楊東東 柴慶有 李曉旭 顧思陽 鉉燁

摘 ?????要：我國GB50341-2014是根據(jù)多年工程實踐經(jīng)驗并吸取國外同類先進標準的有關內容編制而成的，較上一版本涵蓋的內容和技術內容有了較大的擴充和修訂。API650-2013是國際上公認的先進的石油儲罐設計規(guī)范，是我國編制儲罐設計規(guī)范的重要參照，對世界其他各國儲罐設計有著重要影響。依據(jù)上述兩標準從適用范圍、基本規(guī)定、罐底、罐壁、罐頂?shù)葞追矫孢M行大型儲罐設計比較，以促進儲罐設計人員對標準更好地理解和運用。

關 ?鍵 ?詞：?GB50341;API650;罐底;罐壁;罐頂

中圖分類號：TQ 052???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）01-0175-05

Comparison Between API650?and GB50341?Standards

for Design of Large-scale?Storage Tanks

YANG?Dong-dong， CHAI?Qing-you， LI?Xiao-xu， GU?Si-yang， XUAN?Ye

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.，?Ltd.，?Shenyang Company，?Liaoning Shenyang?110167， China）

Abstract：?GB50341-2014 standard?was compiled according to many years of engineering practical experience?and absorbing the relevant contents of similar advanced foreign standards，?and it was expanded and revised comparing with the scope and technical contents of previous version. API650-2013 standard?is internationally recognized advanced?standard of oil storage tank design and important compilation basis?for Chinese standards， which has important influence on?design of storage tanks in other countries. In this article， the application?scope， basic?regulation?and other aspects of above two standards for design of large-scale storage tank were compared， which could promote designers to understand and use?the standards better.

Key words： GB50341;?API650;?Bottom; Hell; Roof

近年來正處于大型儲罐建設的高峰期，國內各大工程公司不僅在國內建造了大量的儲罐并且國外大型儲罐的設計建造任務也是不斷地增加。其中國內大型儲罐一般以《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB50341-2014（以下簡稱GB50341）^[1]為標準進行設計，而國外建造的大型儲罐業(yè)主往往要求按《Welded Tanks for Oil Storage》API650-2013（以下簡稱API650）^[2]進行設計。我國GB50341根據(jù)多年工程實踐經(jīng)驗并吸取國外同類先進標準的有關內容編制而成，較上一版本涵蓋的內容和技術內容有了較大的擴充和修訂。API650是國際上公認的先進的石油儲罐設計規(guī)范，是我國編制儲罐設計規(guī)范的重要參照，對世界其他各國儲罐設計有著重要影響。本文依據(jù)上述兩標準進行大型儲罐設計比較，通過設計比較以促進儲罐設計人員對標準更好的理解和運用。

適用范圍

API650標準適用于常壓或接近常壓的立式、圓筒形、地上封閉式和敞開式罐頂焊接儲罐和非冷凍條件下的儲罐。GB50341標準適用于常壓或接近常壓的立式圓筒形鋼制焊接油罐，不適用于埋地、儲存毒性程度為極度高度危害介質、人工制冷液體儲罐。

GB50341與API650相比不同點在于不適用儲存毒性程度為極度高度危害介質和不銹鋼及有色金屬制作的儲罐。GB50341在儲存介質和儲罐材料上加以限制主要考慮我國多年來的儲罐使用經(jīng)驗以及其他材質儲罐和儲存危害介質儲罐更嚴格的要求。

2 ?基本規(guī)定

2.1 ?設計溫度、最低設計溫度

API650規(guī)定儲罐最高設計溫度為93?℃，最低設計溫度為建罐地區(qū)最低日平均溫度加8?℃。GB50341規(guī)定最高設計溫度為90?℃，最低設計溫度為建罐地區(qū)最低日平均溫度加13?℃。

