真空储罐设计计算大纲

2/2真空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真空容器、钢制储罐、压力容器相关规范标准，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：《压力容器》（GB150-2011）《压力容器第3部分：设计》（GB/T150.3-2024）《立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》（GB50341-2014）《真空技术真空容器》（GB/T32231-2015）《真空技术图形符号》（GB/T3163-2007）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010，2015年版）《钢结构设计标准》（GB50017-2017）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，2016年版）《立式圆筒形储罐抗震设计规范》（GB50981-2014）《钢质石油储罐防腐蚀工程技术标准》（GB50393-2017）《真空技术真空检漏》（GB/T18193-2019）1.2适用范围本大纲适用于工业领域的立式圆筒形钢制真空储罐的设计计算工作，涵盖常压真空储罐、低压真空储罐、低温真空储罐等各类储罐形式，涵盖碳钢、低温钢、不锈钢、铝合金等各类罐体材料，涵盖10m³\10万m³的全容积系列，涵盖常温、低温、低真空、中真空、高真空、沿海、山地、地震区等各类工况，涵盖罐壁、罐底、罐顶、基础、真空系统、附件、防腐、抗震等全系统的设计计算，可作为真空储罐设计阶段计算工作的统一指导框架，与其他真空工程设计大纲形成完整的真空储运设计体系，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介质与真空设计参数真空储罐的介质与真空参数，是压力、壁厚、真空系统计算的核心基础，取值规则如下：介质成分与密度：常温气态介质：如空气、工艺气体，密度为0.7\1.5kg/m³，常规工况下常温液态介质：如真空脱气水、液态物料，密度为800\1000kg/m³，用于静压力计算低温液态介质：如液氮、液氧，密度为800\1200kg/m³，-196℃工况下，用于低温储罐的静压力计算设计压力与真空度：真空储罐的设计外压，根据安全装置取值：无安全控制装置：设计外压取0.1MPa，即全真空工况有安全控制装置（真空泄放阀）：设计外压取1.25倍最大内外压差或0.1MPa两者中的较小值工作真空度：根据工艺要求，分为：低真空：1000\1Pa，常规工艺储罐中真空：1\1e-3Pa，高洁净储罐高真空：1e-3\1e-7Pa，超高洁净储罐设计温度：常温真空储罐：设计温度取-20\80℃低温真空储罐：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0.12.2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、高压真空储罐16MnDR低温钢：-40℃下的许用应力f=189MPa，冲击功≥34J，适用于低温真空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：真空密封材料：氟橡胶密封，压缩量10\15%，适用于真空法兰密封真空绝热材料：多层绝热材料，导热系数λ=0.001\0.005W/(m・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：适用于小型真空储罐（≤1000m³），罐壁采用统一的壁厚，构造简单，施工方便变壁厚罐壁：适用于中大型真空储罐（≥1000m³），罐壁从上到下分为多圈板，与常压储罐相反，真空储罐的上部压差更大，所以上部壁厚更大，下部壁厚更小，常规1万m³储罐分为6圈，10万m³分为10圈带加强圈罐壁：适用于大直径真空储罐（D≥20m），通过设置加强圈，提高罐壁的外压稳定性，减小罐壁的壁厚，节省钢材低温双层罐壁：适用于低温真空储罐，内罐为低温钢，外罐为碳钢，中间为真空绝热层，防止冷量损失3.2罐壁外压与压差计算真空储罐的罐壁，承受的是外部的大气压与内部的真空度的压差，同时，对于储液的真空储罐，还要叠加液体的静压力，所以，不同高度的压差是不同的：

p参数说明：pi：第i圈板位置的内外压差（MPaPatm：外部大气压，取Pvac：罐内顶部的真空压力（MPaρ：液体的密度（kg/m³）g：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：对于15m高的真空储水罐，顶部的压差为0.1MPa，罐底的压差为0.1-0.15=-0.05MPa，即下部变成内压，所以，上部的压差是控制壁厚的核心，下部的压差很小。3.3罐壁最小壁厚与外压稳定计算根据GB150.3的公式，罐壁的外压稳定计算，是壁厚设计的核心：外压系数计算：

