储罐计算选型与合规设计 Skill

一、概述

本 Skill 面向化工/石化/精细化工/医药化工领域的储罐工程设计，从物料特性出发，一站式完成储罐选型、几何设计、材质判断、安全附件（呼吸阀/阻火器/泄放）、控制仪表、罐区防火布置、机泵选型的完整方案输出。

设计哲学：不是单纯的壁厚计算器，而是"输入物料+储存需求 → 输出完整储罐工程方案"的方案生成器。

> V1.3.0 重要更新：支持 hazchem-screen（化学品辨识Skill）的 JSON 输出作为输入条件。
> - 工作流：先用 hazchem-screen 对项目化学品进行7大法规目录辨识 → 输出 JSON → 本Skill读取 JSON 自动映射物性/法规/毒性数据
> - 自动获取：CAS号、GHS分类、压力容器毒性(HG/T 20660)、法规归属（危化品/重点监管/高毒/易制毒/易制爆/监控化学品）、临界量、UN编号、职业接触限值
> - 方案报告中自动附加化学品辨识来源数据，实现"化学品辨识→储罐设计"的数据流贯通

二、场景识别

用户可通过一句话触发，也可提供详细参数：

三、模块架构（9模块）

M1 物料性质与储存条件

功能：基于物料特性自动判定储存方式。

浓度感知材质判定（V1.1 新增）：

对于浓度敏感化学品，M1阶段根据浓度自动判定材质方向，确保罐体与机泵材质一致：

浓度信息来源优先级：
1. 用户明确提供 concentration 参数 → 直接使用，不产生警告
2. 数据库默认值推断（如"硫酸(98%)"）→ 使用但提示用户确认
3. 无法推断 → 保守取稀溶液材质 + ⚠️ 警告

储存方式判定规则：
- 常温常压液体（沸点>37.8°C，闪点>60°C）→ 拱顶/外浮顶常压储罐
- 易挥发液体（闪点<28°C）→ 内浮顶罐或氮封拱顶罐
- 液化烃（沸点<37.8°C）→ 压力储罐（球罐/卧罐），设计压力按48°C饱和蒸气压
- 低温液体→ 低温储罐（带保冷）

引用标准：
- GB 50016-2014(2018版) 建筑设计防火规范
- GB 50160-2008(2018版) 石油化工企业设计防火标准（2025版即将发布）
- SH/T 3046-2022 石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范

M2 储罐选型与几何设计

功能：根据储存方式和容积，选择罐型并计算几何参数。

罐型选择矩阵：

几何计算：
- 立式罐：直径D、高度H、D/H比优化（1:1~1:1.5经济区间）
- 球罐：球半径R，容积V=4/3πR³
- 卧罐：直径D、长度L，封头形式（椭圆形/碟形）
- 液位预留：拱顶罐预留10~15%气相空间，浮顶罐预留浮顶行程

壁厚计算（API 650 / SH/T 3046 / GB/T 50341）：

立式罐壁厚：

t = D × (G × H × ρ / (2 × S × E × J)) + C

• t: 计算壁厚(mm)
• D: 储罐直径(m)
• G: 液体比重
• H: 液柱高度(m)
• ρ: 设计应力(MPa)
• S: 许用应力(MPa)
• E: 焊缝系数(0.85~1.0)
• J: 接头系数
• C: 腐蚀裕量(mm)

球罐壁厚（GB/T 150 / TSG 21）：

t = P × Di / (4 × [σ]ᵗ × φ - P) + C

引用标准：
- GB/T 50341-2014 立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范
- SH/T 3046-2022 石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范
- API 650 (13th, 2020) Welded Tanks for Oil Storage
- API 620 (12th, 2014) Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks
- GB/T 150-2024 压力容器
- TSG 21-2016 固定式压力容器安全技术监察规程

M3 材质选型

功能：根据物料腐蚀性、储存条件和浓度，选择储罐本体及管道材质，并确保机泵材质一致。

> V1.2 重要改进：集成 pipe-material-selection Skill 的8大腐蚀环境识别体系，输出罐体板材+管道材质双重推荐。
> - 腐蚀环境识别逻辑参考 pipe-material-selection Skill 的 CORROSION_ENVS，适配储罐板材选型
> - 管道材质推荐引用 pipe-material-selection Skill，管道组件完整选型（管件/法兰/垫片/紧固件）请调用该Skill
> - M3材质决策通过 material_override 传递给M8机泵选型，避免出现"罐体碳钢、泵316L"的材质矛盾

选材优先级：

> V1.4.0 关键修复：强腐蚀但 material_hint 未指定具体材质方向时（如hazchem-screen传入的"强腐蚀"无后缀），保守取PTFE衬里，不再返回碳钢。这是精细化工场景下的安全兜底逻辑。

