立式圆柱形油罐的尺寸选择和罐壁强度设计

教学内容,第三章 立式圆柱形油罐的尺寸选择和罐壁强度设计 3-1 罐壁结构 3-2 罐壁钢板厚度计算 3-3 立式圆柱形油罐直径和高度的选择* 3-4 罐壁边缘应力计算（下节点计算） 3-5 罐壁的开孔补强,教学目标,1、了解罐壁结构，熟练掌握罐壁厚度的定点设计法;会用变点设计法来计算罐壁厚度。2、学会结合油罐结构特点，并按材料最省和投资费用最低两种类型来确定油罐的基本尺寸油罐的直径和高度。3、了解罐壁开孔补强的原因，掌握补强的方法及相关的计算公式。,3-1 罐壁结构, 罐壁排板,罐壁的纵截面一般为由下至上的逐级减薄的阶梯形，是由不同厚度的钢板焊接而成的。各相邻圈板的厚度，可根据计算取相等，但上圈板的厚度不得大于下圈板的厚度，即titi+1。, 连接形式对接, 所有纵焊缝均采用对接，且必须全焊透。,3-1 罐壁结构, 为减少焊接影响和变形，相邻两圈板的纵向焊缝宜错开1/3板长（向同一方向），焊缝间距500mm。, 浮顶油罐各圈板之间的连接必须采用对接，且内壁齐平。否则，浮顶难以随液面升降而上下移动。,3-1 罐壁结构, 连接形式搭接（即套筒式）,拱顶罐相邻上下圈板的连接可用套筒式搭接，如右图所示。圈板间的搭接长度常取为3560mm或(68)t（t为壁厚），但L搭30mm。,3-1 罐壁结构,3-1 罐壁结构,大型立式油罐如果不是浮顶罐，下部16mm的圈板之间也采用对接，以保证焊接质量，而上部较薄的圈板仍可采用套筒式搭接，这样就变成了对接搭接的混合式连接，如右图所示。, 连接形式混合式,3-1 罐壁结构, 若对接钢板厚度6mm，则必须开坡口； 罐壁上下圈板采用套筒式搭接时，罐壁外侧角焊缝采用连续焊，其焊脚高度焊缝上侧壁厚的2/3，且 4mm，罐壁内侧角焊缝常采用间断焊；但对腐蚀性介质，仍采用连续焊，以避免搭接缝隙的腐蚀。, 连接注意事项,3-1 罐壁结构, 圈板宽度越小，阶梯形折线越趋近于理论计算直线，材料也就越省，但环焊缝数就越多，增加了制造安装工作量。, 圈板宽度hi, 若底层圈板太窄，则由边缘力所引起的最大环向应力有可能落在上层圈板的下部，从而造成上圈板比底圈板厚的不合理现象。故圈板宽度不宜太窄！ ?,3-1 罐壁结构,根据API650推荐，圈板hmin1.83米，而根据我国实际，钢板宽度下限为：,D16.5m，h1m D16.5m，h0.5m,3-2 罐壁钢板厚度计算, 理论基础：轴对称回转薄壳的无力矩理论和第一强度理论。,第一强度理论认为：不论材料处于何种应力状态，只要材料最大拉应力1达到材料单向拉伸断裂时的最大拉应力即强度极限b，材料将发生断裂。故材料的断裂条件为：,当该理论应用于构件的强度计算时，其强度条件为：,油罐在接近常压的条件下贮存油品时，罐壁沿高度所受内压力主要是液体静压和较低的蒸汽压力。,在液面以上罐壁仅受蒸汽压力p0的影响，而距罐底y处的压力为py=p0+(H-y)g。,一、罐壁强度条件,一、罐壁强度条件,业已导出罐壁经向与环向应力和分别为：,显然：,D,一、罐壁强度条件,故按液面以下即Hy0处的最大环向应力进行罐壁强度设计。, 靠近罐底部的圈板按强度条件计算，靠近罐顶部的圈板按刚度条件设计；, 按强度条件设计的圈板应以该圈板上的最大环向应力计算；, 储存油品密度（即容重）比水小，则按静水压考虑；反之，按油品实际密度计算。,二、罐壁钢板厚度设计原则, 中小型油罐的壁厚计算可采用定点法，而大型油罐多采用变点法。, 定点设计：按距各圈板下端相同位置的环向应力计算各圈板的壁厚。