GB50341與API650相比最高設計溫度基本相同，最低設計溫度計算方法均等于最低日平均氣溫加上一個調整值。不同之處在于GB50341最低設計溫度計算中調整值取13 ℃與API650 相比有所提高。GB50341中調整值提高到13 ℃主要考慮國內已有多年的使用經(jīng)驗證明是安全的，而且可以避免國內許多地區(qū)使用低溫鋼板引起建罐費用的增加。

2.2 ?設計厚度、名義厚度

API650中設計厚度需滿足標準中的拉伸和壓縮強度要求或在沒有此類規(guī)定情況下，在指定的設計條件下有可接受的良好的工程實例，可不考慮結構限制或腐蝕裕量。名義厚度為材料的規(guī)定厚度（包括任何腐蝕裕量），且用于檢測焊后熱處理要求，焊接間距，最小和最大厚度限制等，最終儲罐板材厚度為名義厚度加上或減去標準允許的任何公差。GB50341中設計厚度規(guī)定為按標準中厚度計算公式得到的厚度與腐蝕裕量之和。名義厚度為最終儲罐板材厚度，即設計厚度加上材料厚度負偏差后向上圓整至材料標準規(guī)格的厚度。

GB50341設計厚度和名義厚度定義與API650有所不同，基本與我國《壓力容器》GB150定義保持一致，主要考慮國內設計者使用習慣，以避免概念混亂。

3 ?罐底設計

3.1??罐底尺寸

（1）罐底板厚度

API650規(guī)定罐底板名義厚度減去腐蝕裕量應不小于6?mm，罐底板最小寬度為1?800?mm。GB50341規(guī)定罐底板厚度（不包括腐蝕裕量）不應小于表1的規(guī)定。

GB50341罐底板的最小厚度規(guī)定與API650不同，與油罐直徑有關，且在油罐直徑≤10?m時略小于API650規(guī)定厚度。GB50341罐底板寬度沒有提出限制條件與API650不同，可以看出API650罐底板寬度要求更加嚴格。

（2）環(huán)形邊緣板厚度

API650環(huán)形邊緣板厚度要求，當有效產品高度HG≤23 m（G=儲液設計比重，H=最高設計液位）時不應小于表2的規(guī)定，否則應進行彈性分析。

GB50341環(huán)形邊緣板厚度（不包括腐蝕裕量）應不小于表3的規(guī)定。

GB50341與API650相比環(huán)形邊緣板最小厚度確定依據(jù)不同，GB50341根據(jù)底圈罐壁名義厚度和底圈壁板標準屈服強度下限值共同確定而API650由最底層罐壁板厚度和最底層罐壁板厚度的應力來決定。按GB50341確定的環(huán)形邊緣板最小厚度一般比API650厚，主要考慮適當增加邊緣板厚度可以減小邊緣板大角焊縫處的峰值應力并有助于增強儲罐的抗震能力，且該部位腐蝕較嚴重，厚度增加能提高油罐的壽命和安全性。

（3）環(huán)形邊緣板徑向尺寸

API650規(guī)定環(huán)形邊緣板徑向寬度應確保罐壁內側至邊緣板與罐底板之間的連接焊縫最小徑向距離不小于（t_d=邊緣板厚度）且至少為600?mm，底圈罐壁外表面沿徑向至邊緣板外緣的距離至少50?mm。GB50341環(huán)形邊緣板徑向寬度要求與API650基本相同，不同之處在于底圈罐壁外表面沿徑向至邊緣板外緣的距離最大值加以限制要求不應小于50?mm前提下且不宜大于100?mm。

3.2 ?罐底結構

（1）環(huán)形邊緣板選取

API650依據(jù)底圈罐壁板的材料及其許用應力來選擇是否使用環(huán)形邊緣板。GB50341規(guī)定當油罐內徑小于12.5 m時，可不設置環(huán)形罐底板，當油罐內徑不小于12.5 m時，宜設置環(huán)形罐底板。

