《油罐讲义》PPT课件.ppt

油 罐 及 管 道 强 度 设 计 Strength Design Of Oil Tanks and Pipes,教学内容,第八章 立式钢油罐的抗震设计,8-1 工程抗震 8-2 地震对油罐的破坏 8-3 油罐的抗震设计 8-5 油罐抗震加固的措施,教学目标,了解地震的一般概念，理解工程抗震设计的方法； 了解地震对油罐及其附属设施造成的破坏情况； 熟悉各国对油罐所采取的抗震设计方法； 理解针对未建成油罐或检修贮罐及正在运行油罐所采取的油罐抗震加固措施。,8-1 工程抗震,一、有关地震的概念,1、衡量地震强度的尺度：,a、震级：在一次地震中地壳所释放出的能量。释放出的能量越多，震级越大。,b、地震烈度：指地震对某一地区影响的强烈程度。,2、烈度的影响因素：,烈度与震级、震源深度、震中距、土壤情况等因素有关。,3、震级与烈度的区别：,一次地震只有一个震级，而烈度无数，不同地区，烈度各异；随着震中距的加大，烈度逐渐降低；同样的震中距由于各地区的地质构造、土质条件、地下水的情况等不同，烈度也不同。,一、有关地震的概念,一、有关地震的概念,4、地震烈度的破坏力：,一般地，地震烈度在七度以下破坏性小，可不采取抗震的加固措施；七、八、九度要设防；九度以上的地区不宜建设包括油罐之类的工业设施。,5、地震释放能量的形式：,地震时，从震源释放出的能量以波的形式向各个方向传播出去，称之为地震波。,a、纵波（Primary）：上下振动，能在固体和液体内传播；其振动周期短、振幅小、传播距离较近。,b、横波（Secondary）：水平晃动，只能在固体内传播；其振动周期长、振幅大、传播距离较远。,一、有关地震的概念,6、工程抗震设计的设计载荷横波,a、横波传递了大部分的地震能量，当横波到达时，地面震动最猛烈，破坏作用也最大；,b、一般来说建筑物或构筑物大部根据垂直载荷进行设计的，因而垂直载荷的增加对其影响不大，但它们抵抗侧向力的能力很差，所以在水平地震载荷作用下易于造成破坏。,一、有关地震的概念,8-1 工程抗震,二、工程抗震设计方法,1、静力法：,假设物体上各点的加速度与地面加速度完全一样。然后用牛顿第二定律即可求出地震载荷。,该法仅适用于固接在地面上的刚体，如低矮的砖石房屋和设备基础。,二、工程抗震设计方法,2、动力法：,从研究结构的振型、振动周期、阻尼等动力特性出发，进一步研究结构对地震的反应，从而进行计算和校核。,8-1 工程抗震,8-2 地震对油罐的破坏,一、贮罐本身（底、顶、壁）的震害,1、浮顶下沉：,由于浮顶罐内液体的晃动，引起浮顶下沉，罐底有可能被浮顶立柱撞破。,2、焊缝破裂：,可能是由于水平地震载荷、罐内液柱压力和基础不均匀沉降等因素共同作用的结果。,一、贮罐本身（底、顶、壁）的震害,3、罐壁下部屈曲：,可能是由于地震时在垂直地震载荷（主要的）和水平地震载荷（次要的）的作用下对罐壁产生弯矩，此弯曲应力达到临界应力值而引起罐壁屈曲，再加上液柱压力把罐壁向外挤，从而使下曲罐壁向外膨曲。,4、罐壁上部屈曲：,上部壁发生屈曲，且向内凹。这可能是由于贮罐下部破裂时，油品迅速外流而造成局部真空，这是外压失稳的现象，仅发生于固定顶罐。,5、罐顶下凹：,拱顶全部下凹成碗状，原因是罐内真空造成的外压失稳。,一、贮罐本身（底、顶、壁）的震害,6、罐壁上部撞坏：,由于浮顶过度晃动，导向杆失效，以致浮顶失控而撞碰罐壁上部。此震害最可怕的是可能触发火花，并引起火灾。,一、贮罐本身（底、顶、壁）的震害,8-2 地震对油罐的破坏,二、液面晃动对贮罐的震害,晃动造成的液面高度变化对罐壁产生的动液压（所谓振动压）一般不大，但在固定顶罐中若液面较高，会对固定顶产生一冲击压力，有可能破坏顶和壁的连接焊缝（弱构）。,三、贮罐附属设备的震害,1、浮顶罐转动浮梯发生弯曲塌落，两根扶手的中部均向外弯成葫芦状，这可能是由于浮梯扶手的刚度不够而致。,2、浮顶导向杆失效，因此浮顶可能发生转动，与罐壁相撞，引起顶下沉，并破坏罐底。,8-2 地震对油罐的破坏,三、贮罐附属设备的震害,3、管线和接地装置等被拉破或拉断，这可能是由于罐和基础间发生过大的相对位移（水平或垂直位移）而致。垂直位移可能是由于底周边被垂直震荷掀起的结果。