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常压立式储罐强度评价技术研究 摘要 近一、二十年来油罐的设计及施工技术较过去都有了更快的发展由于原油储备量的增加，就 迫使许多国家需要建造更多，更大的油罐。这一经济需求促使了油罐事业的发展，有越来越多的工程 技术人员从事油罐的设计，研究工作与此同时，随着油罐的大型化，也对实践提出了越来越多的 新要求，随着这些课题的研究和解决，油罐的设计与施工得到了进一步的发展和深化 尽管近几年来我国的储罐建设，不论是储罐的容积、数量，还是国产化水平，都有了很大的发展。 但随着储罐的大型化，在给人们带来了一些利益的同时，也随带来了一些技术问题。对于应用最为 广泛的立式储罐进行综合评价技术研究正好适应了我国当前储罐发展建设的形势，通过对影响储罐 强度的各种因素的分析研究，使储罐的制造不仅满足基本要求，而且可以提高综合经济性，其意义 就显而易见了 本论文通过对研究储罐的设计方法，从理论上分析了基础和壁厚的变化对储罐强度的影响，着 重分析了罐底、罐壁和罐顶的受力状况，使大家对储罐的受力状况有了充分的了解。并提出了一些 解决方法最后又详细介绍了软件的制作过程及其使用方法，以及一些重点难点的解决方法 关键词：强度评价；储罐；受力分析；设计准则 跏d y 蛐s t r e n g t he v a l u a t i o nt e e l a n i c l u e so f n o r m l lp r e s s u r et a n k i nr e c e n ty e a r s , t a n kd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e sh a v eaf a s t e rd e v e l o p m e n tt h a ni nt h ep a s t d u et ot h ev o l u m eo f e l u d eo i ll b j e r v e s , m a n ye o t m t r i e sw mf o r c e dt ob u i l dm o a n db i g g e rt a n k t h e e c o n o m yr e q u i r e m e n tp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to f t h ec l o f t a n k a ni n c r e a s i n gm b e ro f e n g i n e e r i n g a n dt e c h n i c a lp e r s o r a l e li nt h et a n kd e s i g n , r e s e a 忧h a tt h i st i m ew i t hal a r g eo fo i lt a n k , t h ep i a c 缸h a s r e c e i v e d 觚i n c r e a s i n gn u m b e ro f n e wi s s u e s , w i t hd m i s s u e sr e s o l v e da n dt h es t u a y , t h et a n kd e s i g na n d e o m - m 删o nh a sb e e nf u l t h e l d e v e l o p i n ga n dd e q n i n 吕 a l t l l o u g hi nr e c e n ty e a r sc h i r a ) st a n k , f i l et a n ki sb o t hv o l u m e s , q u a n t i t i e s , a n dt h ed o m e s l i cl e v e l ，h a v e h a d1 1g r e a td e v e l o p m e n t b u tw i t ht h el a r g eo fo i l 触n o to n l yt ob r i n gs o m eb e n e f i t s , b u ta l s ob r i n g s w i t hs o i j i t e c h n i c a lp r o b l e m s s t u d y0 1 1m o s tw i d e l yu s e do f t l a ev e r t i c a lt m kc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t e c h n o l o g yi sa d a p t e dt ot h ea 瑚i td e v e l o p m e n ta n dc o n s l l 删o l r lo ft h eo i lt a n ks i t u a t i o n w i t ht a n k a f f e c t e db yt h es t r e n g t ho ft h ev a l i o i i sf a c t o i sa