（油气井工程专业论文）水下储油罐设计.pdf

- 夕 一 d e s i g no fu n d e r w a t e r o i ls t o r a g et a n k ad i s s e r t a t i o ns u b m i a e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：h a nc h a n g q i n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nj i a n m i n c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 卯 御8懈6 帆7删8 脚1 胛丫 t 一 埘 o 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：乾益基日期：t 年f 月耀日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：皇壶垒叁 指导教师签名： 日期：dl 年歹月溜日 日期：厶f f 年歹月2 方日 、 x l - ， 7 各 摘要 随着海洋石油开采事业的发展，适用性、综合化和简单化的海上储油设备越来越多 的受到石油人的关注。水下储油罐有多种方式，其中尤以油水置换方式最为经济高效。 但在置换过程中会有少量原油随水排放到海水中，累积造成环境污染。由于能源危机及 各个国家对海上原油的开采的迫切需求，采用水下储油技术在一定程度上可以简化石油 开发系统。水下储油罐的优势和特点决定了其发展的总趋势。 鉴于此，本文提出设计一容积为1 6 万立方米的水下储油罐及新的油水隔层，它可 以避免油水接触，既保留了油水置换储油的主要优点，又避免了环境污染。通过综合运 用g a m b i t 软件、a n s y sw o r k b e n c h 软件和一a n s y sc f x 软件，对储油罐进行流固耦合 分析。模拟出储油罐在渤海某海域水深2 0 m 的海域条件下罐体周围的流场速度、压强 分布、以及罐体的受力情况和坐底稳性分析。为此种新型水下储油开采模式的可行性进 行验证。 通过上述工作验证了本文设计的水下储油罐既满足规范关于储罐的稳性要求，同时 满足水下储油开采模式与油水隔层的使用要求，验证了此种水下储油开发模式的可行 性。综上，本论文为我国海洋石油开发提供了一种全新的开发模式。 关键词：水下储油罐，油水置换，油水隔层，流场分析，流固耦合 墓 ， - 、0 d e s i g no fu n d e r w a t e r o i ls t o r a g et a n k h a nc h a n g q i n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e nj i a n m i n a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe x p l o i t a t i o no fo f f - s h o r eo i l ，al a r g en u m b e ro fs p e c i a l i s t sa n d s c h o l a r sh a v em o r ea n dm o r ef o c u s e do nt h ea p p l i c a b l e ，i n t e g r a t ea n ds i m p l eo f f s h o r es t o r a g e t a n k t h e r ea r em a n yw a y st os t o r ep e t r o l e u mu n d e rw a t e r , d i s p l a c e m e n tb e t w e e no i la n d w a t e ri ss p e c i a ld u et oe c o n o m i ca n de f f i c i e n c y h o w e v e r , i ti si n e v i t a b l et h a tas m a l la m o u n t o fc r u d eo i lw i l lb ed i s c h a r g e di n t om a r i n ea n db r i n g se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni nt h ec o u r s e o fd i s p l a c e m e n t b e c a u s eo ft h er e s o u r c ec r i s i sa n dl o t so fc o u n t r i e s t h i r s tf o re x p l o i t a t i o no fo f f s h o r e c r u d eo i l ，t e c h n i q u e st os t o r ep e t r o l e u mu n d e rw a t e rc a ns i m p l es y s t e mo fo i ld e v e l o p m e n tt o s o m ee x t e n d 。