大型立式储罐计算

1、浅谈大型立式储罐的计算 中航黎明锦西化工机械（集团） 有限责任公司技术中心 韩滔 2015.3.11 一、概述 储罐是工业中广泛使用的储存设备，用以储存石油、 石化产品及其类似液体。本课件讲述的常压储罐，为内 部气相空间有直接与大气相通的开口（即常压）和存在 微内压的大型储存设备，而罐壁承受储液压力的作用会 产生很高的应力，为保证储罐安全、可靠地运转，对储 罐的设计、施工提出严格的要求，认为常压储罐而随意 放松设计要求会导致灾难性后果，因此必须严格遵循有 关的设计规范要求。 n 本课件重点介绍在常温和接近常压的条件下储存液 体的立式圆筒形储罐，储罐由平罐底、圆柱形罐壁、角 钢圈和罐顶组成，在施

2、工现场进行组装焊接。罐底与罐 壁采用T型接头，罐顶与罐壁采用搭接结构。罐顶结构 形式只限为锥顶、拱顶两种。 一、概述(续) 二、主要载荷 n承受载荷主要分为静载荷、操作载荷、 动载荷三大类。 n1静载荷：储罐自重、隔热层重量、附 加载荷、储存液体静压力、雪载荷。 n2动载荷：风载荷、地震载荷。 n3. 操作载荷：正压（操作条件决定的气 相空间）、负压（抽排液或温度变化形 成）。 三、 设计建造规范 n目前国内常用的设计规范： n1) 设计压力：-490Pa6000Pa ，容积大于100m3储罐应按 GB50341-2003立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范； nSH3046-1992石油化工立式圆

3、筒形制焊接储罐设计规范。 n 这两个设计标准主要是参考美国API650钢制焊接油罐编制 的。对于埋地、储存极度和高度危害的介质、人工制冷液体的储 罐不适用这两个标准。 对于极度和高度危害介质，一般参考美国 API650设计。 n2) 设计压力：6000Pa18kPa，应按美国API650； n3) 设计压力：18kPa103.4kPa低压储罐，应按美国API620。 n本课件使用计算程序引用GB50341-2003 设计规范。 四、计算程序种类 目前我公司现有的计算程序： n1.1 SEI公司：石油化工静设备计算辅助设计桌面系统 中圆筒形储罐计算程序； n1.2 天辰公司：EXCEL表格式计算

4、程序。 n1.3 京鼎公司：EXCEL表格式计算程序 。 n1.4 中航黎明锦化机： EXCEL表格式计算程序。 n因常压储罐设计天辰设计院较多，我公司使用频率较 高为天辰公司计算程序。该程序界面简洁，数据输入 简单，结论直观，修改及打印计算书方便，深受我公 司工程技术人员喜欢。 n本课件使用天辰计算程序讲述GB50341-2003 需要的 计算内容。 五、如何正确使用计算程序 n计算机的广泛应用有效地提高了我们的工作效 率，使我们从设计工作中需要反复进行设备零 部件强度，刚度计算过程解脱出来，虽然大部 分计算内容由专业计算程序支持完成，但工程 技术人员对形成计算书数据正确性、完整性负 有法律

5、责任。 n由于计算模块不可能囊括所有技术细节，技术 标准不断更新，与设计模型的不符，常需要我 们对简单计算程序进行修改。 n办法：深入学习标准，明确计算步骤，正确填 写数据，学会分析重要数据合理性。 六、重要参数释义 n1设计压力： n1.1定义：罐顶部气相空间的最高压力（表压），其值不应低于正常使用 时可能出现的最高操作压力。压力范围：-4906000Pa n1.2如何输入：设计内压：常压、满液输0Pa；微内压输具体数值；设计 外压一般输安全阀负压开启压力490Pa或给定负压值，没有输0Pa。 n2.设计温度： n2.1定义：在正常使用状态时罐壁及主要受力元件可能达到的最高或最低 金属温度。