特殊化学品材质规则表（V1.4.0新增9种，V1.4.1扩展至16种精细化工问题化学品）：

8大腐蚀环境识别（参考pipe-material-selection Skill）：

储罐板材数据库（8种，区别于管材）：

管道材质推荐（引用pipe-material-selection Skill）：

> ⚠️ 管道组件完整选型（管件/法兰/垫片/紧固件配套）请调用 pipe-material-selection Skill 获取完整方案。

禁选材料校核（参考pipe-material-selection FORBIDDEN_RULES）：

腐蚀裕量（综合浓度提示+腐蚀环境+原逻辑，取最大值）：
- 轻微腐蚀（<0.05 mm/a）：1.5 mm
- 中等腐蚀（0.05~0.13 mm/a）：3.0 mm
- 严重腐蚀（0.13~0.25 mm/a）：4.5 mm
- 极严重腐蚀（>0.25 mm/a）：需特殊考虑（衬里/不锈钢）
- 腐蚀环境附加：按8大腐蚀环境的corrosion_allowance取最大值

引用标准：
- SH/T 3059-2012 石油化工管道设计器材选用通则
- GB/T 20801.1-2025 压力管道规范 工业管道 第1部分：总则
- GB/T 150-2024 压力容器（材料部分）
- GB/T 700-2006 碳素结构钢
- GB/T 713-2014 锅炉和压力容器用钢板
- GB 3531-2014 低温压力容器用钢板
- GB/T 4237-2015 不锈钢热轧钢板和钢带
- NACE MR0175/ISO 15156 湿H₂S环境材料要求
- API RP 941 高温氢腐蚀Nelson曲线

M4 呼吸阀与阻火器

功能：计算储罐呼吸量，选择呼吸阀和阻火器。

呼吸量计算（API 2000 7th, 2014）：

热呼吸（罐内液体受热膨胀/收缩）：

V_thermal = C × V_tank^0.7 × (T_in - T_out) / (T_in + 273)

• 简化公式（常压罐）：
• 呼出量（热膨胀）= 0.188 × V_liq（m³/h，按总容积查表）
• 吸入量（热收缩）= 0.094 × V_liq（m³/h）

工作呼吸（进出料操作）：

V_working_out = Q_pump_in（最大进料流量）
V_working_in = Q_pump_out（最大出料流量）

总呼吸量：

V_out = V_thermal_out + V_working_out
V_in = V_thermal_in + V_working_in

呼吸阀选型：
- 常压罐（设计压力<2.0 kPa）：选用呼吸阀，设定压力≤设计压力
- 低压罐（设计压力2.0~100 kPa）：选用低压呼吸阀
- 压力罐（设计压力>100 kPa）：选用安全阀（非呼吸阀）

阻火器选型（GB/T 13347-2010）：
- 闪点<28°C的甲类液体储罐：必须安装阻火器
- 呼吸阀出口端阻火器：管道阻火器（爆燃型）
- 储罐顶部阻火器：储罐阻火器（耐烧型）
- 阻火器需与呼吸阀配套，流通面积≥呼吸阀出口面积

引用标准：
- API 2000 (7th, 2014) Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks
- GB/T 13347-2010 石油气体管道阻火器选用标准
- GB 50160-2008(2018版) 石油化工企业设计防火标准（2025版即将发布）
- SH/T 3005-2016 石油化工自动化仪表选型设计规范

M5 泄放要求

功能：火灾工况和非火灾工况的泄放量计算与安全阀/呼吸阀选型。

火灾工况泄放量（API 2000 / API 521）：

常压/低压储罐火灾工况：

W_fire = 1100 × F × A_wet^0.82

• W_fire: 火灾蒸发量(kg/h)
• F: 环境系数（地上罐F=1.0，地埋罐F=0.3）
• A_wet: 液面以下罐壁湿润面积(m²)

压力储罐火灾工况（API 521）：

W_fire = C × F × A_wet^0.82 × (T_w - T_f)^0.5 / L

非火灾工况：
- 失控反应蒸发量（如有反应体系）
- 管道断裂导致液体闪蒸
- 热膨胀泄放量

泄放面积计算（API 520 / GB/T 12241）：

A = W / (C × Kd × P1 × √(M/T))

与safety-valve-relief-calc的联动：
输出JSON格式泄放参数，可直接作为safety-valve-relief-calc Skill的输入。

引用标准：
- API 520 Part I (10th, 2020) 泄压装置尺寸确定和选择
- API 521 (7th, 2020) 泄压和降压系统
- API 2000 (7th, 2014) 常压储罐泄压
- GB/T 12241-2021 安全阀 一般要求
- TSG 92-2026 承压类特种设备安全附件安全技术规程