GB50341與API650環(huán)形邊緣板的設置依據(jù)完全不同，GB50341以儲罐內徑為依據(jù)確定是否設環(huán)形罐底板而API650取決于底圈罐壁板的材質及其許用應力。顯然API的環(huán)形邊緣板選擇依據(jù)更加科學。

（2）罐底排版及連接結構

API650沒有具體給出罐底排版結構。GB50341給出不設環(huán)形邊緣板罐底和設置環(huán)形邊緣板罐底兩種罐底結構（如圖1所示）。

API650中底圈罐壁板與邊緣板之間的焊縫，當邊緣板名義厚度小于等于13?mm時，焊縫尺寸不應大于13?mm，且不小于兩相連接鋼板中較薄鋼板厚度。當邊緣板名義厚度大于13?mm時，焊縫尺寸應是角焊縫的焊腳長度或坡口深度加上罐底板側的焊腳長度，但不能超過罐壁板厚度。GB50341要求罐壁外側及內側豎向焊腳尺寸應為底圈罐壁板與邊緣板兩者較薄件的厚度，且應小于等于13?mm， 罐壁內側的徑向焊腳尺寸宜取1.0～1.35倍環(huán)形罐底板厚度。

從以上規(guī)定可以看出，API650底圈罐壁板內外側豎向和徑向焊腳長度相同并且規(guī)定邊緣板厚度大于和小于等于13?mm時焊腳尺寸要求不同。GB50341與API650不同，其底圈罐壁板內外側的豎向和徑向焊腳長度不同且沒有按邊緣板厚度不同進行區(qū)分?？梢钥闯鯣B50341罐壁內側的徑向焊腳尺寸一般較API650大，主要考慮罐壁與罐底連接處內側應力較大，適當加大焊腳尺寸可以有效地降低內側的應力。

4 ?罐壁設計

4.1 ?罐壁厚度計算

API650儲罐壁板厚度計算一般采用定點法、變點法和應力分析法。定點法適用于儲罐直徑小于等于61 m的儲罐。變點法適用于較大直徑儲罐的設計且應符合L/H≤1?000/6（L=（500Dt）0.5，t=名義厚度減去腐蝕裕量，H=最高設計液位）。當L/H>1?000/6時儲罐壁板厚度計算應選擇應力分析法確定罐壁板厚度。GB50341儲罐壁板厚度計算一般采用定點法、變點法，并規(guī)定當儲罐直徑≤60?m時，宜采用定點法，當儲罐直徑>60?m時，宜采用變點法^[3]。

GB50341與API650相比，定點法適用范圍基本相同。不同方面在于直徑大于60?m時GB50341均采用變點法，而API650通過L與H比值加以限制，當L/H大于1 000/6需采用應力分析方法。顯然API650根據(jù)直徑、底圈罐壁厚度、最高設計液位之間的關系來選擇合理的罐壁設計方法更先進。

對于定點法API650罐壁計算公式為（1）（2）：

（1）

（2）

GB50341罐壁計算公式為（3）（4）：

（3）

（4）

（1）API650中t_d、t_t分別為罐壁板設計壁厚和靜水壓試驗壁厚。GB50341中t_d、t_t分別為設計條件和靜水壓條件下罐壁板的計算厚度。相比之下兩標準厚度計算公式定義截然不同，API650兩公式計算結果中的較大值為罐壁板設計厚度而GB50341兩公式計算結果中的較大值為罐壁板設計厚度減去腐蝕裕量。

（2）API650中D為底圈罐壁板中心線直徑。GB50341中D為罐壁板內徑。對比可以看出API650罐壁厚度計算為一個試算過程，罐壁強度計算更科學更嚴謹。

（3）API650中規(guī)定焊接接頭系數(shù)取1，僅在附錄A小型儲罐罐壁計算中取0.85或0.7。GB50341規(guī)定底圈罐壁板焊接接頭系數(shù)φ取0.85，其余各圈取0.9。GB50341與API650相比焊接接頭系數(shù)取值區(qū)別較大，主要考慮到焊接接頭系數(shù)與焊縫類型、焊接工藝及焊縫無損檢測的嚴格程度相關，而且最底層罐壁板受力相對復雜。由于GB50341焊接接頭系數(shù)小于API650，故計算結果一般大于API650。