,三、中小型油罐壁厚的定点设计, 壁厚计算：,据理论分析和实验测定，对于中小型罐，各圈板环向应力最大的点不一定在圈板的最下端，而在圈板下端以上约0.3m的位置，则：,上式中：H 计算圈板底边至罐壁顶端（当设有溢流口时，应至溢流口下沿）的垂直高度，m；D 油罐直径，m；t0由强度条件计算的壁厚，mm；设计温度下罐壁钢板的许用应力，kgf/mm2；储液容重，当储液1t/m3时，取储液实际容重；当储液1t/m3时，取1t/m3 ；焊缝系数，取0.9。,三、中小型油罐壁厚的定点设计,式中： t 罐壁设计厚度，mm； t0 罐壁计算厚度，mm； C0钢板厚度允许负偏差， mm； C 腐蚀裕量， mm，根据油品腐蚀性能和对油罐使用年限的要求确定。,（3-1）,考虑到钢板的负偏差和储存介质的腐蚀性，则罐壁设计厚度为：,三、中小型油罐壁厚的定点设计, 钢板规格（P49表3-3）,由式（3-1）计算的壁厚须按钢板规格选取，故需将其向上圆整。,四、中小型油罐壁厚选用注意事项,鉴于大型油罐进行焊后热处理（为消除残余应力）十分困难，故需要限制油罐的最大壁厚。 各国规定最大壁厚一般不超过38mm，高强度钢可取到45mm；国内罐壁钢板的最大厚度可按P49表3-2选取。, 最大壁厚要求, 最小壁厚要求,按式（3-1）算得的油罐上部壁厚较薄，这容易造成施工变形过大，安装后圆度不易保证，抗风能力不足，使用寿命也会受到影响。,四、中小型油罐壁厚选用注意事项,为了满足油罐安装和使用的稳定要求，壁厚应符合最小壁厚的规定，详见P48表3-1。,五、罐壁厚度的变点设计, 变点设计概念：据各圈板下端不同位置的环向应力计算各圈板壁厚的方法。, 设计思路：考虑到罐壁相邻圈板之间的相互影响，确定各圈板最大环向应力的位置，并以此计算各圈板的壁厚。, 变点设计优点：, 比定点设计更符合罐壁应力的实际情况；, 对大容量罐，可减少某些圈板的壁厚，从而节省钢材；, 在tmax范围内可选更大直径的罐。,五、罐壁厚度的变点设计,3-3 立式圆柱形油罐直径和高度的选择*, 设计油罐的首要问题：油罐的基本尺寸直径D和高度H。, 设计原则：材料最省、建设费用最低。, 基本思想：在V设C时，可从D和H的无数组合中找到一组最佳的，以满足设计原则。, 方法：建立数模Qf(D，H) ，令Df/DH0即可得到D，H。,一、等壁厚罐材料最省的直径和高度,设罐半径为R，高为H，容积为V，壁厚为tsmin，底板厚为tb，顶板厚为tr，且假设罐底和罐顶为圆板，则罐各部分的材料用量为：,一、等壁厚罐材料最省的直径和高度,一、等壁厚罐材料最省的直径和高度,上式两端对H求导，并令dQ/dH0，即：,一、等壁厚罐材料最省的直径和高度,顶底用量1/2罐壁用量时，油罐金属用量最省，即：,（对封口罐）,一、等壁厚罐材料最省的直径和高度,一、等壁厚罐材料最省的直径和高度,讨论:,1）对于无顶敞口罐，tr0，则：,（3-16）,故：,一、等壁厚罐材料最省的直径和高度,2）对于顶、底、壁等厚的罐，即tb tsmin tr，由式（3-15）可得：,当H2R时，最省用材量为：,一、等壁厚罐材料最省的直径和高度,3）等壁厚油罐由于受到壁厚tsmin的限制，因此只能用于一定容积范围内，这个容积取决于钢板的机械性能和所规定的罐壁、罐顶厚度。