由于大型立式圆柱形平底拱顶双壳低温贮罐
(以下简称: 大型低温液体贮罐) 具有贮存容积大、
蒸发损失小、造价低、占地面积小和安全可靠等诸
多优点, 在液体贮运蓬勃发展的今天, 市场前景日
渐广阔。本文结合大型低温液体贮罐的设计与施工
实践, 对有关问题做一阐述。
1 　大型低温液体贮罐结构
大型低温液体贮罐为立式常压平底双壳金属
罐。内罐由奥氏体不锈钢材料制造, 外罐由碳钢制
造。内罐用来贮存低温液体, 外罐构成一个保冷空
间(夹层) 。内、外罐均为平底结构, 罐顶为自支
承拱形顶。内罐底部采用泡沫玻璃砖绝热, 环形空
间及顶部采用珠光砂绝热, 通过良好的保冷设计,
可使贮罐低温液体的蒸发损失与粉末真空绝热贮槽
相媲美。
大型低温贮罐内罐保持常压, 顶部气相空间的
压力一般为几十千帕。顶部设有紧急放空阀及压力
/ 真空安全阀, 压力超高时, 通过压力控制从放空
阀泄压, 一旦负压超过设计真空值时, 即通过压力
/ 真空安全阀将气体引入内罐, 保持罐内压力稳定
在一定范围内。大型低温液体贮罐系统一般均有低
温液体泵, 在液体泵开启后, 为避免罐内出现负
压, 贮罐设置气体增压回路。低温液体泵预冷过程
产生的低温气体通过管路返回贮罐, 被回收利用。
贮罐还设有溢流安全阀及液位计管口, 以就地观测
液位并可向中控室实现液位高低限报警。
外罐与内罐之间珠光砂夹层充密封氮气, 使其
维持微正压, 保持珠光砂干燥。外罐顶部设置呼吸
阀, 将夹层空间压力设定在一定范围内。
贮罐基础一般为架空式高台基础。内、外罐采
用锚栓(带) 锚固在基础上。平底低温液体贮罐典
型结构如图1 所示, 流程图如图2 所示。
2 　贮罐设计
211 　采用标准
对于大型低温液体贮罐的设计, 目前我国还没
有制订专门的技术标准。国外普遍采用美国石油学
会“API 620”标准作为设计和建造此类贮罐的技
术规范。“API 620”标准在使用中不断完善和补
充, 当前“API 620”标准的最新版本为第十版,
其中附录Q 适用于液氧、液氮和液氩平底常压贮
罐的设计, 附录L 用于贮罐抗震设计。
需要指出的是, “API 620”标准仅仅作为大型
常压低温贮罐设计和建造所应遵循的最基本的技术
要求, 对于大型低温液体贮罐的设计、焊接工艺要
求、施工方法、检验、水—气试验、清洗和吹扫等
还需要有更具体的技术要求。
212 　主要结构尺寸的确定
设计大型常压低温贮罐, 首先要确定贮罐的基
本尺寸。在容积一定的条件下, 如何合理选择直径
( D) 和罐高( H) , 使得贮罐既能满足低温液体顺
利输入贮罐并充满至设计液位, 又能符合贮罐的经
济尺寸, 节省造价, 并满足工程设计设备平面布置
的要求, 需要综合考虑。一般来说, 液氧平底常压
贮罐的径高比( D/ H) 大一些, 液氮贮罐的径高比
( D/ H) 小一些, 这是由空分设备液氧抽口标高和
输液阻力决定的。
内罐设计液位以上的筒体高度必须保证地震时
液体不会飞溅到罐顶, 该高度应大于抗震计算的晃
液高度或罐高的1 %。
213 　内罐设计
内罐的设计计算应考虑内压作用和外压作用。
内压作用为罐内所贮存介质充满至设计液位的液体
静压加上气相空间的压力。液位以上气相空间的设
计压力一般为几十千帕。壳体外压作用应考虑内、
外罐夹层最大压力值、珠光砂侧压力及内罐真空阀
设定值。罐顶外压作用应考虑夹层最大压力值、顶
部珠光砂静压以及内罐真空阀设定压力。
大型常压贮罐属于薄壁容器, “API 620”标准
规定贮罐壁厚的计算方法是基于薄壁理论建立的,
按“API 620”标准方法计算得到贮罐壁厚一般能
满足7 级以下地震烈度的抗震设计要求。对于大型
低温液体贮罐内罐的设计, 最好进行应力分析, 特
别对于安全性要求很高的贮罐, 应力分析尤为重
要。在按“API 620”标准设计方法确定罐壁厚度
的基础上, 建议按圆柱壳有力矩理论对罐壁进行分
析。有力矩理论考虑了实际罐壁存在的弯曲变形和
弯曲应力。
罐顶承压圈、罐底边缘板及内罐锚带设计是内
