网壳拱顶在大型固定顶储罐中的应用.docx

网壳拱顶在大型固定顶储罐中的应用3锋黄(金陵石油化工设计院, 南京, 210042)摘 要: 通过对目前常见网壳拱顶的结构分析, 认为网壳拱顶在大型固定顶储罐具有较高的推广价值; 着重介绍了经纬型网壳拱顶的结构、计算方法及工程应用。建议有关部门尽早制定网壳拱顶结构的相关标准规范, 使此种 技术能在工程上得以进一步的应用推广。关键词: 网壳拱顶固定顶储罐结构设计工程应用中图分类号: TU 249. 9文献标识码: A文章编号: 1007- 7537 (2000) 03- 0039- 04固定顶储罐常用的罐顶结构大致有锥顶、无力矩顶、拱顶 3 种类型。拱顶储罐以其优良的强度 和刚度及便于安装等原因, 已成为国内最常用的 罐顶结构。随着工业与经济的发展, 生产装置日趋大型 化, 储罐单罐的容量也不断增大, 传统的拱顶结构 通常采用的板式或板肋式结构, 当储罐直径大于32 m 时, 其在受力性能、材料用量方面已不能适 应发展的需要, SH 3046 - 92石油化工立式圆筒 形钢制焊接储罐设计规范附录四对此也作了明确的规定。 因此, 在大型和特大型固定顶储罐中, 寻找新的、更合理的罐顶结构型式已势在必行。在 国外, 从 50 年代起, 各种型式的网壳拱顶结构在 石油储运及建筑业就开始大量使用。目前, 在西方 发达国家, 大约有 85% 的大型储罐罐顶均采用了 不同型式的网壳拱顶结构。 从 80 年代起, 网壳拱 顶结构开始在我国得到了运用, 并取得了显著的 经济效益和社会效益。 本文将介绍网壳拱顶的结 构、计算方法及其工程实例。形状构成, 它是承受操作负压、雪载荷、检修荷载及结构质量的主要受力结构; 边环是承受网壳边 缘力及将顶盖与罐壁连接起来的环形构件; 蒙皮承受操作正压并起密封作用, 其与网壳之间不连接, 这与传统的板肋式结构有着本质的区别, 因 此, 蒙皮厚度可按有关标准中规定的最小厚度选 取, 从而降低了罐顶单位投影面积的钢材用量。近几年来国内常用的网壳拱顶结构主要有两图 1 双向子午线型网壳F ig. 1 D o ub le m e r id ian dom e种: 一种是双向子午线单层网壳结构, 如图 1 所 示。它是由两组子午线杆件相交而成, 每根网杆为 连续曲杆, 曲率半径均为球半径, 加工简便, 网杆 交点只需采用搭接角焊, 不需要机加工专用节点; 另一种是由一系列杆件按三角形排列, 用专用节 点连接成的网壳结构, 称为短程线网壳结构, 如图网壳拱顶的结构型式1网壳是网状壳体的简称, 网壳结构是从近代大型建筑物的屋顶结构借鉴过来的。 对于应用在 固定顶储罐上的网壳拱顶是由蒙皮、网壳和边环3 部分组成。 网壳是由一系列杆件按一定的网格 收稿日期: 19992122153 作者介绍: 黄锋( 1963 年生) , 男, 浙江余姚, 工程师, 学士, 从事石油化工设备设计工作。40南 京化工大学学报第 22 卷图 2F ig. 2短程线型网壳Geo de sic dom e图 3F ig. 3经纬线型网壳杆件布置图R af te r s a r rangem en t fo r th elo ng itud ina l- la t itud ina l la t t ice dom e2 所示。其特点是受力性能良好, 刚度大, 安全性好; 结构质量轻, 经济指标好, 和其它网壳结构相 比, 跨度越大, 其所用材料量越少1 ; 杆件、节点可 在工厂制作, 安装方便, 施工周期短, 现场无焊接 工作量。除上述两种网壳结构外, 另一种网壳拱顶结构经纬型网壳结构, 在国外被广泛用作大型 固定顶储罐的顶盖。该种拱顶结构由蒙皮、网壳及 中心圆环 3 部分组成。 网壳是由一组连续的子午 线杆件构成, 杆件一端与中心圆环相连, 另一端支 承在与罐壁相连的支耳上, 在两杆件之间, 环向杆件与之相连。网壳另有数组斜撑, 起加强兼作抗风 作用。该结构在国内运用不多, 但同国内现在广泛 使用的板肋式拱顶结构比较接近。 所不同的只是 板肋式拱顶中的肋条是与顶板相连的, 与罐壁不 相连, 肋条与顶板共同作为承载元件; 而网壳是支承在罐壁上的, 是主要的承载元件, 顶板 ( 蒙皮) 主 要起密封作用, 其与网壳不相连, 与包边角钢相 焊, 并保证为弱顶结构。 