t h ea d v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r so fs t o r a g et a n ku n d e rw a t e rd e c i d et h eg e n e r a l t r e n do fa d v a n c e m e n t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rc o m e su pa na p p r o a c ht od e s i g ns t o r a g e t a n ku n d e rw a t e rh o l d i n g s i x h u n d r e dt h o u s a n d sc u b i cm e t e rp e t r o l e u ma n dn e wi n t e r l a y e rf o ro i la n dw a t e r , w h i c hc a n a v o i dc o n t a c tb e t w e e no i la n dw a t e r , m a i n t a i nm e r i t st os t o r eb ym e a n so fd i s p l a c e m e n t b e t w e e no i la n dw a t e ra n di sf r i e n d l yt ot h em a r i n ee n v i r o n m e n t t h ep a p e ra n a l y s e ss t a t u so f t h es t o r a g et a n ka n df l u i ds t r u c t u r e i n t e r a c t i o nb yt h es o f t w a r eo fg a m b i t , a n s y s w o r k b e n c ha n da n s y sc f x m o r e o v e r , i ts i m u l a t e st h ev d o o t y , p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni n f l o wf i e l dn e a r b yt a n k , s t r e s sa n ds t a b i l i t yo ft a n kw h i c hl o c a t e si nc e r t a i ns e aa r e ao fb o h a i a tt h ed e p t ho ft w e n t ym e t e r s a f t e rt h es i m u l a t i o n ，t a n ku n d e r w a t e rc a nm e e ts t a b i l i t yr e q u i r e m e n tf o re n v i r o n m e n t u n d e rw a t e ra n dc o n f o r mt ot h ed e m a n d so fe x p l o r a t i o na n ds t o r a g em o d eu n d e r w a t e r a tt h e s a m et i m e ，i ta l s ot e s t i f i e st h a tt h es t o r a g eo i lt a n ku n d e rw a t e ri sf e a s i b l e a l li na l l ，t h ep a p e r g i v e sa b r a n dn e wm o d et oe x p l o r eo f f s h o r eo i lf o ro u rc o u n t r y k e y w o r d s ：s t o r a g et a n ku n d