罐设计的重要环节。承压圈设计应满足抵抗压缩力
所需面积和水平投影宽度要求。底部边缘板设计应
满足抗震要求。内罐锚带设计应满足各种载荷条
件, 其伸出绝热基础的长度也应满足要求。
罐底承受上方的液体压力及下方基础的支承
力, 罐底的中间部分相当于一个铺在弹性基础上的
薄板, 除基础有过大的沉陷外, 其所受的应力是很
小的。罐底的边缘部分存在边缘应力。对于大型贮
罐, 应力分析计算结果表明边缘板应力水平较高。
边缘应力明显具有局部性质, 它随着离开边缘
板与底圈罐壁连接处的距离的增加迅速减小。边缘
应力, 是由于贮罐相邻部分薄膜变形不同以及连接
点的自身约束作用, 即为了满足贮罐相邻部分之间
连续变形而产生的, 因而边缘应力具有“自限性”,
即材料的局部屈服和少量变形, 可使应力得到缓
和, 并自动限制。因此罐底边缘板的边缘应力属于
二次应力。边缘板的强度校核可以用两倍的屈服极
限来进行校核。
罐底边缘板的径向弯曲应力不是定值, 其随罐
内液位的高低而变化。边缘板与底圈壁板的连接处
由于罐内介质的装卸而存在低频高应力作用。
罐底的设计应与罐基础形式、地基条件和抗震
等因素统一考虑。边缘板的宽度大小取决于地震设
计。边缘板并不是越厚越好, 若边缘板相对罐壁过
厚, 一方面其弯矩和剪力大大增加, 对罐底受力不
利; 另一方面增加了罐底造价。边缘板的厚度通常
不大于罐壁板的厚度。
用计算机进行下料排版设计, 可以提高材料利
用率, 精确下料, 方便施工。
214 　外罐设计
外罐的作用是构成保温壳体。外罐设计和制造
按“API 620”标准进行, 设计时考虑风载荷、雪
载荷及地震载荷, 不考虑腐蚀裕度。设计内压为
015kPa 加上珠光砂侧压力, 设计外压为呼吸阀真
空设定值。
外罐至少应设计8 只地脚螺栓。外罐底板的排
版方式以节省材料、方便施工和减少变形为原则,
可以不设置边缘板。
罐顶珠光砂填充口数量和布置应保证夹层填满
珠光砂。罐顶工作平台设置便于顶部阀门的检修。
外罐需考虑防雷接地。
215 　保温设计
大型低温液体贮罐, 由于内罐盛装的是低温介
质, 因此保温设计十分重要。保温设计的优劣决定
了罐内产品蒸发损失的大小。
平底圆柱形拱顶低温液体贮罐底部保温层一般
采用泡沫玻璃砖或相当材料。用于低温液体贮罐底
部绝热基础的泡沫玻璃砖, 除了必须具有良好的绝
热性能外, 还必须具有足够的抗压强度。在正常设
计条件下, 泡沫玻璃砖的抗压强度值应为实际承压
强度值的3 倍以上, 抗震设计条件下为两倍, 以防
止压缩断裂。
216 　基础设计
常压平底低温液体贮罐基础顶面标高的确定应
满足低温液体泵NPSH 要求。基础至少在0°、90°、
180°和270°方位设置沉降观测标。贮罐设计者应按
图3 所示的要求提供基础载荷数据。
3 　贮罐抗震计算问题
抗震计算在大型贮罐设计中非常重要。我国
《抗震鉴定标准》的抗震验算方法是根据反应谱理
论, 结合我国具体情况及唐山丰南地震的实践经验
总结出来的一个半经验的方法。认为当贮罐是圆柱
形短壳, 在水平地震载荷作用下, 罐壁底部的剪切
应力起控制作用; 即认为贮罐在水平地震载荷作用
下, 罐壁底部剪应力大于其弯曲压应力, 且首先由
于达到允许临界应力而造成罐壁失稳破坏, 因此其
设计方法是验算罐壁的剪切稳定, 而不是轴向压缩
稳定。我国《抗震鉴定标准》对于倾覆力矩的设计
方法虽与美国“API 620”标准附录L 在形式上差
别很大, 但它与“API 620”标准附录L 一样均属
于动液法。但我国《抗震鉴定标准》许用临界应力
计算的基本假设条件与“API 620”标准附录L 完
全不同, 纵向压应力及临界许用压应力的计算方法
相差甚远。对于大型低温液体贮罐, 按我国《抗震
鉴定标准》进行抗震计算时, 给出的许用应力偏
低, 底圈罐壁的最大轴向应力计算结果, 比有限元
按弹性壳理论的计算结果也低很多, 这需要进一步
研究。
“API 620”标准附录L 及我国《抗震鉴定标
准》均忽略了垂直方向地震加速度的影响, 均把罐
体假设成了刚性的。实际上地震运动是三维的, 既
