随着我国石油化工工业的发展及国家原油战略储备库的实施, 石油储罐的设计趋向于大型化, 能够合理地设计、制造和使用大型储罐显得非常重要。在世界范围内, 石油储罐设计的主要标准规范有GB 50341、JIS B 8501、BS EN 14015和API 650^[1-4], 4个标准规范的罐壁厚度计算公式基本一致, 不同的是焊接接头系数和许用应力取值不同。

在我国, 直径小于或等于60 m的石油储罐罐壁厚度计算按照GB 50341进行, 而直径大于60 m的石油储罐罐壁厚度计算一般按照API 650进行, 也有少部分按照JIS B 8501进行。GB 50341很少用于大型储罐罐壁的计算。因此, 有必要对比分析API 650、BSEN 14015、JIS B 8501和GB 50341在罐壁厚度计算方面的异同。

1.   罐壁厚度的计算

1.1   计算公式

GB 50341、JIS B 8501和BS EN 14015储罐标准规范均采用定点法计算罐壁厚度, 以介质水为例, 其计算公式分别为式(1)、式(2)和式(3);API 650标准规范规定, 当储罐直径大于60 m时, 宜采用变设计点法进行罐壁厚度计算; 当储罐直径小于或等于60 m时, 宜采用定设计点法进行罐壁厚度计算, 其计算公式为式(4)。

式中: t为储存水介质的罐壁计算厚度, mm;H为设计液位高度, m;D为储罐内径, m;[σ]_t为试水条件下罐壁钢板的许用应力值, 取2/3倍材料标准规定的屈服强度下限值, MPa; ϕ为焊接接头系数, 取0.9, 当材料标准规定的屈服强度下限值大于390 MPa时, 底圈壁板取0.85。

式中: [σ]_t为试水条件下罐壁钢板的许用应力值, 取0.6倍材料标准规定的屈服强度下限值, MPa; C为水压试验条件下的腐蚀裕量, mm;ϕ为焊接接头系数, 第1圈取0.85, 其余取1.0。

式中: [σ]_t为试水条件下罐壁钢板的许用应力值, 取0.75倍材料标准规定的屈服强度下限值, 但许用应力值不得大于260, MPa。

式中: [σ]_t为试水条件下罐壁钢板的许用应力值, 取0.75倍标准规定的屈服强度下限值和3/7倍材料标准规定的抗拉强度值中的较小值, MPa。

由式(2)得:

由式(3)得:

由式(4)得:

式(6)、式(7)中ϕ取1.0, 式(1)中ϕ按GB 50341选取, 式(5)中ϕ '按JIS B 8501规定的数值乘以0.98。从式(1)、式(5)、式(6)及式(7)中可以看出, 公式基本相同, 不同的是JIS B 8501增加了试水条件下的腐蚀裕量。

1.2   许用应力的确定

GB 50341、JIS B 8501和BS EN 14015储罐标准规范按照材料屈服强度确定许用应力, API 650标准规范确定许用应力时, 则同时考虑材料屈服强度和抗拉强度(表 1)。

表  1  不同标准关于许用应力取值的规定

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1.3   焊接接头系数的选取

GB 50341、JIS B 8501、BS EN 14015和API 650对焊接接头系数做出了不同的规定(表 2)

表  2  不同标准关于焊接接头系数的规定

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1.4   不同标准罐壁厚度计算值的比较

根据储罐标准规范GB 50341、JIS B 8501、BS EN14015和API 650规定的许用应力、焊接接头系数计算的罐壁厚度值(, 以国内常见的10×104 m3储罐为例)可知, 除按JIS B 8501确定的第1圈罐壁厚度较厚外, 按照GB 50341、JIS B 8501、API 650及BS EN 14015计算确定的罐壁厚度大体相当。因此, GB 50341在确定罐壁厚度方面是合理的, 其在大型储罐罐壁厚度计算方面不被国内认可的原因, 是由于将国际标准的计算液位与GB 50341规定的计算液位等同造成的。

