大型储罐底部可拆式伴热装置的设计

刘 宇

（南通赛孚机械设备有限公司，南通江苏 226500）

储罐是工业中广泛使用的储存设备，用以储存各种气体、液体和固体物料。对于盛装一些结晶温度较低的物料，工艺上需要物料保持液态流动，因此罐底与罐壁需要安装伴热管来对罐体加热和保温。由于常用的储罐是直接安装在基础上的平底立式圆筒形储罐，这时就需要采用型钢支撑的罐底来安装加热装置，为便于更换，需要将罐底加热装置设计成可拆结构。另外，对于直接安装在基础上的平底立式圆筒形储罐，罐底在发生泄漏（如焊缝开裂）时，由于泄漏点不易被发现造成后续堵漏返修困难。当罐底采用型钢支撑结构后，可以对型钢之间的罐底进行观察和检测，能够容易发现储罐底部的泄漏情况。

本文通过以往工程设计实例介绍了采用型钢支撑的储罐的罐底可拆式加热装置的设计方法，储罐的设计（包括罐壁、罐顶、地脚螺栓的设计计算）按照GB 50341或API 650，本文不做介绍。

1 储罐参数

储罐直径为11m，壁板总高度为10m，罐储材质为16MnDR，内装介质为浓硫酸，储罐最大重量1 730t。储罐结构简图如图1所示。

图1 罐体结构简图

2 文中符号说明

tg为包括腐蚀裕量在内的型钢支撑的罐底板厚度，mm；

b为相邻型钢之间的最大中心间距，mm；

p为储罐重量、操作时介质重量和操作内压，三者作用在罐底的均匀压力，以及水压试验时的水的重量与储罐重量之和作用在罐底的均布压力，两者取大值（包括罐底板的重量），MPa；

Fy为罐底板材料的最小屈服强度值，MPa；

CA为罐底板的腐蚀裕量，由设计委托方确定，mm；

Es为底板材料的弹性模量，MPa；

N为计算单元所受的竖向力，N=pb×1 000，N；

An一计算单元内腹板的受压净截面积（去掉开孔处面积Am），An=tw×1 000-Am，mm2；

f为型钢材料的抗拉强度的设计值，这里取材料的许用应力（偏于保守），MPa；

Wx为翼缘的净截面模量，Wx=1/6lt2，l为1 000mm，t为翼缘板厚，mm；

q为翼缘上计算单元所受的竖向力，即q=N/1 000，N/mm；

b0为翼缘的总宽度，b0=w2/2 mm；

h0为腹板的净高度，见图5；

tw为腹板的厚度；

fy为腹板材料的屈服强度，MPa；

d为两型钢梁之间的罐底板的挠度，mm。

3 罐底可拆式加热装置设计

如图2所示，罐底安放到支撑型钢上，支撑型钢之间用角钢（∠40×40×4）连接成整体，角钢上安放伴热管（规格Φ32×3），为使伴热管能从一侧抽出，将伴热管按图3布置在支撑型钢之间。根据实际情况，可以将伴热管整体分为几部分，以便于伴热管的抽出和安装。伴热管的加热面积、规格、总长由工艺专业提供。根据伴热管的加热面积换算出总长、管间距、型钢间距，型钢间距同时还需要满足“5.罐底支撑型钢的设计”的要求，如图4所示。

图2 罐底可拆式加热装置结构图

图3 伴热管布置图

图4 罐底焊缝布置图

4 罐底板的设计计算

1）罐底板厚度的计算设计标准，可以参照API 650附录I的 I.7（Tanks supported by Gri11age）来进行设计。公式如下：

罐底型钢的间距b值的确定：b=400～500 mm，通常由业主给出，b的取值需要合理，当b值过小时，会造成因为型钢与罐底之间的焊接空间不足而导致储罐运行时对罐底泄漏检查困难；当b值过大时，会导致罐底板经过计算后厚度过厚，因而造成材料的浪费。

一般情况下，业主会提前给出罐底板厚度，设计人员按照此厚度，根据公式（1）反算出型钢间的最大间距，型钢间距实际取值需要小于此值。同时，罐底板的厚度还要满足GB 50341—2014中最小厚度的要求。

本设备b取500mm。

2）储罐底部挠度的校核：在储罐罐底厚度确定以后，开始校核储罐底部的挠度值。

具体做法为：按照API 650附录I中公式（I.7.3.3-1）计算相邻两型钢梁之间的罐底板的计算挠度值和允许值，满足计算挠度值≤允许值。当计算挠度值超过允许值时，可以通过增加罐底厚度、减小型钢之间的间距来降低计算挠度值，从而满足型钢支撑结构与储罐底部挠度的要求。