e r s e a , o i lw a t e rd i s p l a c e m e n t ，o i la n dw a t e ri n t e r l a y e r , f l o w f i e l da n a l y s i s ，f l u i ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ， - d 宝 ， 1 叫 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究目的及意义1 1 2 国内外研究现状及发展趋势3 1 2 1 水下储油国内外研究现状及发展趋势3 1 2 2 油水置换技术国内外研究现状及发展趋势：5 1 3 本文主要研究内容7 第二章储油罐结构设计8 2 1 整体结构设计8 2 1 1 储油罐轮廓尺寸8 2 1 2 储油罐构件布置与尺寸选取1 0 2 2 罐底结构设计j 1 2 2 2 1 罐底与罐壁的连接及应力计算1 2 2 2 2 罐底排板方式设计1 2 2 2 3 罐底与基础的坡度选择，1 3 2 2 4 罐底钢板的尺寸选择一1 3 2 3 罐壁结构设计：1 4 2 3 1 罐壁计算方法的选取1 4 2 3 2 储油罐壁厚设计。1 5 2 4 罐顶结构设计l6 2 5 接管设计1 7 第三章储油罐稳性计算1 9 3 1 坐底稳性相关计算公式1 9 3 1 1 抗滑稳性计算公式及规范要求1 9 3 1 2 抗滑力计算公式一2 0 3 1 3 滑移力计算公式2 0 3 1 4 抗倾稳性计算公式及规范要求2 1 3 1 5 抗倾力矩计算公式。2 2 3 1 6 倾覆力矩计算公式2 3 3 2 相关参数计算结果2 3 第四章储油罐在海流作用下的响应分析。2 4 4 1 建立计算模型2 4 4 1 1 相关软件简介矗j 2 4 4 1 2 建立有限元模型 4 2 海流作用下罐体周围的流场分析 4 3 海流作用下罐体的耦合分析： 4 3 1 水深9 9 6 m 处海流作用下罐体的耦合分析 4 3 2 水深1 5 m 处海流作用下罐体的耦合分析 4 3 3 水深5 m 处海流作用下罐体的耦合分析 4 4 海流作用下罐体周围的耦合流场分析 4 5 本章小结 第五章储油罐在波浪作用下的响应分析 5 1 波浪作用下罐体的耦合分析 5 1 1 水深1 1 9 7 m 处波浪作用下罐体的耦合分析 5 1 2 水深1 5 m 处波浪作用下罐体的耦合分析 5 1 3 水深5 m 处波浪作用下罐体的耦合分析6 2 5 2 波浪作用下罐体周围的耦合流场分析6 6 5 3 本章小结：7 l 第六章储油罐在海流和波浪联合作用下的响应分析7 2 6 1 海流和波浪联合作用下罐体的耦合分析 7 6 6 1 1 水深1 0 9 7 m 处波浪与海流联合作用下罐体的耦合分析7 6 6 1 2 水深1 5 m 处波浪与海流联合作用下罐体的耦合分析8 0 6 1 3 水深5 m 处波浪与海流联合作用下罐体的耦合分析8 4 6 2 海流和波浪联合作用下罐体周围的耦合流场分析8 8 6 3 本章小结9 3 结论与展望：。：9 4 参考文献。9 5 致谢。9 7 - 一一 、 ( 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究目的及意义 第一章绪论 随着海洋石油开采事业的发展，适用性、综合化和简单化的海上储油设备越来越多 的受到石油人的关注。海上储油设备是全海式油田不可缺少的工程，它为油田连续稳定 生产提供了足够的缓冲容量。海上储油设备的容量取决于油田产量和运输油轮的数量、 大小、往返时间和装油作业受海况的限制条件，如遇恶劣的海况条件，波浪高度超过一 定的限度，就要停止装油作业。一般说来，海上储油设备容量按7 1 5 天油田高峰产量 设计。海上储油主要分为水上、水面和水下储油3 种模式【l 】。其中，水上储油与水面储 油两种模式较为常见且易于控制，技术也更为成熟。但是，水上储油会导致采油平台上 部重量大，平台结构、环境载荷及地基受力相应增大，平台造价很高；而对于水面储油 来说，浮式储油装置储油量一般在5 万方以上，受外部风浪、海流和冰等影响较大，关 键技术和主要设备都是依靠国外进1 2 l 4 1 。在某些小型油田，水上、水面两种储油模式的 经济性较差，有的甚至得不到开发。关于海上储油设备主要有：平台储罐、油轮、重力 平台支腿储罐、海底储油罐等【_ 7 1 。 ( 1 ) 平台储罐是在固定式钢结构物上建造的金属储油罐。这种储油方式一般在浅水 区采用。由于受支撑结构的承载能力限制，储油容量不可能很大。过大的储油容量容易 发生安全问题。平台储罐的结构和附件与陆地油罐相同。 ( 2 ) 油轮是一种浮式储油设备，它是海上常用的一种储油方法，特别是对一些边际 油田在节省投资费用上具有重大意义。 ( 3 ) 重力式平台支腿储罐，巨大的混凝土和钢结构平台提供了能满足储油所需要的 空间。重力式平台需要有稳定的压载舱，这种压载舱可设计成储油罐。 ( 4 ) 水下储油罐技术是从6 0 年代发展起来的，使用在水深小于l o o m 的近海海区。 其容积小的为几千立方米，大的达几十万立方米。油罐使用的材料有金属、钢筋混凝土 和其他非金属材料，罐的形状有圆桶形、长方形、椭圆抛物面形、球形和其他综合形状。 由于长期浸泡在海水中，要特别注意防腐处理。 而水下储油也有很多方式，其中尤以油水置换方式经济高效。此种储罐罐底与海水 相通，因此要求海底地形平坦，且要求海流对海床的冲刷作用不太严重。一般的油水置 换方式的原理是：油水不相溶、油的密度低于水、会自然形成油水界面。由于水下储罐 第一章绪论 一般采用双层壳体设计，在储油罐内胆无破坏的情况下，油水基本上完全隔离，油水隔 离过程中，理论上不会发生污染，基本能满足零污染排放的要求。但在油水置换过程中 需考虑到胀缩、波浪压力传递和油水密度差异等对储罐内胆的影响，内胆还是会受到拉 伸、皱折、摩擦及刮擦等很多因素的破坏。根据“水下贮油技术一油水置换”工艺模拟 试验【3 2 1 ，在置换过程中，界面附近水中仍然会有少量原油在此置换过程中随水排放到周 围海水中( 最大含油量不超过1 2 5 m g l ) ，累积后还是会造成环境污染。随之产生的污染 及由于我国生产的原油大部分属于高凝点，需高温储存，热量是否会因大部分传递给置 换海水，而使设施耗费巨大的热能等问题严重限制了油水置换技术的应用。针对以上问 题若采取避免油水直接接触，污染问题便可迎刃而解。为此，可运用一种具有极高强度、 较好的抗变能力、且具有较小断裂伸长率、在长期载荷情况下不会发生蠕变的玻璃纤维 作为油水隔层隔离布的材料。它既保留了油水置换储油的主要优点，又避免了环境污染 造成的问题。 油水隔层在储油罐体内部如图1 1 所示，隔离层隔开油水，隔离布与罐体内壁相连 接，它中间部分可以上下浮动，以满足储油过程中油水量的变化。储油罐内外部相互连 通，进而不需要承受海底的巨大压强。进一步降低了对结构强度的要求，减少了用钢量， 降低了造价。置换式储油罐内外压差基本平衡，所以基本上不受水深限制，建造费用也 不会随水深变化而增加，因而这种模式在浅海、深海均适用，适用于在我国南海油田。 图1 - 1 油水隔离层及罐体受力情况示意图 f i g l - 1 s c h e m a t i co fo i l - w a t e ri s o l a t e dl a y e ra n dt a n ks t r e s s e d 设计水下储油罐的结构型式时，需考虑海流、波浪、潮汐等作用力，以及水深、海 底土质条件等诸多因素。因此，其形状和结构彼此不同。水下储油工艺几乎都是采用油 水置换原理。由于罐内始终充有液体( 油和水) ，罐外海水和罐内液体的静压差小，从而 2 一- 口 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 减小了罐壁厚度，大大节约了建造费用。 ( 1 ) 载荷特点 有利因素：储油罐罐体属于低重心结构，选择的安装位置使得储油罐本身具有良好 的抗地震载荷能力。而运用了油水置换技术的储油罐在水下作业时内外压差基本平衡。 不利因素：在计算水下储油罐的坐底稳性时，应将其视为大尺度水下潜体，需克服海流 力、波浪力的作用。 ( 2 ) 储罐结构及稳定性 依据水下储油罐的载荷特性，储罐对地基压力不大，因此对地基强度要求不高。水 下作业时罐内外压力差基本平衡，所以结构强度也易于满足。目前我国尚没有针对水下 储油装置或结构制定相关规范，借鉴钢质海船入级规范、海上浮式装置入级与建造 规范，对于容积较大的大型储油罐一般采用双层壳体，对于容积较小的小型储油罐则 可采用单层壳体。由于水下储油罐所受的外力作用远低于船舶，储罐在除不储油的工况 下不需要移动，结构上可以参照上述规范执行，完全可以满足强度和安全性要求。为了 减少储油内胆与罐壁的刮擦，罐壁骨材应设计在外侧。储油罐在水下作业时，其抗倾、 抗滑都可依靠自身重量。依据储罐容量和环境条件，采用如下方法或其组合来保证抗滑 稳定性。 1 ) 优化外形结构，在满足设计要求的前提下，降低形状载荷系数，如采用圆柱 形或近似形状，从而减少波浪力和海流力的作用。 2 ) 增加罐体结构重量等。 3 ) 采用抗滑桩等增加抗滑稳定性。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 水下储油国内外研究现状及发展趋势 近一、二十年来，油罐的设计与施工技术都较过去有了更快的发展。由于能源危 机及各个国家对海上原油的开采的迫切需求。