁不会破坏。8.4基础抗震验算基础的抗震承载力，需要修正：

f参数说明：ζa：抗震承载力调整系数，粉质黏土取1.3，砂土取验算要求：地震工况下，基础的压力不大于抗震承载力，保证基础不会破坏。规范依据：《立式圆筒形储罐抗震设计规范》（GB50981-2014）九、低温储罐专项设计计算9.1低温罐壁设计低温LNG储罐的罐壁，采用双层壁结构：内罐：采用16MnDR低温钢，壁厚同常规罐壁的计算，但是需要考虑低温的韧性，冲击功≥34J。外罐：采用Q235B碳钢，壁厚，承受保冷层的重量，还有风荷载，常规壁厚为20~30mm。保冷层：中间的保冷层，厚度为800~1200mm，采用聚氨酯泡沫，或者珍珠岩，防止冷量损失。9.2保冷层厚度计算保冷层的厚度，需要满足防结露的要求，同时，冷量损失满足要求：最小保冷厚度计算：

δ参数说明：λins：保冷材料的导热系数，聚氨酯取0.025W/(m・Tin：内罐壁的温度，Tout：外罐壁的温度，需要高于露点温度，常规取qmax：最大允许的冷量损失，常规取常规取值：LNG储罐的保冷层厚度为800~1200mm，满足防结露的要求。防潮层设计：

保冷层的外侧，需要设置防潮层，采用0.2mm的聚乙烯膜，防止水分渗透到保冷层，导致保冷失效。9.3低温热应力验算低温储罐的温度变化，会产生很大的热应力：

σ参数说明：ΔT：温度变化量，从20℃到-162℃，差值为验算要求：热应力不大于钢材的许用应力，同时，设置伸缩节，吸收热胀冷缩的变形。9.4低温基础设计低温储罐的基础，需要防止基础的冻土，因为低温会导致基础下的土冻结，冻胀，破坏基础：基础加热系统：

在基础的中间，设置加热管，通热风，保证基础的温度高于0℃，防止冻土。基础保温层：

在基础的底部，设置保温层，厚度为500~1000mm，减小冷量的传递，防止冻土。规范依据：《低温绝热压力容器》（GB/T26978-2011）十、腐蚀与防腐裕量计算10.1腐蚀裕量计算储罐的腐蚀裕量，不同的部位，取值不同：罐壁腐蚀裕量：

Δ常规环境，腐蚀速率取0.02\0.05mm/a，裕量取1\3mm沿海盐雾环境，腐蚀速率取0.05\0.1mm/a，裕量取3\5mm罐底腐蚀裕量：

罐底的腐蚀更严重，因为罐底的积液，所以：

Δ常规环境取3\6mm，沿海环境取6\10mm10.2外壁防腐设计储罐的外壁，防腐层的设计：防腐层厚度：

常规采用环氧富锌底漆+环氧中间漆+聚氨酯面漆，干膜厚度为200~250μm，满足15年的防腐要求。保温层外的防腐：

低温储罐的外罐，防腐层采用耐低温的防腐涂层，厚度为200μm。10.3罐底阴极保护设计罐底的腐蚀，采用阴极保护，因为罐底的防腐层容易失效，所以，采用牺牲阳极阴极保护：保护电流密度：

罐底的保护电流密度，取0.1~5mA/m²，新建的有涂层的罐底，取小值。阳极数量计算：

阳极的数量，同之前的防腐大纲的计算，n=Itotal/Ia，常规10阳极寿命计算：

阳极的寿命，需要大于20年，满足储罐的设计寿命。规范依据：《钢质石油储罐防腐蚀工程技术标准》（GB50393-2017）十一、特殊工况设计计算11.1台风工况设计沿海台风地区的储罐，需要特殊的修正：风荷载放大：

台风的基本风压，乘以1.2~1.5的放大系数，应对极端风速。罐壁稳定修正：

罐壁的外压稳定，壁厚加大20%，应对台风的极端风荷载。基础抗浮修正：

基础的抗浮安全系数，取1.1，比常规的1.05大，预留裕度。11.2软土工况设计软土地区的储罐，需要特殊的修正：地基处理：

软土的承载力低，采用水泥土搅拌桩，处理深度10~20m，提高地基的承载力。预压计算：

预压的时间，根据固结度的计算，预压6~12个月，消除大部分的沉降，保证储罐的沉降满足要求。基础尺寸修正