需要满足：

因此满足相邻两型钢梁之间的罐底板的挠度要求。

查GB 50341—2014中表5.1.1和表5.1.2得tg=14mm符合罐底最小厚度的要求。

5 罐底支撑型钢的设计计算方法

罐底型钢的设计计算需要运用钢结构设计的有关知识，具体设计方法如下。

5.1 型钢规格的选择

根据对支撑高度的要求，优先选用标准的工字钢或H钢，一般情况下，型钢上翼缘厚度不小于储罐底板的名义厚度，支撑的高度h往往由业主指定。型钢的上翼缘宽度≤下翼缘宽度。

当储罐底板为斜底结构、储罐基础为平的时，必须采用焊接结构的H型钢，此时H型钢的腹板与翼缘之间的焊缝要采用开坡口全焊透结构。

本文3算例选用20a工字钢，材质为Q355B，规格，如图5所示。

图5 型钢截面图

5.2 罐底支撑型钢的强度校核

计算单元的确定：罐底取型钢长度方向1m，两侧各取间距的一半作为计算单元。

设计执行标准：按照GB 50017—2017《钢结构设计规范》和《钢结构设计手册》的相关工时进行计算。

查GB/T 706—2016《热轧型钢》得：

5.2.1 型钢腹板强度的校核计算

按照GB 50017中6.1节的公式（6.1.1）对罐底支撑型钢腹板强度进行强度校核计算，具体方法为：

当公式（2）不满足时，可以通过应适当增加腹板厚度或者减小罐底型钢的间距来满足公式（2）的要求为止。

本设备中：

5.2.2 型钢翼缘的强度的校核计算

型钢的上下翼缘按单向受弯状态进行计算：

如果公式（3）不满足，可以通过调整翼缘的宽度和厚度，直到满足公式（3）的要求为止。

本设备中：

Mx=（N/2）*b0=2 448 421N·mm

Wx=1/6*l*t2=20 167m3（l为1 000mm，t为翼缘板厚，mm）。

通常情况下，型钢上下翼缘取相同的厚度和宽度，所以只需计算上下翼缘中一个即可。

Mx/Wx=124.4MPa≤f=305MPa，校核通过。5.2.3 罐底支撑型钢的稳定性校核计算

当型钢采用的是非标准规定尺寸，此时需要按照《钢结构设计手册》校核计算型钢腹板和翼缘的稳定性，具体做法为：

腹板稳定性验算按照《钢结构设计手册》 表6.1-3计算：

式中εk为钢号修正系数，其值为

h0/tW=166/7=23.7

h0/tW=23.7≤80εk=66，校核通过。

当公式（4）不满足时的调整方法为：降低腹板高度、增加腹板厚度、对腹板进行加肋，但由于加肋计算比较复杂，优先采用降低腹板高度、增加腹板厚度的方法来满足校核计算的要求。

翼缘稳定性验算按照《钢结构设计手册》中式6.3-30进行计算：

b/tf≤（10+0.1λ）εk

b、tf分别为翼缘板自由外伸宽度和厚度，本设备b=50mm，tf=11mm；

λ为构件的较大长细比，当λ＜30 时取30，当λ＞100 时取100，本设备取100。

b/tf=50/11=4.55 ≤（10+0.1λ）εk=（10+0.1×100）×0.83=16.6，校核通过。

如果不满足，必须调整翼缘的宽度和厚度，直到满足条件为止。

6 罐底焊缝的布置方法

储罐底板上各带钢板之间需采用的对接接头、全焊透结构，焊缝的方向与型钢方向垂直。与型钢搭接处的焊缝下表面需磨平，且与罐壁板连接处的焊缝表面需磨平，如图6所示。

图6 搭接处焊缝图

在进行罐底支撑的设计时，往往在型钢之间增加一些扁钢支撑来增加型钢自身的稳定性以及型钢结构的刚性，同时这些扁钢还可以作为储罐底部保温或加热盘管的支撑来使用。

7 对储罐基础的要求

采用型钢支撑的储罐罐底板，基础的受力条件不是连续的（因为罐体重力作用是通过型钢传递到基础上的），因此业主需要将型钢的间距、型钢数量和规格尺寸、储罐的各种工况下的重量（包括空重和充水重量和操作重量）作为基础设计条件提供给结构专业进行储罐基础设计。另外，基础设计条件中还要注明基础平面的平面度要求，因罐底支撑用型钢是按照只受压不受弯设计的，同时基础应采用硬基础结构。

8 地震的考虑

本文算例中未考虑垂直地震力的作用，但按照GB/T 50761—2018《石油化工钢制设备抗震设计标准》中，当设计基本地震加速度为0.20～0.4g，或抗震设防烈度为8 度、9 度时，对直径大于4m，且两支座间距大于20m的卧式设备，以及高度大于20m 的直立设备和加热炉落地烟囱，应包含垂直地震力并进行抗震验算；所以当储罐满足以上条件时，罐底计算时应计入垂直地震力。

储罐的垂直地震力的计算方法按GB/T 50761—2018《石油化工钢制设备抗震设计标准》中4.5中的具体步骤进行。

9 结束语

目前国内标准规范中没有罐底可拆加热装置和罐底支撑的说明和相关计算，本文在综合了钢结构设计知识和API 650附录I，以实际工程实例说明了罐底可拆加热装置和罐底支撑的设计、计算方法，目前按此方法设计的储罐运行情况良好。