有水平方向, 也有垂直方向。地震垂直加速度会造
成贮罐产生径向位移, 即罐壁周长增加或环向应力
增加。由于静液压产生的环向应力加上地震时由于
垂直地震加速度产生的附加环向应力组合而成的当
量应力, 有可能远远超过屈服极限, 在超过屈服极
限的整个区域形成“象脚”。日本《高压气体设备
等抗震设计指南》的计算方法, 则考虑了垂直方向
地震加速度的影响。3 种计算方法中以“API 620”
标准附录L 最为完整。
4 　贮罐的施工安装
大型低温液体贮罐要在现场制造。施工单位在
施工前应制定周密、可行的施工方案, 内容应包
含: 材料检验、基础验收、施工方法、绝热基础施
工、排版下料、组装、焊接、附件安装、焊接检
验、压力/ 真空安全阀调试、总体试验、清洗、保
温、油漆以及质量措施及保证体系、施工安全及安
全保证体系、施工人员组织、施工机索具、施工手
段用料、施工平面布置图和施工进度网络等。
对于低温液体贮罐, 焊接工艺十分重要。奥氏
体不锈钢焊缝应做低温冲击试验, 并检查其膨胀
值。低温冲击试验可按GB/ T 229 —1994《金属夏比
缺口冲击试验方法》进行, 膨胀值测量可按GB/ T
12778 —91《金属夏比冲击断口测定方法》进行,
试验结果应满足“API 620”标准附录Q 要求。
筒壳壁板采用专用卡具进行组装。壁板组装
时, 对齐所有板边, 使错边量控制在允许范围内。
对于局部的调直、调平, 采用冷拉、冷压来处理,
不允许采用加热的方式进行校正。
壁板组焊完后, 与罐底进行复合。由数名焊工
从罐内、外沿同一方向进行分段焊接, 初层的焊
道, 采用分段退焊法进行。
拱顶瓜瓣板按切线半径和展开弧长下料、点压
双曲面成型。拱顶的焊接顺序为先焊内表面的断续
焊缝, 后焊外表面的连续焊缝。连续焊缝先焊环向
短焊缝, 再焊径向长焊缝。施焊采用分段倒退焊
法。
绝热基础泡沫玻璃砖施工时, 同层与不同层均
应严格错缝, 每块砖侧面均用憎水性无机粘结剂进
行粘结。最后一层泡沫玻璃砖砌好后, 检查该平面
的水平度及平面度。
5 　清洗与试验
贮罐安装完毕后, 内罐底板真空箱检漏合格
后, 贮罐必须认真清洗, 彻底清除内罐内表面的油
和脂, 使内表面清洁度达到规定的要求。
贮罐的最终清洗采用水洗涤剂清洗。使用的水
洗涤剂的组成中含有电解液和具有增湿剂及乳化剂
作用的表面活性物质。加热的水洗涤剂使用专用喷
嘴喷射, 喷嘴使洗涤剂急流喷到贮罐的全部内表
面。喷至脱脂表面的热洗涤剂数量必须达到规定数
值, 脱脂过程分中间洗涤和最终洗涤两过程。
贮罐在全部焊缝检查合格后, 仪表、阀门按试
验规程准备妥当后, 贮罐进行水—气试验。水压实
验时, 贮罐充水至设计液位, 并施加气相空间设计
压力1125 倍的空气压力。
贮罐水压试验的水质有严格要求, 要求是干
净、清洁和无异味(无硫化氢) 的水, pH 值在6
～813 之间, 温度120°F (约4819 ℃) 以下, 氯含
量低于50 ×10 - 6 , 注水期间取3 次水试样进行检
验。
注水期间要密切注意贮罐基础沉降情况。在最
大注水高度的25 %、50 %、75 %和100 %处均停止
注水, 观察沉降是否符合设计要求。
水—气试验合格后, 将内罐与大气相通, 排干
水分。贮罐按吹扫程序吹扫至规定露点后, 夹层可
填充珠光砂, 验收合格后交付使用。
近几年, 随着国民经济的高速发展, 大型低温
液体贮罐的应用越来越多, 其安全性、经济性受到
广泛重视, 因此在设计及制造过程中, 每一个环节
均需严格把关, 才能提供性能优良的产品。
参考文献:
[1 ] 湛卢炳, 孙晋坡, 陈再康. 大型贮罐设计[M] . 上
海: 上海科学技术出版社, 1996.
[2 ] American Petroleum Institute. Design and Construction of
Large , Welded , Low2Pressure Storage Tanks API
STANDARD620 [ S] . 1996.