n a l y s i s , t h et a n km a n u f a c t u r e r sw i l ln o to n l ys e t t l ef o rt h e h a s i er e q u i r e m e n t s , b u t 锄i n c r e a s et h eo v e r a l le 饯加o m y a n di t ss i g n i f i c a n c ei so b v i o u s l y h t h ep a p e f ，t h e i l l a i l w o r k i ss t u d i e s o f t h e t a n k d e s i g n , a t h e o r e t i c a la n a l y s i s b a s e d o i l t h i c k n e s s a n d f l l c c h a n g e si nt h es t r e n g t ho f t h et a n k , a n df o c u s e d0 1 1a n a l y s i sf i l em e c h a n i c sc o n d i t i o no f t h et a n kb o t t o m , l a n kt o pw a l l t h e r e f o r ew e 啪h a v e 伽m d e r s m c t i n go fm e c l m i c sc o n d i t i o no f t h et a n k a tl a s t , i ta l s o a n a l y s i st h ep r o c e s so f p r o d u c i n gs o f t w a r ea n di t sl l ，d 蜘n eo f t h ek e yp r o b l e m sa n ds o l u t i o n s i 畸w o l r d l s - i n t e n s i o ne s t i m a t e ；o i ll a n k ；m e c h a n i c s a n a l y s e s ；d e s i g nr u l e 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均巳在文中作了 明确说明并表示谢意。 作者签名：缉之日期：丝2 1 ：! ： 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的 惟敝在鬟黧篡琉学位论文作者签名：彳掰多 日期：。一7 6 口 导师签名： 日期： 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 1 储罐的种类 弓i 言 化工设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是化工、炼油、轻工、交通、食品、 制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备。一些高新技术领域， 如航空航天技术、能源技术、先进防御技术等，也离不开化工设备。 储罐属于化工设备储存设备的一种，该设备主要用于盛装生产用的原材料气体、液 体、液化气体等。它的种类一般是按照其几何形状来划分的，通常可分为三大类，即立 式储罐、卧式储罐和球罐。其中立式储罐大多数为圆筒形，应用也最为广泛。卧式储罐 常作为小容器使用【l l 。球罐用于储存液化气，其设计一般翅i 在受压容器范围内。 立式圆柱形储罐，根据其顶部结构的不同又可以分为：无力矩顶储罐、拱顶储罐、 锥顶储罐、浮顶储罐、内浮顶储罐等五种。目前，拱项储罐及浮顶储罐应用最为广泛。 拱项罐是指罐顶为球冠状，罐体为圆柱形的一种容器，其罐顶由厚度4 - 6 r a m 的压 制薄钢板和加强筋组成。这种罐项的优点是施工容易，造价低。其缺点是：与浮项罐相 比油气损耗较大；因中间无支撑，罐项的直径受到一定限制。目前其在国内外石油化工 部门应用较为广泛，国内拱顶罐的最大容积已达3 万m 3 ，最常用的容积为l 万立方米 以下f 2 】。 浮项罐由浮在罐内液体介质表面上的浮顶和立式圆筒形罐壁所构成其罐顶可随油 品的收发而上下浮动。在浮顶与罐内壁之间的环行空间有随着浮顶上下浮动的密封装 置。因为这种油罐几乎全部消灭了气体空间，从而大大减少了油品的蒸发损耗。此外， 这种油罐的顶部与其它固定罐顶相比，在设计时其结构易于处理，由罐项的自重受储液 支承，其受力状况良好，故大型油罐大多采用浮顶油罐p 】 内浮顶罐是顶为拱顶和浮顶的结合，外部为拱顶，内部为浮顶。内部的浮项可减少 油品的蒸发损耗，外部的拱顶可防止雨水、尘土等进入罐内。这种罐主要用来储存航空 汽油、航空煤油等，在国内外有日趋推广的趋势，且采用它来储存车用汽油 4 1 。 锥顶罐的罐项为圆锥形，坡度为1 ：2 0 - - - i ：4 0 。根据油罐直径的大小，顶部可设计 成自支承式、粱柱式或桁架式。这种类型的油罐在五十年代曾得到广泛的应用，但近多 年来已很少建造了。锥顶罐与拱顶罐相比，有采用钢型种类多，结构比较复杂，施工比 较困难等缺点。 