课程设计40m3埋地卧式油罐图.doc

0 管管道道及及储储罐罐强强度度设设计计 课课程程设设计计 题 目 40m3 埋地卧式油罐图 所在院（系） 石油工程学院 专 业 班 级 储运 1102 学 号 201104060229 学 生 姓 名 韩 珂 指 导 教 师 姚培芬 完 成 时 间 2012 年 07 月 10 日 1 目录目录 1 绪论 .3 1.1 金属油罐设计的基本知识.3 1.1.1 金属油罐的发展趋势 .3 1.1.2 对金属油罐的基本要求 .3 1.2 金属油罐的分类.4 1.2.1 地上钢油罐 .4 1.2.2 地下油罐 .4 1.3 课题意义.4 2 埋地卧式油罐课程设指导书计 .5 2.1 设计说明书.5 2.1.1 适用范围 .5 2.1.2 设计、制造遵循的主要标准规范 .5 2.1.3 主要设计内容 .5 2.1.3.1 油罐供油系统流程图 .5 2.1.3.2 40 m3埋地卧式油罐加工制造图，基本参数和尺寸 .6 2.1.4 安全 .6 2.1.5 设计遵循参照的主要规范 .6 2.1.6 设计范围 .6 2.1.7 防腐 .7 2.1.8 油罐接管 .7 2.1.9 油罐容积的确定 .7 2.1.10 其它 .7 3 课程设计计算书 .9 3.1 设计的基本参数 .9 3.2 壳体壁厚计算 .9 3.2.1 筒体壁厚计算 .9 3.2.2 封头壁厚计算 .9 3.3 鞍座的选择计算 .9 3.3.1 罐体重 Q1.9 3.3.2 燃料油重 Q2.10 3.3.3 储罐的总重 Q= Q1Q2.10 3.4 鞍座作用下筒体应力计算 .10 3.4.1 筒体轴向弯矩计算 .10 3.4.2 筒体轴向应力计算 .11 3.4.3 筒体周向应力计算 .11 3.5 抗浮验算 .13 参考文献.14 2 3 1 绪论绪论 1.1 金属油罐设计的基本知识金属油罐设计的基本知识 1.1.1 金属油罐的发展趋势金属油罐的发展趋势 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。从世界范围 来讲，这一状况与前一时期国际上的能源危机有关。由于能源危机，近若干年来许多 工业化的、靠进口原油的国家都增加了原油的储备量，这就迫使这些国家不得不建造 更多更大的油罐。这一经济需求不仅促进了油罐事业的发展，也使越来越多的新课题， 随着这些新课题的研究和解决，这就使油罐的设计与施工技术进一步发展和深化。 现在油罐发展的总体趋势是走向大型化，而所以有此趋势是由于大型化具有下列 优点： (1)节省钢材。 (2)减少投资。 (3)占地面积小。 (4)便于操作管理。 (5)节省管线及配件。 由以上分析可以看出，油罐大型化有许多经济利益，这也就是这种趋势的动力。 目前油库的组成结构与十年前相比有了很大的改观，由油罐的“小而多”变为“大而少”。 这一点也是衡量一个国家在油罐设计、研究、建造等方面技术水平高低的一个尺度。 1.1.2 对金属油罐的基本要求对金属油罐的基本要求 对金属油罐的基本要求主要有以下五个方面： (1)强度要求。油罐在卸载以后不应留下塑性变形。 (2)有抵抗断裂的能力。无论在水压或操作条件下，油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荷下不产 生破坏。 (4)有抗地震的能力。要求在整个使用期间内，在建罐地区的最大烈度下不产生 烈性变形。 (5)油罐要坐落在稳固的基础之上。油罐的基础在整个使用期间期间的不均匀沉 陷要在允许的范围之内。 上述基本要求是就总体而言的，具体的某一构件还要有其各自的特殊要求。 如前所述，油罐大型化以后给人们带来了一些利益，但另一方面随着油罐大型化， 也出现了一些新的技术课题。因而要付出更大的努力才能满足以上五个基本要求。 油罐的大型化使罐壁钢板越来越厚。