超大型储罐结构的设计与施工

李凌志

（北京兴油工程项目管理有限公司吉林省分公司，吉林松原 132002）

0 引言

储罐作为石油化工企业的核心设备，对油气存储具有关键作用，其安全和经济高效运行至关重要。我国石油产业链不断延伸，产品需求持续增长，推动单体储罐规模不断扩大。超大型储罐容积达到10 万立方米以上，相比常规储罐，其设计与施工难度大，安全和质量要求也最为严苛。超大型储罐的设计直接影响到我国战略石油储备的布局和产业发展方向，而且对国家的战略布局和产业发展，甚至是经济安全都有直接的重要影响[1]。

超大型储罐的设计需要具备超高强度和稳定性，其罐壁、罐顶、罐底及基础设计都面临巨大挑战。在超大型储罐的施工过程中，先进的自动化焊接技术和在线检测设备发挥着关键作用，但同时也存在投入大以及技术熟练程度不足的问题。专用的吊装、运输和基础施工设备是超大型储罐施工过程中不可或缺的重要环节[2]。

超大型储罐涉及的技术体系庞大，与国际领先水平相比我国仍存在较大差距[3]。为了确保超大型储罐的安全和经济高效运行，产学研相结合势在必行。需要加强技术攻关与交流，对超大型储罐的设计以及施工方法进行创新，紧密跟踪国际前沿技术，促进产业的发展与进步。

1 超大型储罐结构设计

1.1 结构强度和稳定性计算方法

超大型储罐结构设计中，结构强度和稳定性计算是非常关键的内容[4]。该计算需要考虑储罐在使用期间受到的各种复杂载荷和其结构的响应，如内压力、自重荷载、温度荷载、风荷载以及运输和吊装期间的临时荷载等。针对这些情况，需采用先进的有限元分析等计算方法，进行全面分析，以确保储罐在不同荷载下的应力应变状态和稳定性，并保证计算结果准确可靠。

由于超大型储罐体积和尺寸较大，会承受巨大的内压力、自重、温度应力和风荷载。此外，在运输和吊装过程中也会受到临时荷载的影响，这使得结构强度和稳定性计算变得非常复杂。计算不仅需要检查储罐局部区域（如罐壁、罐底和罐顶）的强度，还需要对整个储罐结构在各种荷载作用下的总体稳定性进行分析[5]。

超大型储罐结构强度和稳定性计算是设计的基础，必须全面考虑储罐在各种复杂荷载作用下的响应和稳定性。采用先进的计算方法进行精细分析，如进行数值模拟对计算结果进行检验，以确保计算结果准确可靠。这是完成超大型储罐安全、合理的结构设计所必需的，并且也是储罐设计中最为关键的技术内容。

1.2 罐壁和罐顶结构设计

罐壁结构设计需要考虑内压力、自重、温度变化和风载等多种荷载的作用。超大型储罐较大的容积会产生较大的内压力，这需要选择高强度材料、合理的板厚和加筋环等，来抵抗较大的内压荷载和确保储罐宽径比满足要求。自重也是设计需考虑的重要荷载之一，会产生较大的轴向压力，需选择满足强度要求的板材。温度变化会引起储罐金属结构产生较大的温度应力，需要考虑温度应力的影响。风荷载也会对罐壁产生较大的风压力，必须在设计中进行合理的计算[6]。

罐壁厚的计算公式：

式中，[σ]t为设计温度下的许用应力（MPa），P表示设计压力（MPa），D表示储罐直径（mm），φ 表示焊缝系数(φ ≤1)，C 表示腐蚀裕量（mm）。

风载荷稳定性校核公式：

式中，D表示储罐直径（mm），HE表示罐壁总当量高度（m），Hei表示第i 圈壁板的当量高度（m），hi表示第i 圈壁板的实际高度（m），tmin表示最薄圈壁板的有效厚度（mm），ti表示第i圈壁板的有效厚度（mm）。

罐顶结构设计也需要考虑内压力、自重、温度变化和风载等作用。内压力和自重会对罐顶产生较大的压力，温度变化也会引起较大的温度应力。风荷载会产生风压力和风貌力的组合作用。因此，罐顶结构同样需要高强度材料和合理的结构形式来抵抗各种荷载的作用。

此外，超大型储罐的罐壁和罐顶都需要控制变形，满足使用要求。宽大的直径会带来较大的变形问题，这需要优化结构设计，采用高强度材料，设计合理的板厚和加筋，严格控制总体和局部变形。

超大型储罐罐壁和罐顶结构设计需要考虑更广泛和更复杂的荷载作用，选择高强度材料和优化的结构形式，严格控制变形，以满足较高的安全性和使用要求。这也是超大型储罐结构设计的一大难点和技术关键。合理的罐壁和罐顶结构设计是确保储罐整体性能的基础。

1.3 储罐基础和管罐连接结构设计

储罐基础结构设计需要考虑储罐全部重量和内压力产生的巨大荷载，提供足够的强度和刚度，确保储罐底板的平整和防止沉降变形。常见的基础形式有混凝土基础、桩基础和框架基础等。选择何种基础结构形式需要根据地质条件和经济性进行综合判断和分析。基础结构还需合理设置钢结构或混凝土支撑，提高整体刚度，控制基础的沉降和倾斜变形。