6、温度范围：250 n2.2如何输入：操作温度为常温或低于50时，设计温度取50。 n操作温度为大于等于50，小于90时，设计温度取90。 n操作温度为大于等于90时，设计温度取最高操作温度加上20 。 n2.3设计温度大于等于90，小于250时，按附录B附加要求修正程序 内容： n1）罐顶构件许用应力，还应乘表B2.2(P77)确定的设计温度下材料的屈 服强度与210MPa的比值（不得大于1） 六、重要参数释义（续） 2）罐顶计算厚度还应乘设计温度与常温下钢材的弹性模量之比 3）抗风计算中，罐壁的许用临界压力应乘设计温度与常温下钢材 的弹性模量之比 4）微内压储罐设计压力公式中系数1.1还应乘

7、设计温度下材料的 屈服强度与210MPa的比值（不得大于1） 5）有保温的锚栓的许用应力应为常温下许用应力乘以表2.2（P22） 设计温度下屈服强度降低系数 3.许用应力如何选取：碳钢和低合金钢可直接按GB50341查取， 高合金钢许用应力确定按SH3046-1992查取，不能用GB150中数 值。 4.焊接系数:一般取0.9,当标准规定的最低屈服强度大于390MPa时 取0.85， 储存极度和高度危害的介质时，天辰取1.0 5.直径范围：公称直径5mDN 2000时，td= 4.9D(H-0.3)/(d)+ 0.5PD/(t)+C1s+C2s n 储存介质条件下 八、罐壁计算模块(续) n罐

8、壁名义厚度不得小于计算厚度加壁厚附加量的较大 值，且不得小于表6.3.3规定值(P27)。由于罐壁高度通 常大于钢板宽度，所以罐壁总是用多圈钢板组焊而成; 壁厚从下向上逐层递减,相邻壁厚差最好不超过2mm; 底圈壁板是产生周向拉应力及纵向弯曲应力最大部分， 所以有意将底圈壁板加厚。 n2) 判别设置中间抗风圈数量、位置步骤： nA.核算区间的罐壁筒体许用临界压力Pcr nB.计算存在内压的固定顶油罐罐壁筒体的设计外压Po nC.判断中间抗风圈数量、位置(P33-6.5.4) n注意：天辰计算程序只给出一个中间抗风圈位置，当 需设两个以上数量时，设置位置按标准具体给出。 八、罐壁计算模块(续)

9、九、罐底计算模块 罐底计算罐底计算 不包括腐蚀裕量底板边缘板最小公称厚度 (P20页)mm6.00 不包括腐蚀裕量底板中幅板最小公称厚度 (P20页)mm6.00 是否需要环形边缘板 不需要设环形边缘板 罐底不包括腐蚀裕量底板环形边缘板的最小公称厚度mmtb12.00 充装系数 0.900 设计最高液位mHw5.67 环形边缘板与中幅板焊缝与罐壁板内表面距离 mm/ 九、罐底计算模块(续) n说明： n1）设置环形边缘板依据：DN12.5m n2）罐壁内表面至边缘板与中幅板之间的连接焊缝的最 小距离，取Lm=215tb/sqr(Hw*），600间大值。需 按实际图纸上尺寸放样比较设置是否合理。

10、 n3）罐底板、边缘板厚度常取最底圈壁厚。 十、罐顶计算模块 罐顶计算罐顶计算 设计温度 0C tt100 罐顶材料 （碳钢cs：1，不锈钢ss：2,碳锰钢3） 1 罐顶形式 （锥顶：1，拱顶：2） 2 罐顶设计外压 PaP Po1800 罐顶材料设计温度下的弹性模量 Pa E tEt191000 罐顶材料常温下的弹性模量与设计温度下的弹性模量之比 0.994791666 罐顶材料的负偏差 mm0.3 顶起始角 (锥顶取15o ,拱顶按下面计算) 24.77 拱顶半径 锥顶时,不输入（常用0.8D1.2D）Rs12600 罐顶计算厚度（包括附加量） 锥顶:0.21D/sin+C1r+C2r 拱