然而，由于罐壁在施工现场无法进行退火处 理，所以允许的壁板厚度是有一定限度的。一般来说，钢板的强度（指屈服极限、强 4 度极限）越高，则断裂韧性越低，也就是说月容易产生断裂。这就要求油罐的设计人 员要正确选材，特别是在气候寒冷的地区建罐，更要注意在满足强度要求的同时，恰 当地提出断裂韧性的要求及检验的方法和手段。这是油罐大型化过程中遇到的第一个 问题。 一般来说，钢板越厚在焊缝或热影响区附近越易于产生裂纹，由于这些原始裂纹 的存在，从而增加了断裂的危险性。这是油罐大型化过程中遇到的第二个问题。 随着油罐的大型化，壁厚 t 与直径 D 之比，即 t/D 值降低，这使油罐刚性降低， 从而使油罐抵抗风荷的能力下降了。采取何种方法校核油罐抵抗风荷的能力，以及用 何种方法增强这种能力，这是油罐大型化过程中遇到的第三个问题。 一般来说，钢板强度等级越高，其可焊性越低，这就要求油罐设计人员选材时注 意其可焊性，同时采取合适的焊接工艺。焊前的预热、焊接顺序、线能量的大小、环 境条件（大气温度、适度、风速）等都与焊缝质量有密切关系。这是油罐大型化过程 中遇到的第四个问题。 地震可能给油罐带来很大的破坏，为人民的生命、财产造成很大的损失。但造成 小油罐与大地震破坏的因素并不完全相同，油罐越大，则在地震时与油罐一致运动的 那部分储液（地震波中短周期成分起作用）所占的比例越小，而参与晃动的那部分储 夜（地震波中长周期成分起作用）所占的比例越大。对大型油罐地震破坏的研究及其 相应的抗震措施是油罐大型化过程中遇到的第五个问题。 油罐大了，油罐基础所占的面积也大了，许多大型油罐基础的直径在 100m 以上。 在这样大的，面积上要找到均匀的工程地质状况往往是比较困难的。大型油罐基础的 设计、如何恰当地提出对于沉陷的要求，以及采用何种结构以增加油罐抵抗不均匀沉 陷的能力等是油罐大型化过程中遇到的第六个问题。 1.2 金属油罐的分类金属油罐的分类 在各类石油库中，使用着各种类型的油罐，储存不同性质的油品。按照这些油罐 建造的特点，可分为地上油罐和地下油罐两种类型。地上油罐大多采用钢板焊接而成， 由于它的投资较少、建设周期短、日常的维护及管理比较方便，因而石油库中的油罐 绝大多数为地上式；地下油罐多采用钢板或钢板混凝土两种材料建造，由于整个油罐 建在地下，所以储存介质的温度比较稳定，气体蒸发的损耗较少。但由于这种油罐的 投资较高、建设周期长、施工难度较大、操作及维护不如地上油罐方便，故当有特殊 要求时才选用。 1.2.1 地上钢油罐地上钢油罐 钢油罐的种类一般是按照几何形状来划分的。通常可分为三类： (1)立式圆柱型油罐 (2)卧式圆柱型油罐 5 (3)双曲率油罐（如滴状油罐和球形油罐） 在以上三类油罐中，立式圆柱型油罐占大多数，对大型油罐更是如此。卧式油罐 通常作为小容器使用。滴状油罐可承受的 0.41.2kgf/cm2剩入压力，可消除小呼吸损 耗，适于储存挥发性大的油品，但这种油罐结构复杂，施工困难，建设费用高，故在 国内尚未采用，国外用的也不多。这种油罐自问世以来，实际上没有得到推广。球罐 用于储存液化气，其设计一般划在受压容器范围内。 卧式油罐的优点是能承受较高的正压和负压，有利于减少油品的蒸发损耗；可在 工厂制造然后运往现场安装，搬运和拆迁都方便。卧罐的缺点是单位容积的耗钢量高， 比立式油罐高出一倍以上，而且因单个油罐体积小，当使用较多油罐时占面积大。 卧式油罐在油库中应用非常广泛。在大型油库中常用它储存一些周转数量较少的 不同品种的油料。小型油库和加油站由于储量本来就不大，卧罐常常成为主要的储油 容器。因便于拆迁，卧罐还常用于野战油库。除用作一般储油容器外，根据工艺需要 还常把卧罐用作罐装罐、放空罐、压力罐、真空罐等。由于卧罐能承受较高的内压， 有时还用它储存液化气。它一般安装在地面鞍型支座上。用于油品放空的卧罐常埋入 地下，使管线中的存油能自流放入罐内，放空罐的埋地深度也由工艺计算决定。