管道与储罐强度-油罐的应力分析

第5章 油罐的应力分析,油罐是油品储存的主要设施； 油罐分为： 立式圆柱形油罐、卧式圆柱形油罐、双曲率油罐（滴状油罐和球形油罐） 立式油罐分为： 浮顶油罐、拱顶油罐、内浮顶油罐、锥顶油罐、悬链式油罐（无力矩）,（1） 浮顶油罐,罐顶浮在油面上，随油品的收发上下浮动，浮顶与罐内壁之间的环行空间有可上下移动密封装置。 优点： 不存在气体空间，减少了油品的蒸发。 罐顶的自重受储液支持，受力状况良好。,2万m3的浮顶油罐,最大储罐24万m3 ，国内80年代建造了4座10 m3罐。,（2） 拱顶油罐,罐顶为球面的一部分，由46mm的薄钢板和加强筋组成； 优点：施工容易，造价低； 缺点：中间无支撑，罐顶直径受到限制；,（3）内浮顶油罐,拱顶与浮顶的结合，储存贵重油品。,（4）锥顶油罐,顶部为自支承式、梁柱式等。,（5）悬链式油罐,也称无力矩油罐。,油罐的发展趋势大型化,大型化的优点： 节省钢材； 减少投资； 占地面积小； 便于操作管理； 节省管线及配件。,对油罐的基本要求,强度要求：卸载后，不应留下塑性变形。 抗断裂的能力：无论在水压试验或操作条件下，油罐不得产生断裂。 抗风的能力：在建造及使用期间，在建罐地区的最大风荷下不产生破坏。 抗地震能力：要求在整个使用期间，在建罐地区的最大地震烈度下不产生破坏。 基础稳固：油罐基础在整个使用期间的不均匀沉陷要在允许的范围内。,5.1 立式油罐的罐壁强度设计,罐壁圈板由多块钢板对接焊成，各圈罐壁的纵缝应错开，其间距不小于500mm； 罐壁相邻上下圈板的连接可采用： （a）套筒式；（b）对接式；（c）混合式；,罐壁承受的储液静压力,罐壁受力图,由于罐壁厚度较小，可忽略弯曲应力，按薄膜理论考虑。,应力 壁厚,确定罐壁厚度需要考虑的因素,每层罐壁板的厚度不同； 每层罐壁板中的应力分布不均匀： 定点法：罐壁中最大应力发生在距下端300mm（1英尺）处； 变点法：按罐壁板中的最大应力考虑； 焊缝系数； 腐蚀裕量。,罐体结构示意图,下节点及罐壁的变形分布图,5.1.1 确定罐壁厚度的几种标准,中国SH3046标准（定点法） 日本JIS B8501标准（定点法） 英国BS2654标准（定点法） 美国API650标准（变设计点法）,1、中国SH3046标准（定点法）,t1 储存预定介质时的设计厚度，mm； 储液密度，kg/m3； H 计算的罐壁板底边至设计储液高度的距离，m； D 储罐内直径，m； 常温下罐壁钢板的许用应力，MPa； 焊缝系数，一般取0.9； C1 钢板厚度负偏差，mm； C2 腐蚀裕量，mm；,2、日本JIS B8501标准（定点法）,t 最小板厚，mm； 储液比重（当小于1时，取1）； H 由该段壁板的下端至设计液位的高度，m； D 储罐内直径，m； fm 母材的许用应力，MPa ； 焊缝效率，一般取1.0，其中第一层取0.85； C 腐蚀裕量，mm。,3、英国BS2654标准定点法计算,t 最小板厚，mm； w 储液密度，g/ml（取值不得小于1）； H 由该段壁板的下端至设计液位的高度，m； D 储罐内直径，m； S 设计许用应力，MPa； P 设计压力，mbar(对无压储罐可忽略不计)； C 腐蚀裕量，mm；,4、美国API650标准（变设计点法）,底圈罐壁板计算厚度,两者之中取最小值,各圈壁厚的变点计算法,hi-1计算圈的下面一圈的圈板高，m； r油罐半径，m； ti所需计算的第i圈的罐壁计算厚度，mm； tai根据变点位置求得的第i圈的壁厚值，mm。,变点法到计算圈板底边的距离,式中,变点法需反复试算迭代，计算工作量大,三式之中取最小值,四种标准计算结果的比较（10万方罐）,壁厚比较,四种标准计算的罐壁总重量比较（ kg）,罐壁的开孔补强,由于使用要求，必须在罐壁上开孔并接管； 开孔后的罐壁将在孔的附近产生应力集中，导致孔口疲劳破坏或脆性裂口，使孔口撕裂； 补强的办法是在开孔的周围焊上补强钢板，增大开孔周围的壁厚； “等截面”补强方法。,补强板形状,开孔直径不超过250mm,开孔直径超过250mm,5.2 立式钢油罐的抗风设计,油罐的抗风设计和计算很重要，国内外均发生过在风力作用下罐壁产生局部失稳的现象； 抗风设计的主要措施是在罐顶加设抗风圈，对大型油罐，除抗风圈外，在抗风圈的下面还需加设一圈或数圈加强圈。