中美规范大型储罐外压失稳设计对比分析

黄泽，男，2013年毕业于浙江大学化工机械专业，硕士，主要从事承压设备、大型储罐方面的研究工作，工程师。

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大型立式圆筒形钢制储罐(以下简称大型储罐)在石油化工领域中扮演着重要角色。大型储罐的安全性主要受强度、 稳定性、 倾覆性等因素影响【1-2】。目前，国内大型储罐设计主要依据GB —2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》(以下简称GB )，其设计压力取值范围和《钢制焊接石油储罐》(API 650—2013 & ADDENDUM3 2018 & ERRATA2 2014，以下简称API 650)的规定一致。中美规范将设计真空度在0～0.25 kPa、正压产生的举升力不超过罐顶板及其支撑附件总重的储罐称为常压储罐，设计真空度在0.25～6.9 kPa的储罐称为外压储罐【3-4】。设计真空压力以及作用在罐壁上的风压可使罐体产生压缩应力，导致大型储罐因刚度不足而发生失稳【5-6】。

国内外均发生过在强风作用下罐壁失稳失效的事故。如：1968年，国内2台浮顶油罐投入使用前，在强风作用下，罐壁发生失稳破坏【7】；2001年，阿根廷储罐在建造过程中、大风作用下，罐壁发生失稳破坏【8】。

工程设计中，在满足强度的前提下，常设置加强圈(或抗风圈)来提高罐壁稳定性【9-10】。本文着重比较中美设计规范中大型储罐罐壁的外压失稳公式，分析两者对加强圈(或抗风圈)数量的计算差异，为大型储罐的设计提供借鉴和参考。

1 常压储罐罐壁抗风圈数量

API 650对罐壁外压失稳的校核分为腐蚀工况(采用罐壁有效厚度)和非腐蚀工况(采用罐壁名义厚度)，GB 对罐壁外压失稳的校核为腐蚀工况，故本文仅讨论腐蚀工况下罐壁外压的失稳校核。中美规范采用不同的公式计算常压储罐罐壁抗风圈数量，其中，API 650基于罐壁总当量高度与最大允许不加强罐壁当量高度的比值进行计算，而GB 基于罐壁设计总外压与罐壁筒体许用临界压力的比值进行计算。

1.1 基于API 650

API 650中罐壁失稳的判定标准为：罐壁总当量高度超过设计条件下最大允许不加强的罐壁当量高度。工程中，常采用核算区域内壁板当量高度不超过最大允许不加强的罐壁当量高度这一衡量标准来保证大型储罐罐壁的稳定性。

最大允许不加强的罐壁当量高度计算式如下【3】：

式中：H1——最大允许不加强的罐壁当量高度，m；

tmin——核算区间最薄圈壁板的有效厚度，mm；

D——储罐公称直径，m；

V——C类地貌类别、空旷地区高度33 ft(10 m)高、50年一遇的设计3 s阵风风速，km/h。

注：为方便比较中美规范差异，本文对同一变量采用相同的符号；同时，为体现其在原标准中的的原貌，将原公式附在后面，下同。

API 650原公式：

第i圈壁板当量高度计算式为【3】：

式中：Hei——第i圈壁板当量高度，m；

hi——第i圈罐壁板的实际高度，m；

ti——核算区间第i圈壁板实际有效厚度，mm。

API 650原公式：

由API 650中第5.9.6.3～5.9.6.4条可知，罐壁抗风圈数量可表示为：

式中：Ns——中间抗风圈数量。

1.2 基于GB

GB 中罐壁失稳的判定标准为：罐壁筒体的设计外压超过罐壁筒体许用临界压力。工程中，常通过满足Po≤[Pcr]的要求来保证大型储罐罐壁的稳定性。

设计条件下罐壁筒体许用临界压力【4】：

式中：[Pcr]——核算区间罐壁筒体的许用临界压力，kPa；

Di——储罐内径，m；

HE——核算区间罐壁筒体的当量高度，m。

注：为方便比较中美规范差异，对中美规范中相同符号但不同含义的情况，本文采用不同下标加以区分。GB 中储罐内径和API 650中储罐公称直径均采用符号D表示，本文为将二者区分开，采用Di表示储罐内径，采用D表示储罐公称直径。

核算区域内壁板当量高度的计算式为【4】：

第i圈壁板当量高度计算式为【4】：

对存在内压的固定顶油罐，罐壁设计总外压为【4】：

式中：Po——罐壁筒体设计总外压，kPa；

μz——风压高度变化系数；

ω0——基本风压，kPa；

q——设计真空压力，kPa。

对敞口浮顶油罐，罐壁设计总外压为【4】：

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