无力矩罐它是根据悬链线理论用薄钢板和中心柱组成的。组成罐顶的每块薄钢板都 做成扇形，两端分别支于中心柱和罐壁的上周边处，形成一悬链形曲线。在这种情况下， 在薄板中只有拉应力而无弯曲应力，故称无矩油罐。这种油罐五十年代由苏联传至我国， 曾度得到较广泛的应用，并将1 0 0 - 5 0 0 0m 3 的油罐做成标准设计这种油罐由于在悬 链的最低点易积存雨水而遭锈蚀，目前已逐渐为拱顶罐所代替，现已很少再建。 第一章引言 1 2 大型储罐国内外建设现状及发展 随着我国石油化工工业的发展，油罐的设计施工技术日趋提高，特别是十万立方米 一下的储油罐的设计、施工技术已非常成熟，基本形成了一整套的设计系列和配套的施 工方案。但是在近几年储罐建造中所使用的设计、施工技术没有新的突破和发掌。随着 国民经济的飞速发展和国家原油战略储备库项目的实施，大型储罐的建造逐年迅速增 加，因此，尽快提高我们建造大型储罐的技术水平就成为当务之急【习。 大型油罐的形式主要有地上油罐、地下或半地下油罐、海上漂浮油罐以及利用天然 洞穴改造的岩洞式油罐【6 1 。后三种形式的大型油罐在国内很少使用。地上大型油罐的主 要形式为外浮顶油罐。 采用大型外浮顶油罐具有节约钢材、减少占地面积、减少油罐附件、方便操作管理 和节省投资等优点【7 】【8 1 1 、大型化有利于节约钢材 表卜l 是根据胜利油田设计院所设计的油罐系列设计的。 ，表i - 1油罐单位容积所需金属净重 油罐容积( o )储罐形式单位容积金属净重 ( k g m 3 ) 由表卜1 可以看出，储油罐容积越大，单位容积耗钢量就越小，就越节省钢材。 2 、大型化由利于减少占地面积 油罐占地面积对油库尤其是炼油厂的大型化具有十分重要的意义。罐区占地面积不 仅要满足防火堤有效容积的需求，而且罐与罐之间还必须满足防火间距的要求。按现行 储罐区防火规范，在油库储备能力不变的情况下，几台大型油罐与多台小罐成组排列相 比所需占地面积要省得多。我国的土地资源十分紧张，建设用地价格连年攀升，以小规 格储罐来满足大库容是不可想象的。 。 3 、大型化有利于节约油罐附件 在总罐容不变的情况下，增大单台罐容可减少油罐台数，并相应减少管道、配件、 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 仪表和阀门的用量，同时也增加了泄漏点。 4 、大型化便于操作维护管理 大罐在操作、检尺、维护和消防等方面都比较方便。 5 、大型化有利于降低呼吸损耗 油罐的呼吸损耗主要是浮盘与罐壁的密封处。在总罐容一定的情况下，单台罐容增 大，油罐台数减少，密封带的总长度缩短，泄漏点就会减少。同时，在总罐容一定时， 浮盘与罐壁的表面积越小，热损耗就越小第三，由于浮顶的存在，将储液与空气完全 隔离开来，从而大大减少了原油中的轻组分的挥发损失，既避免了有用能源的白白浪费， 又减少了对环境的污染，对保护环境和减少火灾危险都具有现实意义。 由以上可以看出，油罐的大型化后在耗钢量、占地、仪表阀门都有明显优势，不仅 节省投资，而且方便管理维护，无论在国外或国内均极具发展前途。这也是油罐大型化 成为必然趋势的又一动力1 9 】。目前油库的结构由油罐的小而多变为大而少，这一点也是 衡量一个国家油罐设计、研究、建造的技术水平高低的一个尺度。 早在2 0 世纪6 0 年代，在西欧、中东、日本等地均已建造了1 0 万m 3 的大型浮顶油 罐，1 9 6 2 年美国芝加哥桥梁公司首先建成了1 0 万m 3 浮项油罐，直径8 7 m ，高约2 1 m ； 1 9 6 4 年壳牌石油公司在欧洲建成了1 0 万m 3 的浮顶储罐：1 9 6 7 年委内瑞拉建成1 5 万 m 3 的浮顶储罐，直径11 5 m ，高约1 4 6 m 。日本发展属后来居上，1 9 6 5 年建成了1 0 万 m 3 的浮顶储罐，1 9 7 1 年建成了1 6 万m 3 的浮顶储罐，直径l l o m ，高约2 2 5 m 。目前世 界上最大的地上浮项油罐为2 4 万一。 自2 0 世纪6 0 年代大庆油田发展以来，我国的石油储罐建设也随之有了迅速发展， 不但建造了许多较大直径的油罐，而且随着当时社会环境要求建造了地下油罐或半地下 油罐。 2 0 世纪7 0 年代后期到2 0 世纪8 0 年代，我国政治经济形势发生了翻天覆地的变化， 石油工业也迅猛发展，储罐建设随之发生了巨大的变化。首先，从分布地域上来看，原 来的油气田及炼油厂，石油化工厂在内地，油罐也建在内地，随着改革开放政策的实施， 我国石油进出口量增大，再加上海上石油的开采，使石油储罐建设在沿海得到迅速发展。 其次，储罐的容积也不断向大型化发展，1 9 7 5 年国内建成了首台5 万n ，浮顶油罐，1 9 8 5 年从日本引进l o 万立方米浮顶罐的设计和施工技术并在秦皇岛建造之后，陆续又引进 建造了2 0 多台1 0 万立方米浮顶罐，并且开始研制大型储罐用国产钢材。从9 0 年代至 今，又先后在大庆、仪征、铁岭、黄岛、大连等地建造了数十台l o 万m 3 的浮顶油罐， 大部分采用日本j i s b 8 5 0 1 标准l 瑚。