M6 控制与仪表

功能：储罐液位、温度、压力仪表选型与联锁逻辑设计。

仪表选型矩阵：

联锁逻辑（GB 50160 / SH/T 3005）：

SIS等级判定：
- 液化烃球罐储运：SIL 2（GB/T 50770 / IEC 61511）
- 一般液体储罐：SIL 1 或不设SIS

引用标准：
- SH/T 3005-2016 石油化工自动化仪表选型设计规范
- GB/T 50770-2013 石油化工安全仪表系统设计规范
- GB/T 21109-2022 功能安全 安全仪表系统（过程工业领域）
- IEC 61511 Functional safety: Safety instrumented systems
- GB 50116-2013 火灾自动报警系统设计规范

M7 罐区平面防火

功能：储罐间距、防火堤、消防道路、消防设施布置。

防火间距（GB 50160 / GB 50016 / GB 50183）：

防火堤（GB 50160）：
- 防火堤内有效容积 ≥ 储罐组内最大储罐容积
- 防火堤高度：1.0~2.2 m（不超过2.2m）
- 防火堤耐火极限 ≥ 2h
- 防火堤内不得有可燃材料管线穿过

消防道路：
- 罐组四周设环形消防道路，宽度≥4m
- 转弯半径≥9m（消防车通行）
- 路面承载力满足消防车总重

消防设施：
- 固定式泡沫灭火系统（甲乙类液体储罐）
- 消防冷却水系统（水喷淋/水幕）
- 移动式泡沫炮（辅助）
- 消防给水量计算

引用标准：
- GB 50160-2008(2018版) 石油化工企业设计防火标准（2025版即将发布）
- GB 50016-2014(2018版) 建筑设计防火规范
- GB 50183-2015 石油天然气工程设计防火规范
- GB 50151-2021 泡沫灭火系统技术标准
- GB 50974-2014 消防给水及消火栓系统技术规范

M8 机泵选型

功能：输送泵流量、扬程计算，NPSH校核，泵类型选择。

流量计算：

Q = V / t（设计输送时间内的平均流量）

• 常规输送：Q = V / (8h × 3600)（8小时输完）
• 装车/装船：Q = N_car × V_car / t_load

扬程计算：

H = Δz + ΔP/(ρg) + Δh_loss + h_margin

• Δz: 高差(m)
• ΔP: 压差(m，换算为液柱)
• Δh_loss: 管道阻力损失(m)
• h_margin: 裕量(取5~10%)

NPSH校核：

NPSHa = (P_atm - P_vapor)/(ρg) + h_suction - h_loss_suction
NPSHa ≥ NPSHr + 0.6m（安全裕量）

泵类型选择：

泵材质与密封：
- 介质含腐蚀性：机械密封+冲洗方案（API 682 Plan 53A）
- 液化烃：双端面机械密封+急冷
- 高温介质：冷却翅片+保温夹套

引用标准：
- API 610 (12th, 2021) Centrifugal Pumps for Petroleum Industries
- GB/T 3215-2019 石油、化学和天然气工业用离心泵
- SH/T 3148-2016 石油化工离心泵工程技术规定
- API 682 (4th, 2014) Pumps—Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps
- GB 50160-2008(2018版) 石油化工企业设计防火标准

M9 完整方案输出

功能：整合M1~M8所有计算结果，输出结构化的储罐工程方案包。

输出清单：
1. 储罐数据表（罐型/容积/直径/高度/壁厚/材质/设计参数）
2. 计算书（壁厚计算/呼吸量计算/泄放面积计算/扬程计算/NPSH校核）
3. 选型清单（呼吸阀/阻火器/仪表/泵）
4. 控制逻辑表（联锁逻辑/仪表清单）
5. 罐区平面布置参数（防火间距/防火堤/消防道路）
6. 材质清单（储罐本体/管道/附件）
7. 设备联动JSON（可供reactor-design/heat-exchanger-design/safety-valve-relief-calc调用）

四、使用示例

示例1：1000 m³甲醇常压储罐完整设计

输入：

物料：甲醇
储存容积：1000 m³
储存温度：常温
闪点：12°C（甲B类）
沸点：64.7°C
密度：791 kg/m³

输出：
- 罐型：内浮顶罐（甲醇闪点12°C<28°C，甲B类，需蒸发控制）
- 几何：D=10.5m, H=12.0m, 容积≈1040 m³
- 壁厚：底圈板6mm → 顶圈板5mm（Q235B，腐蚀裕量1.5mm）
- 材质：Q235B（微腐蚀，碳钢适用）
- 呼吸阀：呼出量620 m³/h，吸入量310 m³/h
- 阻火器：管道阻火器（爆燃型），闪点<28°C必须配置
- 泄放面积：火灾工况 A_wet≈396 m², W_fire≈83700 kg/h
- 仪表：雷达液位计+高液位开关+温度计
- 联锁：高液位停进料泵
- 防火间距：0.6×D=6.3m（固定顶甲B类）
- 防火堤：有效容积≥1040 m³
- 机泵：离心泵OH2, Q=35 m³/h, H=45m, NPSHa=6.2m