11、顶:0.42Rs+C1r+C2rmmths6.59 罐顶最小厚度t mmtmin5.5 罐顶名义厚度 mmtm6 十、罐顶计算模块(续) 拱顶计算拱顶计算 与罐内壁距离 (包边角钢在内侧为正,外侧为负)mma-30 扇形顶板个数 D*/1800 n18.4 20 中心板直径 mmLo1500 拱顶半径 mmRs12600 展开长度 mmL14748 大端展开半径 mmR15815 小端展开半径 mmR2701 大端弦长 mmL21693 小端弦长 mmL3258 大端弧长 mml11699 小端弧长 mml2260 拱顶高度 mmh1172 拱顶起始角 24.77 扇形顶板重量 kgGs218

12、.03 中心顶板重量 kgGc83.23 无肋板时罐顶的临界压力 0.1*Et(trn-c1r-c2r)/Rs/1000)2PaPcr2658 罐顶设计外压 PaPo1800 *需加厚拱顶或加肋需加厚拱顶或加肋* 十、罐顶计算模块(续) 加强肋计算加强肋计算 拱顶有效厚度 trn-cr1-cr2 mmth6.2 经向肋的厚度 mmb15.7 纬向肋的厚度 mmb25.7 经向肋的宽度 mmh1 50 纬向肋的宽度 mmh250 经向肋的最大间距 mmL1s1699 纬向肋的最大间距 mmL2s1200 经向带肋组合截面型心到顶板中心面的距离 mme10.57 纬向带肋组合截面型心到顶板中心面的

13、距离 mme20.81 经向带肋截面的面积折算系数 mmn1 1.02 纬向带肋截面的面积折算系数 mmn2 1.03 经向带肋截面平均抗弯刚度值 D1 28075199 纬向带肋截面平均抗弯刚度值 D2 37943925 壳板抗弯刚度值 D 3793387 带肋拱顶的折算厚度 mmtm10.50 带肋拱顶许用临界压力 0.1*Et(tm/Rs/1000)2(th/tm)0.5PaPcr10185 罐顶设计外压 PaPL 1800 *校核合格校核合格* 十、罐顶计算模块（续） n1. 罐顶计算： n 罐内液面以上的气相空间的压力是变化的，在此空间内会 产生正压或负压，因此罐顶具有承受内压作用的

14、强度和承受负 压作用的稳定性。 n2.GB50341-2003罐顶只讲自支撑式锥顶和自支撑式拱顶两种： n(1)自支撑式锥顶：用于直径不大于10m； n(2)自支撑式拱顶：a.光面拱顶：用于直径D12m； n b.带筋拱顶：常用直径12mD32m； n3. 罐顶主要由中心顶板和扇形板两部分组成。 n规定：VN1000m3时，中心顶板直径为1500mm， n 1000m3VN5000m3时,中心顶板直径为2100mm。 n 扇形板的块数为4的倍数。 十一、罐顶计算模块(续) n4.经向肋的最大间距=扇形板大端弧长 n 纬向肋的最大间距=径向等分间距 n5.罐顶设计外压P的确定 n P1主要考虑罐

15、顶自重N/m2(Pa)：单位面积的重力，当有保温 层时应考虑保温层的重量； n P2罐内操作负压（取1.2倍呼吸阀的负压定压压力）Pa； n P3附加载荷（如雪载荷或活动载荷）一般不小于700Pa。 为 保证罐顶具有足够的稳定性，P2与P3之和不应小于1200Pa,当雪 载超过600 Pa时，应加上超过的部分； n 计算外压：P= P1+ P2+ P3（简化P=P1+1200） n6. 随着储罐容量和直径的增大，光面球壳的设计厚度随之增大， 从而使罐顶的钢材用量增大，投资费用增高。对于由外压起控制 作用的球壳，为了减轻罐顶的重量，节约成本，当 12mDN32m时，基本上采用带肋球壳罐顶，其受力