见表1 2 3 第一章引言 表1 2 国内大型油罐建设情况表 从施工角度来看，尽管我国根据日本及有关国家的规范，结合我国具体情况，首创 了各种大型储罐的施工方法，但是，在大型储罐的自动焊设备方面，目前尚不过关，特 别是与引进的高强钢板相匹配的自动焊丝，尚依赖进口，这是今后我们建造大型储罐所 必须解决的课题【l l lf 1 2 1 。 1 3 常压立式储罐设计要求及综合评价的意义 1 3 1 选题意义 储罐在国民经济中所起的作用是无可替代的，不仅石油、化工、国防、交通运输等 领域，甚至我们的日常生活，均离不开大大小小的储罐，特别是石油化工企业，没有储 罐，就无法生产。储罐是储备原料油及成品油的专用设备。无论是大陆或海洋开采的原 油，还是炼油厂加工炼制的成品油，不论是长输管道的泵站、运销油库和军用油料油库， 还是国家物资储备与战略储备，都需要建设储油设旖，都离不开各种容量和类型的储罐。 有“工业血液”之称的石油对世界经济的影响举族轻重，从2 0 世纪6 0 年代起，石 油在世界能源消费中的比例已经上升到4 0 以上，目前人类对石油的依赖是其它能源无 法替代的。在世界石油已探明的可采储量中，在中东、美洲、非洲、俄罗斯和亚太地区 分别占6 8 、1 4 、7 、4 8 、4 7 。在我国，随着石油石化行业的迅猛发展，对 进口原油的需求量也不断增大。八五”以来我国原油产量年均增长仅1 7 ，而石油消 费量年均增长达4 9 ，自1 9 9 3 年开始，我国已成为纯石油进口国。1 9 9 3 年我国进口 原油、成品油总量达3 3 0 5 万吨，1 9 9 7 年达到5 9 2 7 万吨，到2 0 0 0 年进口量更是达到了 7 0 0 0 万吨，占当年消费总量的3 0 。，据有关部门预测2 0 1 0 年和2 0 2 0 年我国石油需求 量分别达到2 9 亿吨和3 9 亿吨左右，单同期国内原浊产量约为1 7 亿吨秘1 8 亿吨， 相应的石油供需缺口为1 2 亿吨和2 1 亿吨左右。因此，扩大我国石油储运能力，增加 石油储备己刻不容缓。 改革开放以来，随着我国与世界各国交往的增多，我国的石油进出口量也巨增，由 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 于海运是石油运输的主要方式，所以除在沿海口岸建造停泊大型油轮的码头之外，尚须 建造规模较大的储油中转设施，大型储罐则是其中最重要的设备。因此可以说，储罐的 应用已扩展到全国许多行业，与我国国民经济的发展直接相联系【1 3 1 。 尽管近几年来我国的储罐建设，不论是储罐的容积、数量，还是国产化水平，都有 了很大的发展，但随着储罐的大型化，不仅给人们带来了一些利益，也随带来了一些技 术问题和潜在的危险，而对于这些课题的研究和解决就提到日程。对于应用最为广泛的 立式储罐的综合评价技术研究正好适应了我国当前储罐发展建设的形势，通过对影响储 罐强度的各种因素的分析研究，使储罐的制造不仅满足基本要求，而且可以防止环境污 染避免发生重特大事故。 1 3 2 本文主要研究内容 对储罐的基本要求有以下五个方面： 1 、强度要求。储罐在卸载以后不应留下塑性变形。 2 、有抵抗断裂的能力。无论在水压试验或操作状况下，储罐不得产生断裂破坏。 3 、有抵抗风荷的能力。在整个建造及使用期间，在建罐地区的最大风载下不产生 破坏。 4 、有抗地震的能力要求在整个使用期间内，在建罐地区的最大地震烈度下不产 生破坏。 5 、储罐要座落在稳固的基础之上。储罐基础在整个使用期间的不均匀沉陷要在允 许的范围之内。 上述基本要求是就总体而言的，具体的某一构件还是有其各自的特殊要求【1 4 1 。 在设计时通常是根据设计压力初步确定容器壳体的厚度后，再对其所受载荷和作 ，用力产生的应力进行强度或稳定性校核计算确定是否满足以上的基本要求。 本文基于上述储罐的设计要求，本文的研究内容如下： l 、储罐设计方法分析。 2 、储罐基础设计对强度的影响分析。 3 、储罐壁厚变化对储罐强度的影响分析。 一4 、罐顶对储罐强度的影响分析。 5 、储罐强度影响因素分析软件编制。 第二章储罐罐壁设计方法 2 1 储罐结构及设计 2 1 1 储罐基本结构 第二章储罐罐壁设计方法 常压立式圆柱形拱顶储罐一般由以下几部分组成： 1 、罐底 罐底由多块薄钢板拼装而成，罐底中部钢板称为中幅板，周边的钢板称为边缘板( 边 板) 边缘板可采用条型板，也可采用弓形板，依储罐的直径、储量及与底板相焊接的 第一节壁板的材质而定。一般说来，储罐的内径( 1 6 5 m 时，罐底周边宜采用条形边缘 板；储罐内径1 6 5 m 时，罐底周边宜采用弓形边缘板。当储罐内径) 3 0 m 时，沿半径 方向最小尺寸应i 1 5 0 0m m ；当储罐内径3 0 m 时，沿半径方向最小尺寸不得小于7 0 0 m 。 2 、罐壁 罐壁由多圈钢板组对焊接而成，分为套筒式及直线式两种，因直线式罐壁受力较好 应用广泛。 罐壁钢板的厚度沿罐的高度自上而下逐渐减小，最小厚度为4 _ 6 衄。最上一层壁板 与顶部角钢圈通过两条环缝相联。但应注意，当为弱顶结构时，顶板与角钢的环形焊缝 应严格按设计要求旌焊，且内侧不得焊接。 3 、罐顶 罐顶结构分柜式桁架结构及球冠形拱项结构。采用桁架结构罐顶的储罐，最大容积 已达到5 0 0 0 m 3 。 拱顶储罐的罐顶是由多块扇形板构成的，为了增加顶板的钢度，在其背面( 罐顶内 侧) 焊加强筋。