示例2：200 m³液氨球罐设计

输入：

物料：液氨
储存容积：200 m³
设计压力：2.16 MPa（48°C饱和蒸气压）
设计温度：-10~50°C
密度：602 kg/m³（48°C）

输出：
- 罐型：球形压力罐
- 几何：内径Di=7.25m, 容积≈200 m³
- 壁厚：t=34mm（16MnDR, [σ]=163MPa, φ=1.0, C=1.5mm）
- 材质：16MnDR（-40°C冲击功≥27J）
- 安全阀：火灾工况泄放量计算, 喉径选型
- 仪表：双液位（雷达+伺服）+压力变送器+温度计
- 联锁：高高液位紧急切断+SIS SIL2
- 防火间距：1.0×D=7.25m（液化烃）
- 防火堤：有效容积≥200 m³
- 机泵：立式筒袋泵VS6（液化烃易汽化）

示例3：从hazchem-screen辨识结果输入（推荐工作流）

# 步骤1: hazchem-screen 辨识化学品
python chemical_identifier.py --chemicals "甲醇::溶剂" --format json --output 辨识结果.json

# 步骤2: 本Skill读取辨识结果设计储罐
python storage_tank_calc.py \
  --chemid-json 辨识结果.json \
  --chemical 甲醇 \
  --volume 1000 \
  --pump-in 50 --pump-out 50 \
  --format markdown \
  --output 储罐方案.md

输出方案中自动包含化学品辨识来源数据（CAS/GHS/法规归属/临界量等），并据此驱动材质选型、氮封判定和防火分类。

CLI 参数说明

五、标准引用清单

六、与其他Skill的联动

hazchem-screen 输入工作流（V1.3.0新增）

步骤1: hazchem-screen 辨识化学品
  python chemical_identifier.py --chemicals "甲醇::溶剂" --format json --output 辨识结果.json

步骤2: 本Skill读取辨识结果设计储罐
  python storage_tank_calc.py --chemid-json 辨识结果.json --chemical 甲醇 --volume 1000 --format markdown

自动映射字段：

> M3与pipe-material-selection的双向联动：
> - 参考方向：M3的8大腐蚀环境识别逻辑参考pipe-material-selection的CORROSION_ENVS，适配储罐板材
> - 输出方向：M3输出罐体材质+管道材质推荐，管道组件完整选型（管件/法兰/垫片/紧固件）调用pipe-material-selection |

七、开发日志

详见：.workbuddy/outputs/dev-logs/storage-tank-design_dev-log.md

八、版本历史

九、参考文献

腐蚀数据参考（V1.4.1引入）

1. [加] R·温斯顿·里维 主编. 尤利格腐蚀手册(原著第2版). 杨武等译. 北京: 化学工业出版社, 2005. ISBN 7-5025-7003-9
   - 第37章 奥氏体和铁素体不锈钢 (p.442)
   - 第38章 双相不锈钢 (p.480)
   - 第47章 钛和钛合金 (p.645)
   - 第54章 腐蚀控制中塑料、合成橡胶和复合材料的应用 (p.721)

2. 郭志军 主编. 压力容器腐蚀控制(第二版). 北京: 化学工业出版社, 2016. ISBN 978-7-122-25566-2 (压力容器实用技术丛书 第六册)
   - 表2-2 不锈钢/钛合金/碳钢材料耐蚀等级划分 (p.34)
   - 表2-3 NACE对金属腐蚀程度的分级 (p.34)
   - 表2-5 哈氏合金的适用介质 (p.38)
   - 2.5.2.3(5) 钛及钛合金 (p.43-46)
   - 2.5.2.3(6) 锆及锆合金 (p.45-46)
   - (2) 哈氏(Hastelloy)合金 (p.37-38)
   - (1) Monel合金 (p.37)
   - 聚四氟乙烯(PTFE) (p.49-50)
   - 搪瓷/搪玻璃 (p.51)
   - 第5章 几种特殊环境下的腐蚀 (p.324-476)
   - 第6章 非金属及非金属衬里压力容器腐蚀 (p.479-494)

主要引用标准

• GB/T 150-2024 压力容器
• GB 50160-2008(2018版) 石油化工企业设计防火标准
• SH/T 3059-2012 石油化工管道设计器材选用通则
• GB 50151-2021 泡沫灭火系统技术标准
• GB 50974-2014 消防给水及消火栓系统技术规范
• GB/T 50493-2019 石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准
• API 682 泵密封标准
• API 610 泵标准
• GB/T 3620.1 钛及钛合金牌号和化学成分