表  3  不同标准罐壁厚度的计算值 mm

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JIS B 8501、API 650及BS EN 14015规定计算液位即设计液位, 而GB 50341规定计算液位即罐壁高度(包括包边角钢)。因此, GB 50341在大型储罐罐壁厚度计算方面与国际标准规范等同。国际标准规范为了防止脆断的产生, 限定了高强钢的屈强比, 降低了高强钢钢板的许用应力; 而我国规范通过提高计算液位隐含了很高的屈强比, 在屈强比规定方面与国际标准规范不一致。在5×10⁴ m³及以下储罐方面, 所采用的材料都为低强钢, 与国际标准规范规定材料屈强比一致, 与国际标准规范确定的当量许用应力值相当。

考虑目前GB 50341在大型储罐罐壁厚度应用方面的现状, 同时考虑按GB 50341与国际标准规范在计算液位方面的不同会引起设计者的误解, 认为很有必要修改计算液位, 以便与国际标准规范规定相一致。以此为基础, 需要对罐壁厚度的焊接接头系数及许用应力取法进行修改。但因焊接接头系数的取值与制造、焊接、施工、无损检测等相关, 比较复杂, 因此所用焊接接头系数按照GB 50341选取。

2.   许用应力的确定原则

目前, 大型储罐用高强钢主要为SPV490及12MnNiVR。日本是第一个使用高强钢的国家, 使用经验丰富。因此, 高强钢的许用应力可按JIS B 8501确定, 即高强度钢板的许用应力值, 应取设计温度下0.6倍标准规定的屈服强度下限值。鉴于安全的考虑, 可根据BS EN 14015来限制高强度钢板的当量许用应力, 即对于底圈壁板, 当许用应力值乘以0.85大于260时, 应取260;对于其他各圈壁板, 当许用应力值乘以0.9大于260时, 应取260。

为保证第1、2圈罐壁应力平滑, 可根据API 650变设计点法确定罐壁厚度计算方法, 即当油罐直径小于或等于60 m时, 宜采用定设计点法; 当油罐直径大于60 m时, 宜采用变设计点法。因为API 650变设计点法是唯一考虑应力平滑过渡且受国际认可的大型储罐罐壁厚度计算方法, 国际工程项目90%以上的大型储罐在罐壁厚度计算都采用API 650变设计点法。

根据上述方法确定10×10⁴ m³储罐的许用应力、当量许用应力和罐壁计算厚度(表 4~表 6)。

表  4  不同标准确定的许用应力值 MPa

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表  5  不同标准确定的当量许用应力值 MPa

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表  6  不同标准确定的罐壁厚度值 mm

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由表 6可知, 第1圈罐壁厚度为31.09 mm, 比按JIS B 8501计算的32.85 mm要小, 比按BS EN 14015计算的30 mm、API 650计算的29.83 mm要大; 第2圈罐壁厚度为26.6 mm, 比按JIS B 8501计算的24.77 mm要大, 与按BS EN 14015、API 650计算的罐壁厚度相当; 而其他各圈罐壁厚度与按JIS B 8501、BS EN 14015、API 650计算的罐壁厚度相当。因此, 根据JIS B 8501、BS EN 14015及API 650确定的许用应力原则是合理、可行的。

3.   结论

(1) GB 50341在大型储罐罐壁厚度计算方面与JIS B 8501、BS EN 14015及API 650基本相同, 计算结果也是合理可靠的。

(2) 在近10年的大型储罐罐壁厚度设计中, 很少使用GB 50341的主要原因是由于对计算液位的理解有误造成的, 而非标准规范本身不合理。

(3) 在国际标准规范中, 限制高强钢的屈强比, 有利于防止脆断的产生。而在国标GB 50341中, 按照高强钢屈服强度确定的许用应力明显偏高, 为此参照国际标准引入了最大许用应力上限的规定, 通过计算比较可知, 高强钢的许用应力确定原则是合理的。