,8-2 地震对油罐的破坏,四、基础和防火堤发生破坏,1、靠近罐壁下面的基础发生均匀或不均匀沉降，一般发生在场地土较差的场合。,2、基础和环梁被冲豁，这是油罐破坏时油品外流而造成的结果。,3、防火堤（挡液堤）被冲豁。,8-2 地震对油罐的破坏,五、次生灾害,由于地震造成贮液越过罐区的挡液堤，漫延到装置区和厂内道路，着火后形成一片火海。显然，这种灾害更严重。,8-2 地震对油罐的破坏,8-3 油罐的抗震设计,一、美国API650储罐的抗震验算方法,基本思想：考虑储罐及其储液的反应方式：一是产生脉动力，即罐壳、罐顶及与其共同运动的一部分储液在地震时产生的冲击载荷；二是产生对流力，即地震波中的长周期成分与储液产生共振而引起的晃动载荷。,一、美国API650储罐的抗震验算方法,设计内容：,确定与每一振型有关的，产生流动力的质量，并确定由于这些质量对水平地面运动的反应作用于罐壁上的侧力和倾覆力矩；,保证罐壁抗倾覆力矩的能力和防止由于轴向压缩引起的罐壁皱曲（指罐壁失稳）；,设计内容（续）：,计算储液的晃动波高度，设计罐顶支柱以抵抗储液的晃动力以及由于地震而引起的罐壁环向应力的增量。,一、美国API650储罐的抗震验算方法,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,式中： M倾覆力矩，lb-ft； Z地区系数（查P169表8-6） ，与地震烈度和罐所处的地区有关； I重要性系数，一般取I1，当罐破坏后会引起严重后果时，可取I大于1，但不超过1.5；,一、美国API650储罐的抗震验算方法,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,式中（续）： C1，C2侧向地震力系数； Ws罐壁总重，lb； Xs由罐壁的重心至罐底的距离，ft； Wr罐顶总重（固定顶或浮顶）加上可能产生的雪载，lb； Ht罐壁总高，ft；,式中（续）： x1由罐顶至W1重心的距离，ft； W1与罐壳共同运动的那部分储液的有效重量，lb； x2由罐底至W2重心的距离，ft； W2一次振型晃动储液的有效重量，lb。,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,（1）计算储液总重WT。,（2）计算侧向地震力系数C1，C2，二者均为美国地震烈度最大地区在地震时，冲击质量和晃动质量的水平加速度和重力加速度g之比。,C10.24,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,（2）计算侧向地震力系数C1，C2,S场地土系数（查P170表8-7），一般取S1.5。,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,（3）计算W1，W2,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,（3）计算W1，W2,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,（4）计算x1，x2,W1和W2的分布如下图：,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,（4）计算x1，x2,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,（4）计算x1，x2,x1，x2也可按下图查取。,1、地震载荷在罐底的倾覆力矩M,2、罐壁压应力计算,一、美国API650储罐的抗震验算方法,阻止罐底抬起的力来自两个方面：,一是罐壳本身的重量，用Wt表示；,二是罐中一部分储液也起到阻止罐底抬起的作用，这部分力用Wl表示。,2、罐壁压应力计算,（1）压应力的确定,式中： M倾覆力矩，lb-ft； W截面系数，ft3； t下层壁板厚度，ft； D油罐直径，ft。,2、罐壁压应力计算,（1）压应力的确定,若B为单位周长上的力，则,2、罐壁压应力计算,（2）Wl的确定,式中： Wl用来阻止在倾覆力矩作用下罐底抬起的单位罐壳周长上的储液重量，lb/ft； tb罐底边缘板的厚度，in；,2、罐壁压应力计算,式中（续）： Fby罐底边缘板钢材规定的最小屈服极限，lb/in2； G储液的设计比重； H液面高，ft。