水下储油罐的优势和特点决定了其发展的 总趋势。水下储油罐在深海、浅海中均有应用，如图1 2 中所示为两种典型的储油模式。 在浅海中，将井口平台( 一般为固定导管架平台) 采出的油气进行油气分离后，原油通 过注油管路注入储油罐内，水下储油罐中的原油通过储油罐上的出油管路输送到系泊在 井口平台上的穿梭油轮中；在深海中，海底井口生产的原油可直接储存到水下储罐中。 生产区建造小型的浮式系泊装置，同样通过停靠在该系泊装置上的穿梭油轮实现原油转 3 第一章绪论 系泊技术要求相聂低很多，节省较大的经济费用。 、涟 l23 l5 6 一 弋。777 赢 艮l * 火 二 一黼 l 1 水下生产模块；2 进油管路；3 水下储罐；1 水下储罐；2 出油管路；3 进油管路 4 出油管路；5 系泊系统；6 穿梭油轮 4 井口平台：5 井口；6 一穿梭油轮 图1 - 2 浅海、深海水下储油生产模式简图 f i g 1 - 2s c h e m a t i co fs t o r a g ea n dp r o d u c t i o nu n d e rs h a l l o wa n dd e e ps e a 我国在水下储油工艺方面做了大量的研究工作，积累了丰富的经验，为发展水下储 油技术奠定了良好的基础。现在国内水下储油方式主要是应用在海洋油田生产开发的过 程中，但是也有少量的水下油库采用了这一技术，比如说地处上海嘉定区的蕴西油库。 在近海地带，水下储油方式还可以同地下储油方式相结合，这一技术极具发展前景。国 外有大量水下储油方面的应用实例，采用的水下储油装置也多种多样，有很大的借鉴价 文地质条件，为水下储油技术的发展提供了广阔的发展空间。当前油田开发正在向深海、 远海发展，采用水下储油技术在一定程度上可以简化石油开发系统。 下面简略介绍目前国外水下储油罐的四种主要形式【3 0 】。 ( 1 ) 带环形底盘的水下储油罐。1 9 6 7 年首次在墨西哥湾建成。储罐容积为3 6 5 6 m 3 ， 储罐底部是环形底盘，作为下部油罐。环形底盘上的三根斜支柱支撑伸出于海面的上部 罐体。环形油罐靠开口沉箱固定于海底，油罐搁置在水深约4 0 r n 的海底。 ( 2 ) 倒盘形水下储油罐。如图1 3 所示。此种水下储油方式于1 9 6 9 年首次在波斯 湾迪拜海域建成。它的底部是圆柱形，经过球面和圆锥面过渡，上部接3 0 m 高、9 m 直 径的圆筒，约有1 3 m 露出水面。油罐中间有一个直径为2 4 m 的内罐，内罐呈瓶装结构， 为储油罐的一部分。罐四周用桩固定在海床上。罐体总重1 2 7 0 0 t ，储油容积为8 0 0 0 0m3 。 由于油罐面积很大，收发油时油水界面的升降速度只有0 3 m h ，界面没有剧烈波动现象。 圆筒上部建有操作平台，平台上安装有输油泵和管路等生产设备。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 3 倒盘型水下储油罐 f 逛1 - 3 i n v e r t e dp l a t es h a p es t o r a g et a n ku n d e rw a t e r ( 3 ) 双圆筒混凝土水下储油罐。储罐采用预应力钢筋混凝土建造，两个卧式 圆柱体有共同的分界壁，每个壳体又被一些横向壁板分隔成几个舱室，以防油罐 向海底下沉时罐内水面过分晃动。油罐放置于海底，当需要加大容积时，可将几 个油罐平行排列，靠输油管相互连接。油罐搁置在水深约4 8 m 的海底，总容积为 3 2 0 0 0 m 3 。 ( 4 ) 带防波墙的立式钢筋混凝土水下储油罐。此储油罐建于北海埃克菲斯克油 田，油田水深7 0 m ，油罐总高9 0 m ，油罐体积1 5 8 0 0 0 m 3 。油罐底板长宽均为9 2 m ，底 t 面呈波纹形以增加与海底的摩擦力。罐内分隔成9 个小储罐，但这9 个小储罐互相连 通，且都是混凝土结构，罐四周用多孔防波墙围绕。防波墙从海底起高8 2 5 m ，有1 2 2 m 在海面以上。防波墙的作用是减轻狂风暴浪对罐体的作用力。储存的油由4 台装油泵 经吸入室从储油罐吸出装船外运。海水泵装设在储罐和防波墙之间的环形空间内，从 储罐吸出的海水要经过罐顶甲板上的3 个撇油箱，每个撇油箱的容积为4 9 0 m 3 。 1 2 2 油水置换技术国内外研究现状及发展趋势 在介绍油水置换时首先需了解油水界面的乳化作用：由于表面活性剂的作用， 使本来不能混合到一起的两种液体能够混到一起的现象称为乳化现象，具有乳化 作用的表面活性剂称为乳化剂。乳化机理：加入表面活性剂后，由于表面活性剂 的两亲性质，使之易于在油水界面上吸附并富集，降低了界面张力，改变了界面 状态，从而使本来不能混合在一起的“油”和“水”两种液体能够混合到一起，其中 一相液体离散为许多微粒分散于另一相液体中，成为乳状液。 