管罐连接结构处会产生较大的应力集中，这需要有效采取措施进行缓解。常见的缓解应力集中措施包括改善缝板结构、选择特殊钢材等。管罐连接结构设计需要考虑的荷载主要为内压力、流体动力和温度变化引起的应力等。管罐连接结构为储罐的重要组成部分，也属于储罐设计的难点和关键，其强度和可靠性直接影响整个储罐的安全性。

为确保储罐的整体强度和稳定性，储罐基础和管罐连接结构设计应与罐壁、罐顶等结构的设计相协调。储罐结构在设计上应当是一个整体，各部位的设计方案应相互制约，共同满足强度、刚度以及稳定性的要求[7]。

储罐基础和管罐连接结构设计需要综合考虑地质条件、荷载作用和储罐整体性能要求等因素，选择合适的结构形式和高强度材料，采取有效措施缓解应力集中，确保自身足够的强度、刚度和稳定性，与罐壁、罐顶等结构协调一致，这也是储罐设计的难点和关键技术之一。合理的基础和管罐连接结构设计是确保超大型储罐安全运行的基础。

1.4 计算机模拟和模型试验技术

超大型储罐设计需要广泛采用计算机模拟分析和物理模型试验技术，验证和优化结构设计方案，为工程设计提供依据[8]。模拟分析可实现方案快速比选，模型试验可还原真实受力情形，两者相结合可最大限度地确保设计方案的合理性与可靠性。模拟分析工具主要是有限元软件，模型试验需要专门建立超大型储罐结构模型进行加载测试。

2 超大型储罐施工技术

2.1 特种吊装和运输设备与技术

超大型储罐施工中，特种吊装和运输设备与技术的应用是成功的关键。

超大型储罐施工需要特种重型吊装设备进行吊装作业。常用的吊装设备有门吊、伸臂吊等，用于吊装储罐罐壁板、罐顶盖等超大型钢结构件。这需要重型吊机具有较高的起重量和合理的臂展，并配有专门的吊具，以保证安全可靠的吊装作业[9]。

超大型储罐运输也需要专门的运输车辆与装置。罐体运输常用的车辆有重型拖车、重型卡车以及自行车辆等。运输装置主要有运输框架、吊运梁等，用于固定罐体，并通过连接点将罐体吊装或牵引至施工场地。运输技术是超大型储罐施工的难点之一，需要充分考虑运输路线、转弯半径等。

特种吊装和运输设备投入的高昂成本也是超大型储罐施工成本的较大比例。这需要合理选择适宜的设备型号和数量，制定科学的施工方案与步骤，精细化组织，最大限度发挥设备性能，提高施工效率，降低成本。

超大型储罐施工需要配套应用各类特种吊装与运输重型设备。这需要根据储罐结构和尺寸参数选择适宜的设备，制定科学的吊装与运输方案，采用先进技术手段模拟和统筹全过程，确保施工安全与质量。合理运用特种吊装与运输设备是超大型储罐施工成功与否的关键，也是实现施工效率与经济性的基础。这些技术手段的应用和管理经验的积累是超大型储罐施工水平提高的重要体现。

2.2 自动化焊接技术及质量控制

超大型储罐结构的焊接工作量巨大，自动化焊接技术的应用是实现高效、优质焊接的关键。

自动化焊接技术主要包括埋弧焊、气体保护焊、激光焊等。这些技术实现了焊接过程的自动化与机械化，大大提高了焊接效率和质量。埋弧焊技术用于钢板焊接，配合焊接机器人可以实现多层、多道焊缝的自动化焊接。气体保护焊用于罐体垂直与水平焊缝的焊接，可靠的气体保护可以获得优质的焊缝。激光焊用于钢板的切割、打孔及轻型焊接，精密的技术特点可以实现高质量的操作[10-11]。

自动化焊接技术还需要配套的焊梁、焊接机器人、焊丝送丝系统、气体保护系统等设备。这些设备的选择与使用直接影响自动化焊接的效率与质量。所以，设备的正确选型和性能发挥也是自动化焊接技术得以实现的前提。如实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机。

焊缝质量控制是自动化焊接技术应用的重点与难点。这需要严格控制焊接所有工艺参数，选择优质的焊丝和气体，定期对焊缝进行焊后检测，如超声波检测、射线检测等，发现问题及时修复，确保焊缝质量满足设计要求。焊接质量管理体系的建立也是关键[12]。

自动化焊接技术的应用可以有效提高超大型储罐结构焊接的效率与质量。这需要选择和运用先进的焊接设备与技术手段，建立健全焊接质量管理体系，严格控制各项工艺参数，进行焊后检测，确保焊缝质量满足要求。自动化焊接技术的发展与应用，是超大型储罐结构焊接水平提高的重要标志，这也为结构的高效、优质制造提供了重要保障。自动化焊接技术的应用，可有效缩短工期、降低成本、实现超大型储罐结构焊接的规模化生产。