各扇形顶板之间采用搭接焊缝，整个罐顶或罐壁板上部的角钢圈相互焊 接。 2 1 2 储罐结构设计 1 、根据给定的设计条件确定采用储罐的形式【1 5 】。 2 、储罐钢材的选择 由强度决定的罐壁、罐底的边板、开口接管、补强板等原则上应选择同一种钢材。 按照我国目前通常的设计，2 万、3 万、5 万、1 0 万立方米储罐，由强度决定的罐壁部 分一律采用1 6 m n r 钢板，由钢性决定的罐壁部分采用q 2 3 5 钢板。由1 0 0 0 至1 万立方米 的小型油罐，由强度决定的罐壁部分，根据用途及建罐地区最低日平均温度，一般可采 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 用q 2 3 5 。 3 、拱顶设计 拱顶是一种直支承式的罐项，形状近似球面，其周边支承于包边角钢上，球面由中 心盖扳和瓜皮扳组成，瓜皮板一般取为偶数，对称安排，板与板之间互相搭接，搭接宽 度不小于5 倍板厚，且不小于2 5 哪，实际搭接宽度多采用4 0 皿。搭接的瓜皮板在外侧 采用连续焊，内侧用间断焊。中心盖板搭在瓜皮板上，搭接宽度一般取5 0 叫。 因为在气体压力作用下，球顶与罐壁厚度相等时，球项的强度为直径立式圆柱形罐 壁强度的2 倍。为取得等强度，球顶直径应是罐壁直径的2 倍，即取球顶的曲率半径r 等于油罐直径d ，一般取球顶曲率半径与油罐直径的差值不超过2 0 。即 r = ( 8 1 2 ) d ( 2 一1 ) 式( 2 一1 ) 中，r 拱顶球面曲率半径，i n t o 。 d 一浊罐内直径，m m 。 如罐壁环缝采用搭接时，则d 为最上一圈壁板的内径。 4 、罐底设计 对于罐底板的排列形式，主要是考虑使其焊接变形最小，易于旖工，以及节约钢材 等因素来决定。 罐底板的中幅板厚度应考虑腐蚀余量、油罐大小和基础特点等因素予以选取，但一 般不小于4h i m 。边板的厚度与底圈罐壁厚度有关，因此可根据底圈罐壁厚度选用。 罐底边缘板伸出罐壁外表面的宽度取边缘板厚度的6 倍左右，且不得小于4 0m m ， 不得大于8 0 咖。 。 罐底板的接缝除弓形边缘板之间为对接外其余全为搭接，搭接长度应大于5 倍板厚 且不小于2 5 咖，弓形边缘板与中幅板的搭接宽度应不小于6 0 咖。 5 、储罐基础设计 储罐基础的设计与普通基础设计一样，必须满足这样几个条件：不被压坏；( d 点沉陷量不超过允许范围；( d 避免不均匀沉陷。因此当设计储罐基础时，便应从地基 的强度和变形，亦即地基的承载能力和沉陷量两个方面加以研究 当两个条件都满足时，便可采用直接将储罐基础建于地基上的作法。若其中有个 条件不满足时，便应考虑采取适当措施，例如采取桩基或进行地基改良。 6 、储罐附件的设计 为保证储罐安全正常储油和进行各项操作，储罐除罐体外，还设有一些附件。这些 储罐附件，一部分已列入“储罐附件定型系列”，如人孔、透光孔、清扫孔、液压安全 阀、空气泡沫产生器、防火呼吸阀等。凡属定型系列的储罐附件在设计选用、加工时， 按该系列选购即可。不属定型系列的附件如梯子、栏杆、量油孔、放水底阀、进出油短 管、避雷针与接地体等根据罐体的整体结构来进行设计。 7 第二章储罐罐壁设计方法 2 2 储罐罐壁设计 2 2 1 罐壁强度设计方法对比分析 储罐罐壁承受的储液静压力如图2 一l 所示，工程设计中罐壁厚度按静液压在罐壁 中产生的最大环向应力确定。每一层罐壁钢板的厚度可根据罐壁板承受的最大应力计算 得出从图2 1 可知各层罐壁板承受的压力是梯形分布的，由于罐壁板在钢板规格宽度 范围内厚度不变，因此各层罐壁板宽度范围内应力的分布是不均匀的，从理论上来说最 大应力点应在每层罐壁板的下端；其上段区域内应力较小，但其下端由于受到下层罐壁 板的影喃，使每层罐壁板的最大应力点位置上移。由此，罐壁板的厚度不是按每层罐壁 板下端的应力决定，而是按罐壁板下端向上一定距离的最大应力点处的静液压计算得出 的。此种罐壁厚度计算方法称之为“定设计点法”1 1 6 1 。 储液静压力储液 r 一r 一 鍪 - 图2 - - 1 罐呶受的储液静压力 对于大型储罐，随着储罐直径的增大，罐壁种的环向最大应力点逐渐上移，底层罐 壁中的最大应力点甚至已落到了第二层壁板上，而且上部各层罐壁的应力偏低。因此如 果能计算出每层罐壁板中最大应力点的位置，再按此位置确定罐壁板的厚度就会得到比 较精确合理的结果。此神设计方法称之为“变设计点法”【】7 l 。 从表2 一l 中可以看出，各个规范的计算公式都是以薄膜理论中的环向应力推导而 得，只是在焊缝系数，许用应力取值上存在差别。 设计方法方面除美国a p l 6 5 0 标准中给出了“变设计点法”进行罐壁厚度计算外， 我国行业标准s h 3 0 4 6 、日本规范y i s b 8 5 0 1 、英国规范b s 2 6 5 4 等均采用设计点法或对 定设计点法做了修正。 我国石化行业标准s h 3 0 4 6 参考了美国的a p l 6 5 0 和英国的b s 2 6 5 4 标准，并结合了 我国国内的实际情况，焊缝系数取值为0 9 ，计算结果是四个规范中最保守的1 1 8 1 日本标准j i s b 9 5 0 1 特别规定；底层罐壁板焊缝系数取值0 8 5 ，而其它层焊缝系数 8 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 取值为1 0 ，且许用应力取值较高，因此计算得出的罐壁板厚度底层较厚，而其它各层 较薄，从而导致底层罐壁应力较低，第二层以上罐壁应力较高，应力分布变化较大。 