蒙皮如采用人字形排列, 还可降低材料的损耗。该结构具有施工简单, 制作 安装费用低廉等特点。图 3、4、5 为该结构的罐顶示例 ( 储罐直径 D= 32 m , 曲率半径 R = 1. 2 D )。1996 年, 金陵石化设计院在消化吸收国外同 类型结构的基础上, 设计了 4 台 13 000 m 3 ( 直径为 36 m ) 的固定顶储罐, 使用至今, 运行良好。图 4 杆件与罐壁连接图F ig. 4 Co nnec t io n o f raf te r w ith sh e ll图 5 杆件与中心圆环连接图F ig. 5 Co nnec t io n o f raf te r w ith th e cen t re r ing假设子午线主梁总数为 n , 它们可用横穿直 径的圆弧来表示, 则圆弧数 n 2 为 n /2。设作用在罐 顶上的总载荷为W t , 则作用在每条弧上的荷载W经纬型网壳拱顶结构的设计2经纬型网壳拱顶有着多种计算方法2 , 现将某工程公司对此结构主梁的计算作一介绍。为:W = W t /n 1第 3 期黄 锋: 网壳拱顶在大型固定顶储罐中的应用41储罐直径D = 36 m , 容积V = 13 000 m 3 , 网壳曲率图 6 中A 点的垂直载荷V = W /2(N )B半径 R =2 D , 经向杆件采用工字钢, 共计 401.AM y ds根, 纬向杆件采用等边角钢, 共计 5 道, 经、纬杆件之间采用螺栓连接, 整个网壳有 4 组斜撑。中心圆 环直径 5 2 150 mm , 网壳单位面积钢材用量 34 k g /m 2 , 杆件布置见图 8。水平荷载 H =BA y2ds式中M 为一直梁的弯矩, N mm 。此弯矩的分布是对称的, 我们用半个圆弧来考虑。对于均布 增加的载荷, 弯矩为:WM =(4x 3 - 6x 2L + 3xL 2 )6L 2经计算, 水平荷载 H 为:WH =36 sin2 9 sin 4 - 12sin 3 co s+ 4co s4 - 12co s2 + 8co s(1+ 2co s2 ) - 3 sin co s则半弧上每一点的弯矩M i、压缩力 N i、弯曲 应力 i 为:W 3 26L 2 (4x- 6x L )M i = V x - H y +2WN i = V sin + H co s+(x 2 - xL ) sin 图 7 主梁在半个圆弧上的应力分布F ig. 7 S t re ss d ist r ibu t io n o f th e raf te r o n th e h a lf a rch2LN iM ii =+ W A0式中: A 型钢的截面积/mm 2W 0 型钢的抗弯截面系数/mm 3 主梁材料的许用应力/M P a图 8 杆件布置图F ig. 8 R af te r a r rangem en t p lan网壳拱顶与板肋式拱顶的比较3图 6 杆件受力F ig. 6 Fo rce s ac t ing o n raf te r图 7 为某储罐 (直径D = 32 m ) 主梁在半个圆 弧上应力的分布。 从图中可看出, 此种结构的网 壳, 每个子午线主梁最大应力位于主梁长度的26% 处左右, 求得此处的应力, 使其小于材料的许 用应力, 即可确定主梁的规格。 当然, 还要校核网 壳的稳定性。图 8 是金陵石化公司设计院按此结构为某国 外项目设计的一个实例, 罐顶参数如下:由表 1 可知, 采用板式或板肋式拱顶结构的固定顶储罐, 其容积自 2 000 m3开始, 单位投影面积的罐顶钢材用量呈上升趋势, 至 10 000 m 3 时已达 51. 4 k g/m 2 以上, 至 30 000 m 3 时可达 109 k g /m 2 左右。 而网壳拱顶, 见表 2, 其单位投影面积上 的钢材用量在 67 k g /m 2 左右, 远低于相同容积板 肋式拱顶的钢材用量。42南 京 化 工 大 学学 报第 22 卷表 1 拱顶罐系列参数 T ab le 1 T h e p a ram e te r o f dom e tank se r ie s 计及应用提供了一个可选择的结构。经纬型网壳拱顶结构有较好的发展前景。虽4. 