（4）API650中S_d產品最大許用應力規(guī)定為2/3屈服強度或2/5拉伸強度中較小者，S_t水壓試驗最大許用應力規(guī)定為3/4屈服強度或3/7拉伸強度中較小者。GB50341規(guī)定許用應力為設計溫度下2/3屈服強度下限值。GB50341與API650相比許用應力的取值不同，可以看出API650根據(jù)不同工況選用不同許用應力計算方法更合理。

4.2 ?罐壁結構

API650標準要求罐壁板應中徑對齊，且相鄰兩層壁板縱向焊接接頭應相互錯開，距離不得小于5倍的較厚板的厚度。GB50341中規(guī)定罐壁板內表面對齊，并要求縱焊縫錯開距離不得小于300?mm。

GB50341與API650相比，GB50341規(guī)定內壁齊平，內壁上的應力沒有突變，而外壁厚度差相對較大，外壁應力變化較大，而API650上下兩壁板厚度差由內外壁均勻分擔，顯然罐壁應力分布更均勻，但中徑對齊也有一定的不足，不便于內浮頂?shù)纳岛兔芊狻?/p>

5 ?罐頂設計

5.1 ?罐頂結構形式

API650定義了四種形式的罐頂設計包括支撐錐形罐頂、自支撐錐形罐頂、自支撐圓拱形罐頂和自支撐傘形罐頂，其中錐形罐頂結構使用較多。GB50341定義了前三種罐頂?shù)脑O計，其中自支撐拱頂結構使用較多。

與國外按照API650設計的固定頂罐錐頂結構相比，國內按照GB50341設計的固定頂罐中自支撐拱頂應用范圍較廣，主要考慮此結構在我國應用時間長，有較成熟的使用經(jīng)驗，并且具有結構簡單、剛性好、承受較高的剩余壓力、耗材量少等優(yōu)點^[4]。

5.2 ?自支撐拱頂

（1）罐頂板厚度

API650規(guī)定自支撐拱頂罐頂厚度應不小于，，（r_r=罐頂曲率半徑，T=平衡雪載荷時載荷組合，U=不平衡雪載荷的載荷組合，C_A=腐蝕裕量）和5的最大值且不超過13 mm（不包括腐蝕裕量）。GB50341規(guī)定自支撐拱頂罐頂計算厚度為（R_S=罐頂曲率半徑，T=載荷組合）和5?mm的最大值，且名義厚度不超過12?mm。GB50341與API650自支撐罐頂板厚度計算基本相同，但在載荷組合的確定上有所不同，API650按ASCE確定雪載荷，而我國GB50341載荷組合中基本雪壓按GB50009查取。罐頂板最大允許厚度相比，API650略>GB50341。

（2）帶肋球殼拱頂

API650規(guī)定當罐頂板厚度超過標準允許最大厚度時，推薦采用帶肋球殼拱頂，不必按照最小厚度規(guī)定，但罐頂板厚度應大于等于4.8?mm。GB50341也規(guī)定罐頂板厚度較厚時可使用帶肋球殼頂，但球殼曲率半徑不宜大于40?m，油罐直徑不宜大于40?m，且要符合罐頂板最小厚度要求。

GB50341與API650相比，限制了帶肋球殼頂?shù)氖褂脳l件且要求滿足罐頂板的最小厚度要求的規(guī)定，并給出了帶肋拱頂?shù)脑敿氂嬎惴椒?，而API650對帶肋拱頂計算部分沒有明確的規(guī)定。