美国a p l 6 5 0 标准规定直径大于6 0 m 时采用“变设计点法”，其焊缝系数取值为1 0 ， 许用应力取值较低。“变设计点法”考虑了下层厚壁板对上层薄壁板的影响，及所谓的 。有利约束”的影响，使每层罐壁板的最大环向应力点上移。变设计点法”的关键是 要找到各层罐壁板的最大环向应力点，从而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，并接近于计算壁厚时采用的许用应力值，达到节省材料的目的 【1 9 1 。 表2 - 1 罐壁计算公式比较 综上所述，大型储罐的罐壁板厚度计算应按a p l 6 5 04 变设计点法”设计计算，这 样便可以在满足实际需要的情况下，得到比较精确的结果，从而减少钢材消耗量，降低 投资。， 9 第二章储罐罐壁设计方法 2 2 2 罐壁风力稳定性对比分析 随着油罐的大型化和采用高强度钢材，罐壁与罐径之比相对减小，油罐的抗风稳定 性越来越差。过去，小型油罐往往只在项部加设抗风圈就足够了，而现在对大型油罐， 除抗风圈外，在抗风圈的下面还需加设一圈或数圈加强圈，否则下部罐壁仍可能被吹瘪。 随着油罐的大型化及罐壁局部被吹瘪的现实，近年来对罐壁的抗风研究加强了，一些研 究成果己用于油罐的设计中，抗风设计主要是以下几点 2 0 】： l 、风载荷分布和计算。、 2 、抗风圈的设计和计算。 3 、加强圈的设计和计算。 大型浮顶储罐没有固定顶盖，为使储罐在风载作用下保持上口圆度，以维持储罐整 体形状，故需要载储罐上部整个圆周上设置一个抗风圈。通常抗风圈设置在离罐顶端一 米左右的外壁上。这样，抗风圈以上的罐壁承受的是张力，没有失稳的危险，但抗风圈 以下的局部罐壁，仍有可能别风吹瘪。为此需设置加强圈。加强圈的功能失在罐壁上形 成节线圈，以提高储罐的抗外压能力。 风力稳定性计算即抗风圈及加强圈的数量及截面模数的选取，四个规范的计算方法 见表2 2 。 表2 2 风力稳定性计算方法比较 s h 3 0 4 6 采用的抗风圈截面模数是根据中国科学院力学研究所的研究成果进一步推 导而来，i p l 6 5 0 和b s 2 6 5 4 的计算方法与计算公式是相同的，按瞬时风速4 5 m s ( 1 0 0 英 里4 , 时) 推导而来j i sb 8 5 0 1 瞬时风速取德较高，是按瞬时风速7 0 m s 推导而来的， 并且它在材料的许用应力取法上与a p l 6 5 0 和b s 2 6 5 4 也不同。 加强圈的计算各规范基本相同，都是以外压短圆筒稳定性计算为基础，设计风压均 1 0 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 取瞬时值，只是在变截面简化时，采用了不同的方法。其中，s h 3 0 4 6 和b s 2 6 5 4 用刚度 理论来确定加强圈的截面模数，而a p l 6 5 0 和j i sb 8 5 0 1 是用强度理论( 和抗风圈相同) 来确定加强圈的截面模数。 由于我国石化标准s h 3 0 4 6 的计算方法是由中国科学院力学研究所根据“风涡试验” 和理论推导而得来，对油罐在风力作用下做过风力稳定试验，比较符合我国国情，同时 有几十年的实践经验，因此风力稳定性计算应按s h 3 0 4 6 ，若采用其它规范，在风载荷的 取法上应慎重，因为它们与我国国内的风载取法并不一致。 2 2 3 储罐的抗震对比分析 油罐属于薄壁结构，内部储存易燃液体，如设计时未充分考虑抗震，则在地震过程 中往往会造成严重灾害。近年来，由于油罐大型化和采用高强度镪两使罐壁减薄，从而 使罐壁的稳定性较差，这就要求油罐的抗震能力应更加予以关注。 抗震设计主要是以下几点【2 l l ： 1 、倾覆力矩的计算； 2 、罐壁压应力的计算； 3 、罐壁l 临界压应力及其校核。 油罐抗震计算有我国的石化标准s h 3 0 4 8 ，美国 p 1 6 5 0 附录e ，j i s1 3 8 5 0 1 附录参 考，英国的b s 2 6 5 4 。其中b s 2 6 5 4 则是结合英国本国情况，等效采用a p l 6 5 0 附录e a p l 6 5 0 和j 1 5b 8 5 0 t 在抗震计算上存在较大差异。主要区剔翅下。 a p l 6 5 0 将罐体惯性力、脉冲压力( 短周期) 和对流压力( 长周期) 所产生的倾覆 力矩进行叠加，来校核罐壁的轴向压缩应力。 j i s8 8 5 0 1 格地震分为加速度型地震和变位型地震，近似认为前者只产生藕连震动 效应，后者只产生液位晃动效应。两种情况不会同时发生，因此完全可以分开来各自验 算罐壁的强度和稳定性而且在加速度型地震验算中考虑了垂直地震的作用陴l 。 a p l 6 5 0 要求只验算底层壁板的压应力，若不满足要求，则上面几层要以相同的比 例增加，否则应对每一层上部壁板底部处的地震倾覆力矩和相应的应力做专门的分析。 j i sb 8 5 0 1 她要求对每一层壁板都进行抗震验算，且分别验算环向拉应力和轴向压 缩应力并对其规定了不同的许用应力。 