2公称容积/m 3内径/m罐顶总用量/t单位面积罐顶用钢量/(k g/m 2)然该结构单位面积上的钢材用量稍大于某些网壳1结构 , 但因其施工较方便, 制作、安装费用较其它网壳结构低 30% 左右, 综合经济指标更优。 当然,对此种网壳结构还需要进行总结、完善, 以求进一 步降低钢材用量, 提高其经济性。1 0002 0003 0005 00010 00020 00030 00012. 0015. 5018. 0022. 0028. 5039. 9844. 004. 1687. 89110. 40716. 04232. 79496. 405165. 00036. 8542. 8240. 9842. 2051. 4076. 70109. 00经纬型网壳的设计计算方法, 经过工程实践4. 3证明是安全可靠的。 用有限元法对此结构进行核算, 证明其强度、稳定性也完全符合我国现行钢结 构设计规范3 。表 2 网壳拱顶罐系列参数T h e p a ram e te r o f la t t ice dom e tank se r ie sT ab le 2随着经济的发展, 10 000 m 3 以上容积的大型4. 4公称容积/m 3内径/m罐顶总用量/t单位面积罐顶用钢量/(k g/m 2)固定顶储罐所占的比重将会不断增大, 现行的SH 3046- 92 标准对罐顶结构的规定已不能适应当 前工作的需要。 作为规范编制单位, 应尽早对国内外的网壳拱顶技术进行全面的总结、比较, 在综合 评价网壳材料用量及制作安装费用的基础上, 尽快 确定网壳结构, 制定标准规范, 使网壳结构能安全 可靠地得到推广应用, 更好地为社会经济的发展作 出贡献。20 00030 000374672. 10110. 9167. 0666. 70上面提到的设计实例, 因采用的是 A P I650 规范, 材料的安全系数与我国规范不同, 材料许用应 力取得较小, 如按我国规范, 材料许用应力可提高30% , 材料规格还将降低, 网壳单位投影面积用钢量也随之降低。由此可见, 网壳拱顶在大型、特大型 固定顶储罐上具有广泛的推广及使用价值。参考文献结论41湛卢炳, 郭文.大型贮罐设计的现状与进展 ( 一) J .化工设备设计, 1998, 35 ( 4) : 30 36崔爵. 大型储罐球形网架顶盖结构设计 J . 化工设备设计,1989, ( 2) : 23 252网壳拱顶从设计、施工的安全性与经济性等4. 1方面来看, 作为大型固定顶结构是一个发展方向。徐思浩, 张红.储罐顶盖网架的应力和变形分析 J .油气储3它弥补了现行 SH 3046-92 规范, 当储罐直径大于运, 1999, 18 ( 1) : 10 1232 m 时, 对罐顶结构无明确规定的空白, 为储罐设A PPL ICA T IO N O F L A TT ICE DOM EIN L A RGE F IXED ROO F STO RA GE TA NKH u a n g F en gJ in ling P e t ro ch em ica l D e sign In st itu te,N an jing, 210042, C h inaA bstra c tT h ro u gh th e st ru c tu re an a ly sis fo r th e comm o n la t t ice dom e s, it is co n side red th a t la t t icedom e h a s a w e ll pop u la r ize va lu e fo r th e la rge f ix ed roo f sto rage tan k. T h e st ru c tu re, ca lcu la t io n m e tho d an d en g in ee r in g app lica t io n o f th e lo n g itu d in a l- la t itu d in a l la t t ice dom e h ave b een in t ro du ced.It is su gge sted th a t th e stan da rd an d co de o f la t t ice dom e fo r th e sto rage tan