,理论截面,二、变壁厚罐材料最省的直径和高度,可能存在,下部变壁上部等壁,全部变壁D或p0大,二、变壁厚罐材料最省的直径和高度, 罐壁承受液压所需金属量（图中阴影部分的三角形环体积）：, 罐顶、底金属用量：,二、变壁厚罐材料最省的直径和高度, 上部等壁厚各圈板不承受液压部分H1的无益耗钢量（图中abc部分）：,二、变壁厚罐材料最省的直径和高度, H1以下变壁厚部分的无益耗钢量（各三角形环体积之和，三角形数目n（HH1）/h）：,式中： h变壁厚部分各圈板的高度； e相邻圈板的厚度差。,二、变壁厚罐材料最省的直径和高度,则,二、变壁厚罐材料最省的直径和高度,故油罐的总金属用量为：,将Q对H取一阶导数，并令其为零，即：,二、变壁厚罐材料最省的直径和高度,由此可得结论： 变壁厚罐用材最省的条件是：顶底用材量之和等于按强度条件的罐壁用材量（即罐壁理论用材量）；,由 得：,（3-29）, 变壁厚罐的经济H取决于tb、tr和罐材强度。, 变壁厚罐的经济H与V无关（=/，且罐材强度实际上相差不大，对于V大的罐，其H相差不多，而D较悬殊）；,二、变壁厚罐材料最省的直径和高度,当 时：,二、变壁厚罐材料最省的直径和高度,同理求得在较大剩余压力下的经济高度仍为：,此时：,式中：Hp相应于剩余压力的液柱高度，等于p/； p油罐内的剩余压力；所储液体的容重。,三、立式圆柱形油罐费用最省的经济尺寸, 基本思想：把罐壁、顶、底、基础的造价和土地费用，用单位面积年平均费用来衡量，以贮罐年总平均费用最少为原则导出贮罐的经济尺寸。, 主要结论：按费用最省原则的推导过程及其主要结果，与上述材料最省原则雷同；况且我国石油部通用图与浮顶罐系列一般按材料最省原则决定油罐的经济尺寸，故“油罐费用最省的经济尺寸”在此就不多叙了。,四、油罐经济高度和直径选择的分析,表中C1、C2、C3分别为罐壁、顶、底单位面积的年平均费用，￥/a.m2,小罐,大罐,总之，油罐的经济尺寸应和地基条件相联系，特别是大型油罐，由于投资大，因此应结合地基条件通过多方案比较，以便获得较大的经济效益。只有总的工程造价和材料消耗最低，才能得到真正的油罐经济尺寸。,四、油罐经济高度和直径选择的分析,3-5 罐壁的开孔补强,一、开孔类型及作用, 进出油管孔； 消防管孔； 清扫孔； 人孔,二、补强的原因, 孔口附近会产生应力集中，削弱罐壁强度；, 开孔结构在制造过程中会形成缺陷和残余应力，可能造成疲劳破坏或脆性裂口，使孔口处撕裂。,在开孔的周围焊上补强圈板，以增大开孔周围的壁厚，降低孔周围的应力。, 补强金属应直接焊在孔的附近才能起到作用，一般做法都是将补强圈板紧贴孔口周围。, 在人孔补强板横向中心线上应开一个M10（螺纹内径）的讯号孔（a. 利于焊渣和烟排除；b. 若存在焊接质量，试水时将发生泄漏）。,三、罐壁开孔补强方法, 等截面补强：属经验设计准则，并规定：a)用与罐壁相同（材质与壁厚）的钢板作补强板；b)补强板面积A D t0s（计算壁厚）。该法偏于保守、较繁，但历史长、可靠、应用广。, 极限分析补强：属极限设计方法，同时考虑到了结构的安定性。其基本点：壳体开孔后的屈服应力基本上等于未开孔时的屈服应力，并使开孔周围的不连续应力和一次薄膜应力迭加后总应力2s，该法只允许采用整体补强结构。,四、罐壁开孔补强准则, 环形板,环形板外径为内径的2倍左右，适用于开孔直径Dg250mm。,五、罐壁开孔等截面补强形式,五、罐壁开孔等截面补强形式, 多边形板,多边形板的内切圆直径取为补强板内孔直径的2倍左右，适用于开孔直径Dg250mm。,六、等截面补强的有效范围,由于开孔附近应力集中的局部性，添加的补强金属只有在靠孔口的局部范围内才能起到有效的补强作用，称此范围为有效范围。,其中 tP接管的壁厚； t