16、特点是： 承载主体为球壳板和肋条构成的组合截面。 十二、罐顶与包边角钢连接处计算模块(续) 连接处的有效面积连接处的有效面积 包边角钢规格 80 x80 x10 包边角钢面积 mm2A11500 壳体侧的面积 0.6(1000D/2*tmin)0.5*tmin mm2A2309.41 罐顶侧的面积 max(0.3(1000D/2/sin*th)0.5,300)*thmm2A3518.39 罐壁与罐顶连接处的有效面 A1*(角钢-C2s)/角钢+A2+A3 mm2Aa 1428 罐壁与罐顶连接处所需面积 拱顶:见P41页和P73页 锥顶:见P40页和P73页 mm2An1 609 带筋拱顶罐壁与

17、罐顶连接处所需面积 4.6DRnPL/2200/1000mm2An2 609 *校核合格校核合格-Passed* 十二、罐顶与包边角钢连接处计算模块（续） n罐顶与包边角钢的焊接：罐顶与包边角钢采用较弱连接方式，在其外侧 采用单面连续焊保证罐体封闭，其焊角高度不大于罐顶板厚度的3/4,且 不大于4mm。目的在于当罐内超压或安全装置失灵时，尽可能从此处破 坏掀开，减少罐壁及罐底破坏而造成重大损失。 n包边角钢的选取： 十三、微内压储罐计算模块 微内压储罐计算微内压储罐计算 罐壁与罐顶连接处的有效面积 mm2A1428 设计内压 1000(1.1Atg/D2+0.08th) PaP7071 罐壁和

18、由罐壁及罐顶所支撑构件(不包括罐顶)重量 kgmt17500 罐底板不被抬起的最大内压 1000*(0.00125mt*g/D2+0.08th) PaPmax2440 破坏压力 1000(1.6P-0.047th) PaPf11313 *罐壁与罐顶连接处校核合格罐壁与罐顶连接处校核合格-passed* *需要进行地脚螺栓计算需要进行地脚螺栓计算* 十三、微内压储罐计算模块 n说明： n1.计算罐底板不被抬起的最大内压Pmax n2.计算罐壁与罐顶连接处发生屈曲破坏时压力 Pf n3.结论1：PfPs;罐壁与罐顶连接处满足内压 n 下破坏压力的要求。 n4.结论2：若Pmax Ps 校核合格，可

19、不进行 n 地脚螺栓计算。 n 若Pmax=24,有腐蚀时取30) mmd36 地脚螺栓个数 n 2024 设计压力时地脚螺栓的许用应力 sd /2 118 设计压力加风载加地震载荷时许用应力 2sd /3MPaFt1157 试验压力时许用应力 2st /3MPa 157 1.5倍破坏压力时许用应力 sd MPa 235 螺栓根径截面积 (D根径-2*/4)mm2A 518 空罐时1.5倍设计压力与设计风压下地脚螺栓应力 (1500*P1+1000P2-+Gc)/n/Am MPaFt117 空罐时1.25倍试验压力下地脚螺栓应力 ( 1.25*1.25*P*D2/4-G)/n/AmMPaFt2

20、4 满液时1.5倍破坏压力下地脚螺栓应力 (1.5Pf*D2/4-G)/n/AmMPa101 *校核合格校核合格-Passed* 十四、地脚螺栓计算模块（续） 十五、抗震计算 抗震计算抗震计算 储液耦连振动基本周期 sTc0.0922747 储罐内半径 mR5.25 罐壁距底板1/3高度处有效厚度 m30.0037 油罐设计最高液位 mHw5.67 耦连振动周期系数 Kc0.0004320 晃动周期系数 Ks1.068074074 液体晃动基本周期 sTw3.46095556 反应谱特征周期 P83页 Tg0.35 地震影响系数最大值 P83页 max0.23 地震影响系数 0.02924911 罐内液面晃动波高,m mhv0.230336741 耦连振动基本周期 Tcs0.092274739 综合影响系数 Cz0.4 地震影响系数 0.220227545 罐体影响系数 Y11.1 重