有时 为了达到隐蔽的目的，也将卧罐埋入土中或置入地下掩体内。 1.2.2 地下油罐地下油罐 常用的地下油罐有立式圆筒形及卧式圆筒形两种。由于油罐设置在地面以下，所 以土壤的地质条件、腐蚀性以及地下水的情况，是地下油罐结构设计时主要考虑的因 素。 （1）直接埋地立式圆筒形油罐。这种油罐的顶板、壁板以及底板，一般情况下 多采用钢筋混凝土结构，为了防止储存介质的渗漏，油罐的壁板及底板的内侧衬 一层钢板。这种结构的油罐，施工技术较为复杂、要求严格、施工周期较长、投 资较大。 （2）覆土立式圆筒形油罐。立式圆筒形油罐置于被土覆盖的罐室中，罐式顶部 和周围的覆土厚度不小于 0.5m，多为普通碳钢钢板制造。 （3）埋地卧式圆筒形油罐。采用直接覆土或罐池充沙（细土）方式埋设在地下， 且罐内最高液面低于罐外 4m 范围内地面的最低标高 0.2m 的卧式油罐，多为普通 碳钢钢板制造。由于实际需要的容积不大（大多不大于 50 m3） ，便于厂家整体制 造、运输及施工。 1.3 课题意义课题意义 “油罐及管道强度设计”是油气储运专业本科生的一门重要的专业课。而该课程的 课程设计对于学生加深这门课的理解无疑是有帮助的。它使学生对油气油罐及管道强 度及其相关问题有了比较全面的了解，并且掌握各类压力管道及储罐分析与设计的基 6 本概念、基本原理与基本方法。 近年来，我国油气储运系统的建设得到了空前的发展，对油气储运设施的安全可 靠性提出了越来越高的要求，油气管道与储罐设计的新技术、新方法不断发展，需要 将油气管道和储罐强度设计的基础理论、设计计算方法和标准规范予以总结，为油气 储运工程技术人员提供较为全面的参考资料。 7 2 埋地卧式油罐课程设指导书计埋地卧式油罐课程设指导书计 2.1 设计说明书设计说明书 2.1.1 适用范围适用范围 本文适用于储存工业或民用设施中常用的燃料油的 40 m3埋地卧式油罐。 压力：常压 工作温度：-19 200 介质：燃料油（柴油、汽油等） 2.1.2 设计、制造遵循的主要标准规范设计、制造遵循的主要标准规范 (1) 钢制压力容器 GB 150 (2) 钢制焊接常压容器 JB/T 4735 (3) 钢制压力容器焊接规程 JB/T 4709 (4) 气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸 GB 985 (5) 压力容器无损检测 JB 4730 2.1.3 主要设计内容主要设计内容 2.1.3.1 油罐供油系统流程图 2.1.3.2 40 m3埋地卧式油罐加工制造图，基本参数和尺寸 2600（直径） 7400（长度） 10（壁厚） 单位：mm； 封头壁厚： 10mm； 8 壳体材料：20R； 设备金属总质量：7160 kg； 2.1.4 安全安全 油罐应有避雷、防静电措施，具体措施如下 2.1.5 设计遵循参照的主要规范设计遵循参照的主要规范 (1) 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范 （GB50058） (2) 石油与石油设施雷电安全规范 （GB15599） (3) 汽车加油加气站设计与施工规范 （GB50156） (4) 锅楼房设计规范 （GB50041） (5) 防止静电事故通用规则 （GB12158） (6) 石油化工企业设计防火规则 （GB50160） (7) 石油库设计规范 （GBJ） 2.1.6 设计范围设计范围 (1) 防雷电与防静电措施 (2) 防火措施 (3) 可燃气体、液化烃、可燃液体的钢罐，必须设防雷接地，并应符合下列规定： a. 装有阻火器的甲 B 乙类可燃液体地上固定顶罐，当顶板厚度等于或大于 4mm 时，可不设避雷针，线； b. 丙类液体储罐，可不设避雷针、线，但必须设防 感应雷接地；c. 