5 第一章绪论 油水共存时间越长，水相含油量越高。静态试验测定数据表明：油水 影响水相含油浓度的主要因素是停留时间，而环境温度和原油含水量的变 影响均很小。动态试验结果分析：油水界面状况观察分析从试验流程运行 察，油水界面清晰、无波动、无泡沫、运行平稳，油水置换过程是油挤水 油实现进排油流程的，油水界面是在受压条件下运行，界面上无自由空间 6 工艺 1 3 a n s 模拟 受力 省。对于容积v 1 0 0 0 m3 的储罐，应采用不等壁厚设计，此时，最省材料的经济尺 寸是： 日= 阿 ( 2 1 ) 式中何一储罐高度，m m ； p 】一材料许用应力，m p a ，一般取材料屈服极限的o 6 - - 0 8 倍； 一焊缝系数，一般取0 9 ； 7 一储液比重，k g m 3 ； s 一罐顶厚度，r l l m ； s 2 一罐底厚度，i r l m ； 由上式可知，储罐的高度取决于灌顶和罐底的厚度以及材料的许用应力；另 外，根据参考储油罐所在海域条件对高度进行合理修正，与其容量无关，其中： d = 4 4 州z c h ( 2 - 2 ) 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中d 一储罐直径，i l l m l y 一储罐容量，m3 。 由上式即可求出储罐直径。我国石油部通用浮顶油罐系列基本上是按最小耗 钢量来决定油罐经济高度( 浮顶的平均厚度作为式中顶盖的厚度) 。 ( 2 ) 最省费用的经济尺寸 这种以油罐的轮廓尺寸作为最省费用的方法是通过罐壁、罐顶、罐底及罐基 础等，按照其单位面积上的年平均费用来衡量的。由g b 5 0 3 4 1 2 0 0 3 立式圆筒形 钢制焊接油罐设计规范中关于不等壁厚的大容积储罐设计可知，储罐的直径与 罐壁费用成正比，与顶、底费用成反比。在确定储罐的设计容积时，关于罐体安 全高度应考虑到以下几个方面的因素。 1 ) 储液随温度变化时，体积变化所引起的液位变化。 2 ) 储罐的空气泡沫管到液面之间应留有一定高度，以保证储液面上泡沫覆盖 层能有足够厚度。 3 ) 考虑进液速率到关闭进液阀门这段时间内的液位升高；此外，应适当考虑 罐体底层由于杂质沉淀而不能利用的一部分容积。 ( 3 ) 储油罐经济尺寸的选择 考虑上述两种方法计算油罐的经济尺寸。根据工程实践经验，对于建造一个 大型封闭储油罐，刚性、基础不均匀沉降度极小比柔性、基础不均匀沉降度较大 的造价高。 综上所述，储罐的经济尺寸应该和地基条件等因素统一起来做考虑。特别是 针对大型储油罐投资巨大，结合地质条件设计多种方案进行比较是十分有必要的。 这样才能达到最大的经济效果，使总的工程造价和耗钢量最小。才是真正的储罐 最经济尺寸。 根据本文所选取的储油罐体积和海域条件结合上述两种方法，得到储罐的轮 廓尺寸为； 1 ) 储油罐原油设计储量：1 6 0 0 0 0 m 5 。 2 ) 储油罐结构类型：双壳体结构，外形为圆柱体，如图2 1 。 3 ) 储油罐轮廓尺寸：d = 1 0 0 m ，h = 2 6 4 m 。 4 ) 储油舱轮廓尺寸：d = 9 6 m ，h = 2 2 4 m ，罐顶厚度s 。= 6 r a m ，罐底厚度s 2 = 1 8 m m 9 第二章储油罐结构设计 ( 注：储油舱舱底与舱顶壳体内外均设计2 m x 4 5 0 的倒角，倒角后储油罐的实际舱 容为1 6 0 5 2 3 m 3 ) 图2 - 1 储油罐内部构件总装图 f i g2 - 1 g e n r e a la s s e m b l yd r a w i n go fc o n s t i t u t i o ni n n e rs t o r a g et a n k 2 1 2 储油罐构件布置与尺寸选取 储罐采用双层壳体结构【2 9 】，内部设置了水密舱壁、非水密舱壁、纵骨、纵桁、横梁 等构件。如图2 2 所示为储油罐构件的整体布置图。2 3 为顶板和底板的构件布置图。 12 5 e + 0 0 437 5 e 斗0 0 4 图2 - 2 储油罐构件整体布置图 f i g2 - 2 g e n e r a ll a y o u ts c h e m a t i co fc o m p o n e n ti n n e rs t o r a g em n k 1 0 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 o i _ = 兰当 = 皇产 15 口删45 + l 0 - _ 亡= 兰譬i _ 匕= 皇p 15 0 + 0 0 4i5 0 * 0 0 4 图2 - 3 顶板和底板的构件布置图 f i g2 - 3l a y o u ts c h e m a t i co fc o m p o n e n to nt o pa n db o t t o mp l a t e 构件尺寸的选取主要参照中国船级社钢质海船入级规范( 2 0 0 6 ) 与中国船级 社海上移动平台入级与建造规范( 2 0 0 5 ) 中的有关规定【3 3 1 。