我国的石化行业标准s h 3 0 4 8 基本借鉴了a p l 6 5 0 的验算方法1 2 3 1 。中国石化总公司 抗震办公室、天津大学、大连理工大学等单位在抗震计算上作了一些研究工作，对一些 算式根据模型蔼友莪国酌奚碌雨丽惩石了丽花丽对藕面茬藉猛否百亍苌面蜀诿 应谱。 根据以上情况对抗震计算应按我国石化标准s h 3 0 4 8 进行。 第二章储罐罐壁设计方法 2 3 油罐设计中关键问题的解决 2 - $ 1 罐顶结构 一台1 3 0 0 0 m 3 的油罐，直径3 3 m ，壁高1 5 3 l ，采用自支撑式拱形项，这种球缺形拱 顶，仅靠其本身外圆来支撑，结构简单，刚性好，能承受较高的剩余内压力由于直径 较大，为解决其稳定性问题，在顶盖内侧焊有径、纬向肋板以增强刚性。对于罐顶与罐 壁包边角钢的连接，目前国内外都要求采用“脆弱”连接，也即“弱顶结构0 这样， 一旦发生事故造成罐内超压时，先将罐顶掀去，使罐内迅速泄压，减小罐体及罐底的破 坏，并防止罐内油品外泄造成更大灾难。 关于弱顶结构，国内s h 3 0 4 6 - 9 2 这样规定：罐顶仅在外圆部分与包边角钢有一连续 焊缝，焊脚高不得大于4 m m ( 仅起密封，固定作用) 。 对于有支柱支承的锥顶，或有固定弯形网壳支承的拱顶，顶板不得与支柱或网壳固 定，项板之闻相焊后，仅在罐顶周边与这包角钢相焊，包边角锶与罐壁和罐顶相连，罐 内液压使其受周向拉力，而罐项则约束其向外伸展，使其承受横向力，因而对包边角钢 有一定的强度要求，图2 2 所示阴影部分为抗压区，其面积应力o o l p d 2 f g 口q 为 设计内压及外压中的较大值) 。 囝2 - - 2 两性较小的包边角钢结构图2 - - 3 刚性较大的包边角钢结构 在a p l 6 5 0 - 8 8 中，对弱顶结构，除作如上规定外，还有以下限制： 1 、顶板与包边角钢连接处的坡度不超过l ：6 ( 即t g8 ( ) 。 0 2 、抗压区组合只能采用类似图2 2 结构，而不得采用类似图2 3 结构( 即刚性 较大的结构) 。 3 、对于包边角钢，除对其有上段提到的强度要求外，还对其尺寸作了限制，即并 不是越大越好。因为a p l 6 5 0 认为，在罐内超压时，顶与罐壁连接处的破坏，通常是包 边角钢先发生屈曲，随后是罐顶板周边4 7 5 嗌高的连续焊缝撕裂，园而抗压区面积不 得超过下式：即彳嘉器( 英寸2 ) ，其中_ 为罐壁和由罐壁与罐顶支撑的所有构件 芒仨臣 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ( 不包括顶板) 的总量单位为磅。对于低压储罐如上述各条中有一条不符，买方应为油 罐提供紧急通气装置口j 。 但在实际设计中，除某些有柱支撑的锥顶罐外，能全部满足上述三条的并不多。如 拱暖罐，按r n _ o 8 1 ，z d 设计，罐顶起视角秽= 3 8 。2 4 。便已超出关于坡度的要求。某 些抗压区结构如图2 - - 4 所示，不仅面积a 远远大于1 3 0 8 0 1 0 t ! g 一0 ( 英寸) 2 ，其结构也不符 合图2 3 要求。而某台3 0 0 0 3 的锥顶罐，抗压区结构如图2 5 所示，也远不满足, 啦! 6 5 0 提出的几点要求，甚至其刚度比国内的同类设计还要大可见，实际生产中，犬部分罐 并没有完全按弱顶结构进行设计。据资料介绍，国外对事故调查表明确有按弱顶结构设 计的大型锥顶罐( 直径巾1 5 0 0 ) 。在罐内着火后，罐顶被整个掀起抛向地面，罐体及罐 底却在原地未受损坏，而另一个包边角刚性很大的罐、着火后整个罐同时离地，抛到3 0 m 高度罐体完全损坏，而罐顶却仍牢固地附于壳体上，可见采用“弱项”结构，对装有易 燃介质的大型储罐是有重要意义瞄j 。 2 3 2 罐内加热 瞪e 图2 5 抗压区结构图2 4 抗压区结构 对于储存高黏度油品为使其有较好的流动性，以便能自流进泵，要求对油品加热， 国内的一般做法是在罐底安装加热盘管由蒸汽将整罐油加热至所需温度( 例如6 0 。c ) 再 从管道输出。罐外则用保温层加以保温。但可以分成二步加热，即罐底的加热盘管先将 油品加热至中间温度( 例如3 0 。c ) ，再由安装在出口的“外流加热器”将油从中间温度 加热至所需的温度输出，外流如热器实为再沸器式u 形管换热器( 见图2 6 ) 。这样一 旦需要输油时可以在短时同内得到6 0 的油，较之将整罐油加热至6 0 1 3 在用保温层保 温要经济的多。 第二章储罐瑶壁设计方法 2 4 本章小节 图2 6u 形管换热器简图 本章主要介绍了储罐罐壁的设计方法，并对储罐罐壁的强度、风力定性及抗震设计 方法进行分析，通过国内外不同的标准进行比较，得出适合我国工况的设计准则。 1 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第三章储罐基础设计对强度的影响分析 3 1 储罐基础特点与设计原剜 储罐基础的特点不同于一般建筑物的基础，下面简单说明储罐基础的特点和 储罐基础的设计原则。 3 1 1 储罐基础的主要特点 1 、对于地基承载力的要求不高。