,5.2.1 风载荷的分布和计算,正对着风的一点称为驻点，驻点的风压值最高； 迎风面上大约600范围受压，其它部分是吸力。,风压根据风速计算,标准风速以一般平坦地区，离地面10m高，30年一遇的10分钟平均最大风速为依据。,对于敞口油罐，设计风压按下式计算,风压高度变化系数,5.2.2 抗风圈的设计和计算,抗风圈设置在油罐的顶部，通常位于包边角钢以下1m位置。 抗风圈的外形可以是圆的，也可以是多边形的。 抗风圈是由钢板和型钢拼装成的组合断面结构。 抗风圈的刚度由截面系数确定。,结构抗风圈的扶梯穿过孔,SH3046,基本风压值取700Pa，距地面15m。,WZ截面模数 D油罐内径；H罐顶高度；,假设迎风面风压分布范围所对应的抗风圈区段为两端饺支的圆拱，沿拱铀线的风呈正弦曲线分布，圆拱所对应的圆心角为60度，并假设罐壁上半部分的迎风面风压由抗风圈承担,API650和BS2564,标准风速取45m/s，距地面9m。,JIS B8501,标准风速取70m/s，距地面15m。,5.2.3 加强圈的设计和计算,抗风圈以下的罐壁，仍有可能被吹扁，需设置加强圈。 风压失稳由不均匀分布外压造成，和均匀外压失稳的临界压力相比，低13.6%。罐壁失稳按均匀外压考虑。,当量高度,油罐是阶梯形变断面圆筒，按当量高度折算； 将壁厚不同的各筒节折算成直径相同、稳定性相同的等壁厚圆筒，折算后的筒节高度称为当量高度； 按折算后的等壁厚圆筒设计加强圈。,当量高度计算,SH3046推荐方法,该方法以薄壁短圆筒在外压作用下的临界压力计算公式为基础，参照当量高度的概念得出：,加强圈的数量及其位置,例题,一台浮顶油罐内径60m，高18m，罐壁由9层2m宽的圈板组层，抗风圈设在离上口1m处，罐壁自上而下的厚度分别为10、10、10、12、14、16、18、20、23mm，建罐地区基本风压W0=70kgf/m2，求加强圈的个数，位置及尺寸。,解：,（1）求设计压力P,（2）求Pcr,各圈的He值，列表如下：,（3）确定加强圈的个数与位置,所以需设2个加强圈。,第一个加强圈：在当量筒体上距抗风圈HE/3处；HE/3=8.811/3=2.937m，因位于tmin处，故无需折算。 第二个加强圈：在当量筒体上距抗风圈2/3HE处； 2/3HE =8.8112/3=5.874m，因不在tmin处，故需折算，其距抗风圈的实际距离为。,（4）加强圈的尺寸,参阅下表，取加强圈角钢为20010012mm。,5.2 浮顶的结构与强度,浮顶油罐是在大中型油罐罐顶中最常见的结构形式； 浮顶有两种： 双盘式：有上下两层盖板，隔热效果好，用来存放轻质油等，多用于5000m3或更小的罐； 单盘式：周边为环形浮船，中间为单盘，多用于5000m3以上的罐。,5.2.1 浮顶结构,单盘式浮顶的周边为环形浮船，中间为单盘。,单盘由钢板搭接而成，排板的形式有两种,条形排板,人字形排板,环形浮船：由隔板分隔成若干互不渗漏的舱室；舱室的数目根据需要确定。 立柱：设置若干立柱的目的有两方面： 当液面处于较低的位置时，浮顶下降并支承在立柱上，避免与罐内附件碰撞； 检修时的浮顶支于立柱上。 浮顶上有中央排水管：由若干段钢管组成，管与管之间有活动接头。 自动通气阀：使罐底与浮顶之间的空间接通大气。,转动扶梯：作为从罐壁盘梯的顶平台到浮顶的通道。 导向装置：防止浮顶转动或偏移。 人孔：每个舱室上应设置船舱人孔，定期进入舱室检查有无渗漏或渗油处。浮顶上至少设置一个人孔，以便油罐排空后在检修进行通风、透光和便于检修人员的出入。 密封装置：填充浮顶的外边缘板与罐壁之间的200300mm间隙。,重锤式机械密封 1罐壁；2橡胶板；3滑板； 4浮船；5重锤,软泡沫塑料密封 1固定板；2密封胶袋；3锯齿，4泡沫塑料；5罐壁；6防护板；7浮船,浮顶的设计准则,浮顶的设计应满足以下四个条件： （1）对于单盘式浮顶，设计时应做到单盘板和任意两个相邻舱室同时破裂时浮顶不沉没；对于双盘式浮顶，设计应做到任意两个舱室同时破裂时浮顶不沉没。 （2）在整个罐顶面积上有250mm降雨量的水积存在单盘上时浮顶不沉没。 （3）在正常操作条件下，单盘与储液之间不存在油气空间。 （4）在以上各种条件下，浮顶能保持结构的完整性，不产生强度或失稳性破坏。