6 ?抗風穩(wěn)定性和錨固設計

API650抗風穩(wěn)定性計算中規(guī)定未錨固儲罐不發(fā)生傾倒應滿足設計風壓產生的傾覆力矩，設計內壓產生的傾倒力矩，罐壁、罐頂支撐件（不包括罐頂板）的總重產生的力矩，罐內儲液產生的傾倒力矩，罐頂板加上罐頂支撐件的總重產生的力矩以及水平風壓產生的傾覆力矩所組成的三個公式。在錨固設計中，API650規(guī)定錨栓間隔不得超過3?m，最小錨栓直徑為M₂₄（包括任何指定腐蝕裕量）。GB50341抗風穩(wěn)定性計算中判斷是否需要增加錨栓的公式參照API650以上內容編制，在錨固設計中，GB50341規(guī)定油罐直徑小于15?m，錨栓間隔不應大于2?m， 油罐直徑大于等于15?m，錨栓間隔不應大于3?m，最小錨栓直徑為M₂₄（腐蝕裕量不應小于3?mm）。

在錨固設計中錨栓間距方面兩標準要求不同，GB50341根據(jù)儲罐直徑不同規(guī)定不同錨栓間距，而API650沒有按儲罐規(guī)格區(qū)分，規(guī)定所有規(guī)格儲罐錨栓間距均不得超過3?m，GB50341對錨栓腐蝕裕量與API650相比要求更加嚴格不小于3?mm，而API650沒有腐蝕裕量最小值限制要求。

7 ?抗震設計

API650規(guī)定按規(guī)范要求所界定的地面運動加速度大于0.05?g時必須進行抗震設計，抗震設計目標是為了保護生命財產安全，同時防止儲罐災難性的癱瘓。

GB50341中規(guī)定抗震烈度為6度（0.05 g?）及以上地區(qū)建罐時必須進行抗震設計，抗震設計目標是防止罐壁發(fā)生軸向失穩(wěn)。

GB50341與API650相比抗震設防目標完全不同，API650以地震所致人員傷亡大部分是建筑物倒塌造成來確定設防目標，而GB50341設防目標主要考慮油罐破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為罐壁下部出現(xiàn)象足（軸向壓穩(wěn)），即罐壁下部進入非彈性狀態(tài)，顯然API650抗震設防目標采用新的設計理念。GB50341與API650抗震設防基礎也不同，API650標準中所界定的地面運動要求來自ASCE7，基于最大地震時的地面運動即由50?a內發(fā)生概率超過2%（復發(fā)間隔約為2?500?a）而引起的運動。而GB50341根據(jù)GB50191^[5]的相關規(guī)定，抗震設防烈度為一個地區(qū)抗震設防依據(jù)的地震烈度（即在50?a內可能遭遇的超越概率10%）。

API650在儲罐抗震設計中考慮了由液體造成的內部壓力的影響，并使罐體自身和罐內儲液的質量對抵抗罐體翹離發(fā)揮的作用，其中標準中錨固率的提出使儲罐的抗震穩(wěn)定性計算更加明確^[6]。GB50341標準中錨固率與API650確定方法基本相同，只是在公式表達形式上進行修改^[5]。在是否需要設置錨栓來平衡地震彎矩作用的判別上API650標準采用表5的錨固率標準規(guī)定。錨固判別方面GB50341與API650相同，借鑒表5錨固標準經(jīng)驗。

8 ?結束語

本文對依據(jù)API650與GB50341儲罐設計中罐底設計、罐壁設計、罐頂設計等方面的異同點進行了討論，API650與GB50341相比還有很多地方進行了詳細的論述，雖然有些方面的論述不完全符合國內設計環(huán)境，但都可以作為我國儲罐設計借鑒的方法。隨著我國科學技術快速發(fā)展，制造水平的不斷提高，從事大型儲罐設計和研究的人員不斷積極總結設計、施工等經(jīng)驗，加大技術研討和交流，我國儲罐設計標準和設計水平將會進入國際先進行列。

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