浮顶灌（含内浮顶罐）可不设避雷针、线但应将浮顶与罐体用两根 截面不小于 25 mm2软铜线作电气连接，其连接点不应小于两处，连接点沿油罐周长 的间距不应大于 30m；d. 压力储罐不设避雷针、线，但应作接地； (4) 本图罐体均采用厚度4mm 的金属材料，不设避雷措施，但当罐体置于建筑 物、构筑物内时必须作可靠接地，其接地点不应少与两处，其间弧形距离不应大于 30m；当金属油罐在室外设置时必须作环形防雷接地，其接地点不应少与两处，其间 弧形距离不应大于 30；接地体距罐壁距离应大于 3m (5) 埋设罐体（图规定埋深50cm） ，可不设避雷设施，但应采用防腐蚀镀锌金属 材料。埋设油罐应采取牺牲阳极、保护阴极的作法：即将油罐体作为阴极，在土壤中 埋设电位比油罐材料更负的强阴极（如锌板） ，并与油罐做电气连接，使其构成电偶 效应以达到保护油罐，防止电化学腐蚀。当操作井与地上金属物相连时应作电气通路 连接，以便与地面设施等电位连接处理。 (6) 将油罐系统流程有关的设备、设施的防雷接地、防静电接地和电气设备接地 共用同一接地装置，接地电阻0.5Rn，所以按文献7中公式： M=K6FRn计算。 式中 K6系数，由文献7查得：K6=0.0131 其它参数同上。 则 M=K6FRn=0.0131275046.81.3=4.684N.m 3 10 (2) 周向压缩应力计算 因鞍座截面处无加强圈，且 A0.5Rn，所以按文献7中公式：Tmax=-K5F 计算。 式中 K5系数，由文献7中查得：鞍座包角时 ,120 K50.760 则 Tmax=-K5F=-0.760275046.8=-2.090105N 而在鞍座轴边角处的周向压缩应力 T 值为：T=-F/4=-275046.84=-6.88104N (3) 周向总应力的计算和校核 该设计圆筒的鞍座界面上无加强圈，但在鞍座两侧的圆筒上有加强圈。而且鞍座 上不设置衬垫板，则圆筒横截面最低处周向压缩应力按下式计算： (3-14) mm b FkK e 73.43 10 9 . 477 8 . 27504676 . 0 1 2 5 5 其中 k-计及圆筒和鞍座是否相焊的系数，本设计中不相焊，k=1 K5系数， K50.76 b-圆筒的有效长度，b=300 mmRbb en 9 . 47710130056 . 1 30056 . 1 2 所以Mpa73.43 5 鞍座边角处的周向总应力： Mpa (3-15) 根据文献7规定，用圆筒材料在设计温度下的许用应力进行校核；用圆筒材 5 6 料在设计温度下许用应力的 1.25 倍进行校核。 因为 130 Mpa5 t 162.5 Mpa t 61.25 所以满足强度要求。 42.68 102 8 . 2750460131. 03 109 .4774 8 . 275046 2 3 4 22 6 2 6 e e FK b F 16 3.5 抗浮验算抗浮验算 为了保证卧罐不被地下水浮起，必须满足下列不等式： （3-16） 2stSOw GGVK 式中 Gst-罐体单位长度自重； Gso-作用在卧罐单位长度上的成棱柱体的土壤重量，见图 6-1； VW-卧罐单位长度埋入地下水的体积； -水的容重，=1000kg/m3； 2 2 K-安全系数，取 K1.21.5； 2 stst GR 式中 -钢材的容重，=7850kg/m3 ； st st 1700 1 (3-17） mkg ctg ctgH R RHGSO / 4 . 18473 456 . 2 2 31 . 1 14 . 3 31 . 1 6 . 221700 2 2 2 2 2 1 2 11 式中 H1-油罐轴心到地表的距离，m； -土壤的内摩擦角，取=45。 扇形面积 (3-18) 2 0 0.4 2arccos 1.2 360 SR 22 07 . 2 31 . 1 14 . 3 360 53.702 m (3-19)