所有构件选用的型钢均为 3 5 号钢，屈服强度为3 1 5 m p a 。构件名称及型钢规格类型见表2 ：l 。 表2 1 储油罐构件及型钢规格类型 t a b l e2 - 1 s p e c i f i c a t i o na n dt y p eo fc o m p o n e n t si n n e rs t o r a g et a n ka n ds h a p e ds t e e l 构件名称型钢类型型钢规格型钢材质 罐 顶 部 分 罐项板 顶板纵骨 顶板纵桁 顶板横梁 罐壁外壳体 罐 壁 罐壁内壳体 部 分 罐 底 部 分 钢板 角钢 t 型钢 t 型钢 钢板 钢板 横肋骨角钢 纵肋骨t 型钢 罐底板 钢板 底板纵骨角钢 底板纵桁 t 型钢 底板横梁 t 型钢 1 l 6 = 6 l = 1 6 0 x 1 6 0 1 4 t = 1 4 x 2 4 0 1 6 x 4 6 0 t = 16 x 3 0 0 l6 x 6 0 0 见表2 - 6 6 = 2 0 l = 1 6 0 x1 6 0 x1 4 t = 1 4 x 2 4 0 16 x 4 6 0 6 = 1 8 l = 1 6 0 x 1 6 0 x 1 4 t = 1 4 x 2 4 0 1 6 x 4 6 0 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 t = 1 6 x 3 0 0 16 x 6 0 0 3 5 第二章储油罐结构设计 按照以上设计，用三维建模软件p r o e 建立储油罐模型，可得储油罐总用钢量为 m = 1 6 4 6 4 8 7 8 吨，重心位置距罐底高度11 2 0 4 8 2 9 m m 。 2 2 罐底结构设计 2 2 1 罐底与罐壁的连接及应力计算 一般规定，罐底与罐壁连接的内、外角焊缝，均采用连续焊，焊角高度等于罐底边 缘板的厚度，未强调采用全焊透结构。但当环境温度较低时，位于高应力的罐底与罐壁 连接角焊缝。如有缺陷存在，随着储罐液位变化时的应力应变，缺陷就有可能扩展，使 焊缝产生脆性破坏，故采用全焊透的角焊缝且附加检查措施是值得提倡的。对地震强度 7 的地区，还应采用加强结构【10 1 。 由g b 5 0 3 4 1 2 0 0 3 中推荐的中国科学院力学研究所和中国石油大学( 华东) 关 于罐底应力的计算方法，根据应力分析结果及国内对2 0 0 0 0 m 3 、5 0 0 0 0 m ，浮顶储罐的 应力应变测试可知，一般情况下，罐底最大径向应力在距罐壁5 0 0 m m 处。故边缘板径 向宽度必须 7 0 0 m m 。 2 2 2 罐底排板方式设计 对于直径d 1 2 m 的储油罐，搭接焊的罐底板边缘应采用适当的矩形或方形板。环形 边缘板的环应具有圆形外缘，在罐壁内侧时可以是正多边形，边数和环形边缘板的块数 相等。 由于罐底和罐壁连接的周边存在较大的边缘应力，所以必须在中幅板的外圈设置厚 度相对较大的外圈板。一般采用弓形边缘板和矩形中幅板组成的排板方式，如图2 - 3 ( b ) 。 对于5 0 0 0 0 m3 以上容积的大型储罐，为排板方便，一般采用较厚的边缘板和较薄的中幅 板，如图2 3 ( c ) 。 排板方式上【6 】，用整张的钢板对焊成大块板，大块板之间再采用带垫板的对接焊的 方式代替通常使用的条形排板方式。现有规范普遍采用的单面连续搭接角缝焊。但本人 认为对接焊不仅可以减少现场组焊焊接的数量，更好的控制焊缝质量，防止焊接变形； 而且对接焊无论从焊缝强度还是连接的可靠性上都要好于搭接角缝焊。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 骶，孙 i 7| lll-l l| 囊 乏肖盐 詹 i 惑 ： 穆 蕊、l 7秽 c ) 图2 - 3 罐底板排板简图 f i g2 - 3s c h e m a t i co fl a y o u ta tt h eb o t t o mo ft a n k ( a ) d s _ 1 2 m ；( b ) d 1 2 m ；( c ) v 5 0 0 0 0 m 3 2 2 3 罐底与基础的坡度选择 由于基础的沉降，罐底板将产生较大变形。很显然，其中心部位挠度最大，当变形 超过一定限度后，会造成底板焊缝的拉裂。为了补偿基础沉降造成的底板中心部位凹陷， 也为排除残液，采取底板与基础均设置同样的坡度，使底板中间高，四周低。