首先，计算外压应变系数A：

A=参数说明：δe：罐壁的有效壁厚（mmRo：罐壁的外半径（mm）

然后，根据A系数，查材料的外压应力系数B许用外压力计算：

[p]=参数说明：[p]：许用外压力（MPa）B：外压应力系数，根据A与设计温度查GB150的表稳定性验算：

p验算要求：设计外压不大于许用外压力，保证罐壁不会发生失稳变形。名义壁厚计算：

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\3mmΔδneg常规取值：10万m³的真空储罐，最上圈板的名义壁厚为12mm，最下圈板为6mm，从上到下逐步减薄，与常压储罐正好相反。3.4加强圈设计计算对于大直径的真空储罐，单纯增加壁厚无法满足外压稳定，需要设置加强圈，提高罐壁的刚度：加强圈间距计算：

加强圈的最大间距，根据外压稳定的计算，保证每一段的罐壁的外压稳定：

L参数说明：Lmax：加强圈的最大间距（mmD：储罐的直径（mm）

常规取值：大直径真空储罐，加强圈的间距为2\3m，保证每段罐壁的稳定。加强圈截面惯性矩计算：

加强圈与罐壁的组合截面，需要满足惯性矩的要求：

I参数说明：Ireq：所需的最小惯性矩（mm⁴L：加强圈的间距（mm）

然后，选择合适的加强圈截面，比如角钢、槽钢，保证组合截面的惯性矩大于所需的最小值。加强圈与罐壁的连接计算：

加强圈与罐壁的连接，采用角焊缝，焊缝的强度验算：

τ保证焊缝的强度，不会因为加强圈的受力而破坏。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，低温真空储罐的热应力是核心控制项。规范依据：《压力容器第3部分：设计》（GB/T150.3-2024）第6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：适用于绝大多数真空储罐，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：适用于泄漏检测的真空储罐，双层罐底，中间有泄漏检测空间，防止介质泄漏，同时检测罐底的泄漏，保证真空度。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，还有真空的压力，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，同时，不会破坏罐底的密封，导致真空泄漏。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：适用于中小型真空储罐（≤1万m³），球面拱顶，自身支撑，不需要立柱，构造简单，密封性能好，适合保持真空柱支撑拱顶：适用于中大型真空储罐（1万～5万m³），拱顶加中间立柱，支撑拱顶，降低拱顶的跨度，同时，立柱的密封要做好，防止泄漏锥形顶：适用于需要排气的真空储罐，顶部的排气口，方便抽真空。5.2自支撑拱顶外压稳定设计计算真空储罐的拱顶，承受的是外压，所以，外压稳定是核心控制项：拱顶曲率半径：

拱顶的曲率半径，常规取R=0.8\1.2D，即拱顶壁厚计算：

拱顶的壁厚，按下式计算：

t=参数说明：p：罐顶的设计外压（MPa）R：拱顶的曲率半径（mm）常规取值：拱顶的最小壁厚为8mm，叠加腐蚀裕量，名义厚度为10\12mm，比常压储罐的拱顶厚，因为要承受外压。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，真空工况下，拱顶的失稳是重大风险，所以必须严格验算。5.3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1.2×自重+1.0×真空外压

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、真空系统设计计算6.1真空系统选型根据目标真空度，选择合适的真空系统：低真空系统：采用旋片真空泵，或者水环真空泵，适用于1000\1Pa的真空度，常规工艺储罐中真空系统：采用罗茨真空泵+旋片泵机组，适用于1\1e-3Pa的真空度，高洁净储罐高真空系统：采用分子泵+扩散泵机组，适用于1e-3\1e-7Pa的超高洁净储罐。6.2泄漏率设计计算泄漏率是真空系统的核心参数，保证真空度的稳定性：允许泄漏率计算：

根据真空度的等级，允许的泄漏率为：

Q参数说明：Qleak,allow：允许的泄漏率（Pa・m³/sQg：系统的气体负荷，泄漏率不能超过气体负荷的10%常规取值：低真空系统：允许泄漏率≤1e-3Pa・m³/s中真空系统：允许泄漏率≤1e-5Pa・m³/s高真空系统：允许泄漏率≤1e-7Pa・m³/s泄漏率检测公式：