容器为1 0 0 0 - 2 0 0 0 立方米的储罐，罐壁高 度从f i - 1 9 m ；因此，根据储罐容量不同，地基承载力达到8 0 2 0 0 k p a 即可满足要 求。 2 、工艺生产对基础沉降的要求不很严格。储罐基础均匀沉降3 0 - 5 0 锄时， 对工艺生产操作没有什么影响，有的储罐甚至沉降1 5 - 2 m 还在继续使用。 3 、储罐自重与满载时的重量相比，要轻的多。因此，基础的沉降往往要在 试水后或投产经过相当一段时间才能完成。如果地基承载力不足，而在试水期或 投产初期加荷太快，就有可能产生太大的地基变形，甚至破坏。因此，储罐基础 事故往往发生在试水期或投产初期。 4 、储罐本身是柔性结构，在一定程度上能够适应地基的不均匀沉降。但在 设计时要十分重视不均匀沉降对罐体结构的影响。 3 1 2 储罐基础设计原则 1 、地基应能支承罐体和贮油的重量。 2 、地基不均匀沉降不应超过储罐容许值。 3 、基础最终沉降必须满足工艺管道的使用要求。 4 、罐基础应高出地面，以免积水，甚至可能影响使用。 3 - 2 储罐基础型式选择 储罐基础的设计，应根据储罐的类型、容量、生产使用要求、地形、地貌、 地基条件，以及施工技术条件等因素，合理选定基础型式。常用的储罐基础型式 有下面几种f 2 6 j ： 1 、护坡式基础。若地基土的承载力能够满足储罐载荷的要求，且沉降量较 1 5 第三章储罐基础设计对强度的影响 小时，可选用护坡式基础；可采取碎石灌浆护坡、石砌护坡、混凝土护坡等。 2 、环墙式基础。若地基土的承载力能够满足储罐载荷的要求，但沉降量较 大时，可选用碎石环墙式基础。若储罐建造在软土上，或在地震区时，可选用钢 筋混凝士环墙式基础。 3 、外环墙式基础。在软弱地基上建造储罐时，对于容量为2 0 0 0 m 3 以上的浮 顶储罐，可选用外环墙式基础。 4 、特殊构造的基础。若罐内贮存介质的温度为8 0 - - 1 0 0 c 时，对于基础构造 要求作特殊处理。 3 3 储罐宸板受力状况分析 罐底的中问部分，相当予一个铺在弹性基础的薄援，除基础发生了过大沉陷 的情况外，其应力是很低的，但罐底的边缘部分受力情况却十分复杂。储罐充液 后。罐壁在静液柱压力的作用下产生很大的环向应力( 罐壁的厚度就是根据环向 应力确定的) ，此环甸应力使罐壁周向停长，并沿径向向外扩张如图3 1 所示【2 7 l 。 图3 - - 1 罐内充液后底部壁板的 储罐的径向扩张量( r ) 与罐的半径( i d 及所受应力( o r ) 大小有关，即 与所充入的液柱高度有关。可按下式估算 足= r =( 3 1 ) 五 式( 3 1 ) 中，肛储罐径向扩张量，c m 。 r 瞄罐内半径，c m o - 罐壁历受的环向应力。盱a 。 1 6 大庆石油学院工程硬士专业学位论文 e 弹性模量，m p a 。 以5 万m 3 储罐为例：该储罐r 为3 0m ，材质为1 6 m n r 盯s = 3 4 0 m 焊缝系 数伊取值0 9 ，当环向应力妒 盯】= 0 9 x 鲁3 4 0 0 = 2 0 4 m p a 时，其半径扩张量 j 衄：3 0 0 x 墨：2 9 2 锄。 2 x 1 0 根据某油库5 万n 1 3 储罐实测，当罐内水位达到1 8 m 时，在第一道环缝( 距 罐底1 6 m ) 向上4 0 0 m m 处，罐壁周长较空罐时增加1 6 0 m m ，向下4 0 0 m m 处， 周长较空罐时增加1 0 9 m m 。如以1 6 0 m m 计算，相当于a r = 2 5 5 c m 。 罐壁的下端与罐底必须可靠焊接，在这一部分，由于受到罐底的牵制或约束， 而无法沿半径方向胀出，从而发生了如图3 - - 1 所示变形，罐底的应力分布曲线 大致如图3 2 所示。 水使高1 5 l 矿 2 5 5 0 r 5 、步 1 罐底板的径i 句应力 为环冉应力 图3 2 底板应力分布 由图3 - - 2 可以看出，罐底板边缘部位在靠近角缝处的径向应力q 值是很 高的，以2 0 0 0 0 立方米罐为例，实测值为4 4 0m p a ，但略向中心移动其值就迅速 衰减，同样地环向应力衰减也十分迅速。c r r 及均属二次应力，由于限制的 作用，虽然其值超过了屈服极限，也不会造成危险。这是因为对于二次应力可用 两倍的屈服极限进行校核，仍在允许范围之内。 1 7 一 一 一 。 第三章储罐基础设计对强度的影响 3 4 储罐地基容许倾斜值对储罐强度的影响分析 3 4 1 储罐基础变形和倾斜的主要因素 圆形储罐基础的地基的变形特性，应包括基础的最大沉降量、最小沉降量、 平均沉降量、相对倾斜、周围土的地面沉降、地基土的深层沉降及土的侧向变形、 圆形储罐底板变形等等。但直接影响大型储罐的使用功能是沉降量和倾斜。储罐 如果事先估计会产生较大的沉降，一般可以采取预先抬高基础安装标高，或采用 事先在储罐内充水，预压地基，使大量的基础沉降在未投产前完成，回时可采用 柔性管道连接储罐等方法获得解决。但基础的倾斜是直接影响到储罐的生产使 用，在万不得己的情况，往往只好采用顶升调整法来纠正大型储罐的倾斜。所以 对大型储罐来说，控制基础的倾斜是关键。根据大量的实际观测，了解到影响大 型储罐基础倾斜的因素是多方面的，概括起来有以下几个原因。 l 、储罐内加载荷速率的快慢，直接影响基础的倾斜。 2 、建造场地土质的不均匀性，其中包括土层