大型浓硫酸储罐罐底的设计

巫春连

（长岭炼化岳阳工程设计有限公司）

硫酸广泛应用于工业生产，在化工、医药及冶金等领域占据着非常重要的地位。 浓硫酸属于高度危害介质［1］，具有强氧化性、脱水性及强腐蚀性等特点。 在生产、运输和使用过程中，浓硫酸的安全储存显得非常重要。 然而，目前还没有专门针对高度危害介质储罐的设计标准规范。 大型储罐设计的标准规范GB 50341—2014《立式圆筒形钢 制 焊 接 油 罐 设 计 规 范》［2］和API 650—2013《Welded Tanks for Oil Storage》［3］都不适用于高度危害介质储罐的设计， 针对浓硫酸储罐的设计，设计人员不能仅参照大型储罐设计的标准规范进行。 因此笔者将依据自己的设计经验，结合浓硫酸的特殊性，对常温常压下大型立式浓硫酸储罐罐底的设计进行阐述，以供同行参考。

1 浓硫酸储罐罐底的计算

为了方便巡检、检维修，及时发现和处理底板泄漏，对于盛装高度危害介质的浓硫酸储罐罐底基础须采用条形基础，如图1所示。 罐底加强梁（如工字钢、H型钢等）应等间距分布在罐底板上，并与罐底相焊。 加强梁放在条形基础上。

图1 浓硫酸储罐罐底结构

笔者对罐底力学模型的建立，只考虑常温常压下设计液位高度浓硫酸储液的重力，而不考虑风载荷、 地震载荷及储液晃动等其他载荷的影响。 由于浓硫酸储罐罐底均匀承载浓硫酸储液的重力， 可将浓硫酸储罐罐底力学模型做两种假设：

a. 相邻加强梁间的底板可假设为载荷均布的矩形平板模型。模型宽度为加强梁的间距L1，因其长度远大于宽度，故假设长度无限长。

b. 底板与加强梁构成组合梁，放在条形基础上， 可将组合梁假设为受均布载荷的简支梁模型。

1.1 罐底板厚度的计算

由罐底矩形平板模型对罐底进行刚度计算。浓硫酸罐底相邻加强梁之间的底板最大挠度f1必须小于或等于罐底板的许用挠度［f］，即：

式中 c0——刚度计算时的矩形平板系数；

E——弹性模量；

q——设计液位高度下浓硫酸重力产生的均布载荷；

δ1——由罐底板刚度引起的计算厚度。

由此可得由罐底板刚度引起的计算厚度δ1：

由罐底矩形平板模型对罐底进行强度计算。浓硫酸罐底相邻加强梁之间的底板最大应力σ1max必须小于或等于罐底板的许用应力［σ］，即：

式中 c1——强度计算时的矩形平板系数；

δ2——由罐底板强度引起的计算厚度。

由此可得由罐底板强度引起的计算厚度δ2：

浓硫酸罐底板必须同时满足强度和刚度要求。因此， 罐底板的计算厚度δ应等于由强度引起的和由刚度引起的计算厚度之中的较大值，即：

由式（2）、（4）可知，罐底板的计算厚度与加强梁的间距L1有关，加强梁间距越大，浓硫酸罐底板的计算厚度δ越厚。 设计过程中，可通过调整加强梁的间距得到一个合理的罐底计算厚度。 由于浓硫酸储罐在长期运行过程中，罐底会因浓硫酸的腐蚀磨损而减薄，此外，板材存在厚度负偏差，所以设计时还需考虑底板的厚度附加量。 工程上，需要将计算厚度加上厚度附加量，再向上圆整至板材的标准规格厚度。 工程上建议通过调整加强梁的间距， 使罐底板厚度控制在1～2倍储罐底圈罐壁厚度范围之内。 同时，加强梁的间距也应尽量控制在250～800mm范围之内。

1.2 罐底加强梁的计算

浓硫酸储罐罐底加强梁的最大挠度f梁max必须小于或等于加强梁的许用挠度［f］，即：

式中 L2——条形基础间距；

ΣIX——加强梁的总截面惯性矩。

由式（6）可得加强梁的总截面惯性矩ΣIX：

由式（7）可以看出，在条形基础间距L2一定的情况下，加强梁间距L1越大，所需加强梁的总截面惯性矩ΣIX越大； 在加强梁间距L1一定的情况下，条形基础间距L2越大， 所需加强梁的总截面惯性矩ΣIX越大。 如果所需加强梁的总截面惯性矩ΣIX越大， 则设计中所需要选择的型钢型号就越大。为了方便储罐的日常巡检和检维修，条形基础的间距L2减去水泥基础厚度后，应不小于500mm，基础高度应不小于600mm。 在详细设计中，通过式（7）求出加强梁所需惯性矩ΣIX，再根据ΣIX初选加强梁规格，然后对浓硫酸罐底板和加强梁进行强度校核。 浓硫酸罐罐底加强梁的最大弯曲应力σ梁max和底板的最大弯曲应力σ板max应分别满足以下要求：

式中 h——加强梁的高度；

X0——组合截面形心位置。

在详细设计阶段，要求设计者可通过调整浓硫酸罐底板厚度δ、 加强梁间距L1和加强梁大小，对式（2）、（4）、（7）～（9）进行多次试算，得到较优的设计方案。 这要求设计人员必须有丰富的设计经验才能减少计算量，提高试算效率。

2 罐底布置的要求

浓硫酸储罐罐底板的拼接应采用对接焊缝，不宜采用搭接焊缝，如图2中B-B所示。 浓硫酸罐底板焊缝按NB/T 47013.2—2015 《承压设备无损检测 第2部分： 射线检测》 的规定进行射线检测，检测比例不低于20%，合格级别为Ⅲ级合格。罐底中幅板排板时， 长焊缝应与加强梁平行，且不得与加强梁接触。 长焊缝与加强梁边缘的距离应不小于20mm。 这是由于浓硫酸的危害程度为 高度危害，必须对焊接质量提出更高的要求。

图2 浓硫酸储罐罐底布置平面示意图

基础找平后，加强梁必须与土建条形基础垂直摆放好。 要求加强梁表面平整，其局部平面度允许误差不得大于1/2000储罐内径。 整个加强梁上表面水平度允许差不得大于1/1000储罐内径。浓硫酸罐底板组焊完毕后，应将底板校平。 要求底板与加强梁紧密贴合。 加强梁与底板可采用间断焊，但加强梁首尾必须与底板相焊。 浓硫酸储罐必须在基础按土建专业施工图验收合格后方可进行安装。 安装时，浓硫酸罐底加强梁与土建条形基础上的预埋钢板相焊接。

3 结论

3.1 大型浓硫酸储罐罐底基础须采用条形基础，罐底加强梁（如工字钢、H型钢等）应等间距分布在罐底板上，并与罐底相焊。

3.2 对底板设计时，通过假设的矩形平板模型，对底板分别进行刚度和强度计算。 浓硫酸罐底板计算厚度δ应大于或等于由强度引起的和由刚度引起的计算厚度值的最大值。

3.3 对加强梁设计时，将组合梁假设为受均布载荷的简支梁模型。 通过加强梁的刚度计算求解出加强梁的总截面惯性矩， 初选满足条件的型钢，再校核底板和加强梁的强度， 如不满足条件，则需调整，直到得出较优的方案为止。

3.4 对浓硫酸罐底布置提出了一些比普通储罐更严格的技术要求。