氦检漏的泄漏率，按下式计算：

Q参数说明：V：储罐的容积（m³）ΔP：压力变化量（PaΔt：时间变化量（s检测要求：实测的泄漏率不大于允许泄漏率，保证真空度的稳定。6.3抽气时间计算抽真空的时间，是真空泵选型的核心，按下式计算：忽略漏放气的抽气时间：

t=参数说明：t：抽气时间（s）V：储罐的容积（m³）S：有效抽速（m³/s）P0：初始压力，大气压，P：目标工作压力（Pa）考虑漏放气的抽气时间：

实际工况下，需要考虑泄漏与放气，所以：

t=参数说明：Pu：极限压力，P常规取值：100m³的低真空储罐，抽气到100Pa，抽气时间约30\60分钟，1000m³的约2\4小时。6.4真空泵选型计算根据抽气时间与泄漏率，选择合适的真空泵：有效抽速计算：

S参数说明：Seff：所需的有效抽速（m³/s泵的额定抽速：

考虑管道的阻力，泵的额定抽速需要大于有效抽速：

S预留20%的裕度，应对管道的阻力，还有放气的影响。极限真空度：

泵的极限真空度，需要小于目标工作压力，至少小一个数量级，保证可以达到目标真空度。规范依据：《真空技术真空系统设计》（GB/T31639-2015）七、储罐基础设计计算7.1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：适用于绝大多数真空储罐，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。7.2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=300\800mm，1万m³的储罐取500mm，10万环墙承载力验算：

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。7.3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，同时，不会破坏罐底的密封，导致真空泄漏。7.4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，同时，砂垫层的透气性，方便罐底的阴极保护的电流分布。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）八、储罐附件设计计算8.1接管与人孔设计接管壁厚计算：

接管的壁厚，同罐壁的壁厚计算，根据外压与温度，计算最小壁厚，叠加腐蚀裕量，同时，接管的密封，采用真空密封，保证泄漏率。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，人孔的密封，采用真空密封法兰，保证密封性能。8.2真空泄放阀设计计算真空泄放阀用于防止储罐的真空度过大，导致失稳，计算如下：泄放量计算：

最不利的工况，是真空泵故障，或者快速出料，导致内部压力快速下降，所以，泄放量为：

Q保证泄放阀的通气量，大于最大的泄放量，空气可以快速进入，平衡压力。泄放压力：

真空泄放阀的开启压力，为-0.005MPa，即比大气压小5kPa，保证在达到设计外压之前，开启，平衡压力。8.3真空泵与真空计设计真空泵选型：

根据之前的真空系统的计算，选择合适的真空泵，抽速，极限真空度，满足要求。真空计选型：

根据真空度的等级，选择合适的真空计：低真空：采用电阻真空计，量程1000\1Pa中真空：采用热偶真空计，量程1\1e-3Pa高真空：采用电离真空计，量程1e-3\1e-7Pa8.4真空法兰密封设计真空储罐的法兰，需要特殊的密封，保证泄漏率：密封垫片选型：

低真空：采用氟橡胶垫片，压缩量10\15%

中高真空：采用金属密封垫片，铜垫或者铝垫，保证密封性能。法兰螺栓计算：

螺栓的预紧力，保证垫片的密封比压：

F参数说明：qg：密封比压，氟橡胶取20MPa，金属垫取DGbG保证预紧力足够，密封垫片，防止泄漏。规范依据：《真空技术法兰密封》（GB/T6071-2003）九、储罐抗震设计计算9.1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。9.2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。9.3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，同时，不会破坏罐壁的密封，导致真空泄漏。9.4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）十、低温真空储罐专项设计计算10.1低温罐壁设计低温真空储罐的罐壁，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。真空绝热层：中间的真空绝热层，厚度为200\500mm，采用多层绝热材料，高真空，保证冷量损失很小。10.2真空绝热层厚度计算真空绝热层的厚度，需要满足防结露的要求，同时，冷量损失满足要求：最小绝热厚度计算：

δ参数说明：λins：真空绝热材料的导热系数，多层绝热取0.002W/(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：低温真空储罐的绝热层厚度为200\500mm，满足防结露的要求。夹层真空度：

夹层的真空度，需要达到1e-3Pa，保证绝热性能，因为真空度越高，导热系数越小。10.3低温热应力验算低温真空储罐的温度变化，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。10.4低温基础设计低温真空储罐的基础，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）十一、腐蚀与防腐裕量计算11.1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内部真空环境，腐蚀速率很低，所以内部的裕量可以取0.5\1mm，因为真空下没有氧气，腐蚀很慢。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\10mm11.2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。11.3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）十二、特殊工况设计计算12.1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，还有真空的叠加。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。12.2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，同时，不会因为沉降破坏密封。基础尺寸