,2、罐壁压应力计算,（2）Wl的确定,（3）验算,边缘板宽度,2、罐壁压应力计算,（4）罐底抬起与否判据,2、罐壁压应力计算,（5）底层壁板地震时所受的压应力及压力,根据罐底被抬起与否及抬起程度计算壁底部的最大轴向压缩力b,当 时，不抬起，则：,2、罐壁压应力计算,（5）底层壁板地震时所受的压应力及压力,根据罐底被抬起与否及抬起程度计算壁底部的最大轴向压缩力b,当 时，中等程度抬起， 则b据参数 查下图求得。,2、罐壁压应力计算,（5）底层壁板地震时所受的压应力及压力,根据罐底被抬起与否及抬起程度计算壁底部的最大轴向压缩力b,当 时，抬起较多，则：,2、罐壁压应力计算,（5）底层壁板地震时所受的压应力及压力,根据罐底被抬起与否及抬起程度计算壁底部的最大轴向压缩力b,当 时，b，需重新设计。,2、罐壁压应力计算,（5）底层壁板地震时所受的压应力及压力,式中： F地震时罐壁所受的纵向压应力，lb/in2; t最下层壁板的厚度，in。,2、罐壁压应力计算,3、罐壁的临界压应力及其校核,（1）临界许用压应力,前提：Fa不得大于0.5Fty（罐壁钢板规定的最低屈服极限， lb/in2 ）。,一、美国API650储罐的抗震验算方法,3、罐壁的临界压应力及其校核,（2）校核,FFa,当FFa时，表明地震时，在设计预定的地震烈度下，罐壁将发生失稳。,一、美国API650储罐的抗震验算方法,8-3 油罐的抗震设计,二、我国设计方法,我国油罐抗震计算和设计均按“工业设备抗震鉴定标准”中的附录九进行。该标准主要是根据海城、唐山地震时各类工业设备的震害及抗震经验编制的。,二、我国设计方法,1、计算倾覆力矩：,式中： M水平地震载荷对罐底底面的弯矩，kgfcm； Q0水平地震载荷，kgf； H罐底底面至储液液面的高度，cm。,1、计算倾覆力矩：,式中： Cz综合影响系数，对于常压立式油罐，取Cz0.40； max地震影响系数的最大值， max与地震烈度有关，按P179表8-9选取； W0产生地震载荷的油罐总重量，kgf。,二、我国设计方法,1、计算倾覆力矩：,式中： W罐内储液重量，kgf； Fr动液系数，由H/R按P179表8-10选取； R底层圈板的内半径，cm。,二、我国设计方法,2、罐壁压应力：,式中： 底层壁板的最大压应力，kgf/cm2； N底层壁板底部的垂直载荷，包括罐体自重和保温层重，kgf； A底层壁板的截面积， ，cm2；,二、我国设计方法,式中（续）： W底层壁板的截面系数， ，cm3； D油罐直径，cm； t油罐底层壁板的厚度，cm。,二、我国设计方法,2、罐壁压应力：,3、罐壁临界压应力及其校核：,式中： cr临界许用压应力，kgf/cm2。,当 时，说明在设计时预计的地震情况下，油罐是安全的。,二、我国设计方法,8-3 油罐的抗震设计,三、抗震设计方法分析,1、API650附录E，是美国石油学会炼制学会第43次年中会议提出的一个“贮罐抗震准则”，它以近似方法为基础，考虑较全面，理论性强，但计算量大。即使可用图表法代替解析法，仍显得较繁琐。,三、抗震设计方法分析,2、我国方法：它根据反应谱理论，结合我国的具体情况以及唐山丰南地震的实践经验总结出来的，是一个半经验方法，在工程上较实用，但是否符合实际情况，则有待进一步探讨。,3、验算：,验算底圈壁板： 安全，反之加大t，并进行步骤；,校核上一圈壁板，直到 ，对于 的圈板应加大t。,三、抗震设计方法分析,3、验算：,几点说明：,液max,HHmax,设计烈度据罐的重要性、次生灾害的影响程度和范围采用基本烈度或比其增减一度。,三、抗震设计方法分析,8-5 油罐抗震加固的措施,一、已建成尚未投产或检修的贮罐,1、加补强板：在底圈人孔以下罐内（外）增设B300，t4的补强板（与圈板、底板焊牢，并保证焊接质量）。,2、加加强环（用不等边角钢）：可设在罐内或罐外，距离罐的环焊缝150mm。,一、已建成尚未投产或检修的贮罐,3、加防波板或增高浮顶罐壁：为避免浮顶碰撞罐壁产生火花，可采用软密封装置，这对内浮顶罐意义更大。,4、加挡板或隔