按照美国 a p l 6 5 0 钢制焊接石油储罐规范，一般坡度取值在1 5 - 3 之间，如图2 - 4 。 图2 _ 4 罐底板坡度简图 f i g2 - 4 s c h e m a t i co fs l o p ea tt h eb o t t o mo ft a n k 2 2 4 罐底钢板的尺寸选择 环形底板的厚度根据美国a p l 6 5 0 钢制焊接石油储罐规范，其厚度应不小于表 2 2 中所列的厚度加上规定的腐蚀裕量。中幅板的最小公称厚度见表2 3 。 1 3 第二章储油罐结构设计 表2 2 环形罐底板的厚度 t a b l e2 - 2 d e p t ho fa n n u l a rb o t t o mp l a t eo ft a n k 第一层罐壁的公称厚度a 静水压试验时第一层罐壁上的应力b ( m p a ) 表2 - 3 中幅板最小公称厚度 t a b l e 2 3m i n i m u mn o m i n a ld e p t ho fm i d d l ep l a t e 储罐内径( m )中幅板最小公称厚度( m m ) d 1 2 1 2 9 4 r a m 。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 4 壁板公称厚度的最小值 t a b l e2 - 4m i n i m u mv a l u eo fn o m i n a lt h i c k n e s so fp l a t e 罐体公称直径 罐擎板公称厚度 对于储罐设计【1 1 】，世界上常用的储罐设计规范有美国石油学会标准a p l 6 5 0 ( ( w e l d e d s t e e lt a n k sf o ro i ls t o r a g e ) ) 、国家标准g b 5 0 3 4 1 2 0 0 3 立式圆筒形钢制焊接油罐设计 规范和中国石化行业标准s h 。3 0 4 6 石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范。 以下就a p l 6 5 0 中罐壁的强度计算方法：变设计点法做简单介绍。 变设计点法【2 4 1 ，即考虑了罐底板的约束对罐壁受力影响，同时也考虑了较厚的下层 罐壁对较薄的上层罐壁的影响，即所谓的“有利约束”，是每层罐壁板的最大环向应力点， 其关键就是要找到各层罐壁板的最大环向应力点，合理的确定各层罐壁的厚度，使每一 层罐壁中的应力分布趋于均布，并接近于计算罐壁时采用的许用应力值，这样便充分利 用了罐壁钢板厚度，挖掘材料潜力，节省材料。 此方法已被a p l 6 5 0 收录用于计算l h s l 0 0 0 6 的储罐采用的计算方法。 ( 式中， l = ( d t 2 ) n 5 ，m ；d 为储油罐直径，m ；t 为底层罐壁厚度，i 1 1 1 1 ；h 最大设计液位， m 。) 。而s h 3 0 4 6 9 2 和g b 5 0 3 4 1 2 0 0 3 均没有收录此计算方法。 2 3 2 储油罐壁厚设计 由2 1 1 可知，当储油罐直径d = 1 0 0 m ，h = 2 2 3 6 m ，最底层罐壁厚度在很大范围变 化时，l h s l 0 0 0 6 ，故满足“变点设计法”的要求。对于石油工业用水下储油罐，由于大 多数油品腐蚀性较小，一般不考虑腐蚀裕量或只考虑大气和海水腐蚀。对不锈钢，当介 质的腐蚀性极微时，腐蚀裕量取为0 。根据a p l 6 5 0 附录k ( “变点设计法”求解罐壁厚 度) 确定储油罐罐壁外壳体钢板厚度( 3 5 j f j 钢) ，相关参数值：储液比重g ，o 8 5 ：储罐 直径d ，1 0 0 m ：腐蚀裕量c a ，0 0 m m ：储罐总高度h ， 2 6 4 m ：罐壁层数，1 1 ；试 验许用应力s ，2 0 8 m p a ；底层罐壁高度h l ，2 4 0 0 m m ：储罐公称半径r ，5 0 0 0 0 m m 。 得到储油罐罐壁外壳体钢板厚度如下表2 5 。 1 5 第二章储油罐结构设计 表2 - 5 按“变点设计法”计算的储油罐罐壁钢板厚度 t a b l e2 - 5t h i c k n e s so fs t e e lp l a t eo fs t o r a g et a n kc a c u l a t e db yv a r i a b l ed e s i g np o i n tm e t h o d 各层壁板计算厚度选j j 厚度( m m ) l2345678 91 01 l 6 0 0 86 0 0 34 6 7 74 3 7 93 6 4 531 5 62 5 6 72 0 5 31 3 4