2.3 在线检测技术及应用

超大型储罐施工需要广泛采用在线检测技术[13]，如超声波检测、射线检测等，以检验焊缝质量及时发现缺陷，确保储罐整体质量。需要在焊前、焊中和焊后各阶段进行全方位检测，特别是焊后检测范围要覆盖储罐所有焊缝。在线检测结果要及时分析并反馈至施工方，作为质量控制的重要依据。

3 设计和施工面临的问题及对策

3.1 技术标准和规范不完善

超大型储罐结构设计与施工目前还没有成熟的技术标准和规范来全面指导，这也是当前超大型储罐研发与应用面临的难题之一。

超大型储罐设计参数数量巨大，设计难度大，目前国内外均缺乏系统的超大型储罐设计标准，设计者只能根据工程经验和少数超大型储罐参考案例进行设计，这增加了设计的难度，也难以保证设计结果的规范性。超大型储罐结构形式复杂，材料选择广泛，设计计算涉及的荷载和工况组合更为繁杂，这都要求有针对超大型储罐的系统设计标准来指导。

超大型储罐结构的设计与施工面临较大技术难度，迫切需要制定超大型储罐专用的设计标准和施工规范。这不仅可以指导超大型储罐的规范化设计与施工，也是促进超大型储罐应用的重要基础，是关键技术发展的重点和难点之一。制定和完善相关标准规范，实现超大型储罐设计与施工的系统化、规范化，这也是未来超大型储罐研究应用面临的一项重要任务。

超大型储罐施工方面，各项焊接、吊装及运输工艺都面临较大技术难度，同样缺乏超大型储罐施工的规范指导[14]。施工单位只能在具体施工过程中不断探索和优化，这增加了施工难度，也难以确保施工质量的稳定。超大型储罐施工涉及的重型设备选择、巨型结构件的吊运与安装、复杂结构的焊接施工都要求有针对超大型储罐的施工规范和标准来加强规范管理。

3.2 设计和施工技术人员匮乏

超大型储罐结构设计需要有丰富的工程经验和较高的技术水平，能够进行复杂的结构计算与分析，选择适宜的结构形式和材料，但目前在这一方面高级技术人才较为稀缺。超大型储罐设计涉及结构、材料、土建、设备布置等多个学科交叉的知识，技术要求较高，这就要求设计人员有较强的综合设计能力，同时还要具备超大型工程设计的丰富经验，这方面的高级技术人才匮乏，难以满足超大型储罐设计的需要[15]。

超大型储罐施工也面临技术人才不足的困难。超大型储罐施工涉及重型设备操作、特种吊装与运输、专业焊接等技能，要求施工人员有较高的实操技能和丰富的施工经验，但此类人才培养周期长，高级技术人才较为稀缺。所以，超大型储罐施工企业也面临较大技术人力匮乏的压力，这会直接影响超大型储罐施工的进度与质量。

但目前高级技术人才在这两方面均较为匮乏，增加了超大型储罐开发的难度，影响了规模化发展的步伐。因此，加强超大型储罐设计和施工技术人才的培养，吸引更多的高级技术人才投身其中，这也是解决目前人才匮乏状况，促进超大型储罐技术发展的重要举措。应着力培养该类型人才，加强专业课程的学习和培训。超大型储罐技术人才的培养与聚集，将有助于超大型储罐设计与施工技术的不断提高，实现规模化发展。

3.3 特种设备和材料供应困难

超大型储罐需要的特种设备和材料供应有限，采购难度大，需要扩大与保障供应。特种重型吊装设备、自动化焊接设备等供应短缺，特殊钢板等材料也难以采购，这些因素都会影响超大型储罐施工进度和质量。

3.4 学习国外先进技术和管理经验不足

需要加强与国外先进企业的技术交流与经验借鉴，促进自身技术进步。国外在超大型储罐设计与施工技术方面有较大优势，企业需要派遣技术人员赴国外考察和学习，或聘请国外专家进行技术指导，实现与国际先进技术的零距离接触。

超大型储罐面临的主要问题在于技术标准不完善、技术人才短缺和特种设备供应有限等方面。需要加大研发投入力度，扩大人才培养和国际交流，改善法规政策环境，鼓励特种设备开发与生产，切实保障超大型储罐技术创新与发展。超大型储罐是一个系统工程，需要产学研相结合，加快理论研究与技术创新，促进自主品牌技术与装备发展，这将推动我国超大型储罐设计与施工水平，实现跨越式提高。

4 结束语

超大型储罐设计与施工技术发展面临标准规范不完善、技术人才匮乏以及特种设备材料供应有限等问题。为推动这一领域技术进步，需要从多个方面着手：有关部门要组织力量完善相关设计标准和施工规范，以提供规范指导；同时要继续深入开展理论研究和技术攻关，加大研发投入力度，加大技术人才培养力度，引进并创新先进技术和管理经验，使我国超大型储罐技术水平不断提高，尽早进入国际先进行列。超大型储罐技术的发展任重而道远，需要各方共同努力，推进实现跨越发展，为国家能源安全和石油产业可持续发展提供有力保障。