管道与储罐强度-7储罐

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1、第6章 油罐的设计计算 油罐是油品储存的主要设施; 所有的石油产品都将在储罐中存放一段时间。浮顶储罐沿海油库 以美国为例 API的一项调查表明,美国储存石油产品的地上储罐大约有700000,分布在炼油厂、销售终端、运输部门和生产四个领域。储油罐数量分布销售炼油厂运输生产油罐事故的后果燃烧、爆炸,环境污染兰化储油罐爆炸日本地震引起油罐燃烧油罐的分类 油罐分为: 立式圆柱形油罐 卧式圆柱形油罐 双曲率油罐 滴状油罐 球形油罐 根据罐顶形式,立式油罐分为: 浮顶油罐 拱顶油罐 内浮顶油罐 锥顶油罐 悬链式油罐(无力矩)(1) 浮顶油罐 罐顶浮在油面上,随油品的收发上下浮动,浮顶与罐内壁之间的环形空间

2、有可上下移动的密封装置。 优点: 不存在气体空间,减少了油品的蒸发。 罐顶的自重受储液支持,受力状况良好。浮顶型式 单盘 双盘(2) 拱顶油罐 罐顶为球面的一部分,由46mm的薄钢板和加强筋组成; 优点:施工容易,造价低; 缺点:中间无支撑,罐顶直径受到限制;(3)内浮顶油罐拱顶与浮顶的结合,储存贵重油品。(4)锥顶油罐 顶部为自支承式、梁柱式等。(5)悬链式油罐也称无力矩油罐。其他形式罐蒸汽圆顶储罐蒸汽圆顶储罐 球顶罐网格拱顶罐 节点球罐节点球罐 扁平球罐扁平球罐 油罐的发展趋势大型化 大型化的优点: 节省钢材; 减少投资; 占地面积小; 便于操作管理; 节省管线及配件。对油罐的基本要求 强

3、度要求:卸载后,不应留下塑性变形。 抗断裂的能力:无论在水压试验或操作条件下,油罐不得产生断裂。对油罐的基本要求 强度要求:卸载后,不应留下塑性变形。 抗断裂的能力:无论在水压试验或操作条件下,油罐不得产生断裂。 抗风的能力:在建造及使用期间,在建罐地区的最大风荷下不产生破坏。 抗地震能力:要求在整个使用期间,在建罐地区的最大地震烈度下不产生破坏。 基础稳固:油罐基础在整个使用期间的不均匀沉陷要在允许的范围内。7.1 立式油罐的罐壁强度设计 罐壁圈板由多块钢板对接焊成,各圈罐壁的纵缝应错开,其间距不小于500mm; 罐壁相邻上下圈板的连接可采用:(a)套筒式;(b)对接式;(c)混合式;罐壁的

4、受力储液静压力 罐壁受力图 薄膜应力和弯曲应力忽略弯曲应力,按薄膜理论考虑应力 壁厚 0 xxpx R 0 xpx R确定罐壁厚度需要考虑的因素 每层罐壁板的厚度不同; 每层罐壁板中的应力分布不均匀:定点法:罐壁中最大应力发生在距下端300mm(1英尺)处;变点法:按罐壁板中的最大应力考虑; 焊缝系数; 腐蚀裕量。罐体结构示意图 7.1.1 确定罐壁厚度的几种标准 中国SH3046标准(定点法) 日本JIS B8501标准(定点法) 英国BS2654标准(定点法) 美国API650标准(变设计点法) 1、中国SH3046标准(定点法)t1 储存预定介质时的设计厚度,mm; 储液密度,kg/m3

5、; H 计算的罐壁板底边至设计储液高度的距离,m; D 储罐内直径,m; 钢板许用应力,设计温度下2/3S或260MPa中的较小值,MPa; 焊缝系数,一般取0.9; C1 钢板厚度负偏差,mm; C2 腐蚀裕量,mm; 2113 . 09 . 4CCDHt例:15万方浮顶储罐的设计条件和基本数据 储罐直径:100m 罐壁高度:21.8m 设计储液高度:20.2m 计算容量:158650m3 储液密度:910kg/m3 设计温度:50 罐壁腐蚀裕量:1mm 罐壁层数:8 罐壁材质: SPV490Q(s=490MPa, b=610MPa,E=206000MPa) 16MnR(s=345MPa,

6、b=510MPa ,E=209000MPa) Q235B(s=235MPa, b=375MPa,E=210000MPa) 计算结果层号材料许用应力MPa腐蚀余量mm操作计算厚度mm试水计算厚度mm名义厚度mm壁板宽度mm重量kg1SPV490Q260137.9240.6741.029803013912SPV490Q260132.4234.4334.526802280783SPV490Q260127.1428.8229.026801917184SPV490Q260122.0323.2123.526801553585SPV490Q260116.9217.5918.026801189976SPV49

7、0Q260111.8111.9812.0268079331716MnR23017.587.3312.02660787258Q235-B15712.711.9812.0266078725合计12323232、日本JIS B8501标准(定点法)t 最小板厚,mm; 储液比重(当小于1时,取1);H 由该段壁板的下端至设计液位的高度,m; D 储罐内直径,m; fm 母材的许用应力,取60%S MPa ; 焊缝效率,第一层取0.85,其余取1.0; C 腐蚀裕量,mm。CfHDtm2 . 03 . 0层号材料许用应力MPa腐蚀余量mm计算厚度mm名义厚度mm壁板宽度mm重量kg1SPV490Q29

8、4140.8241.029803013912SPV490Q294129.7830.026801983293SPV490Q294125.2225.526801685804SPV490Q294120.6621.026801388305SPV490Q294116.1016.526801090816SPV490Q294111.5412.0268079331716MnR20719.5012.02660787258Q235-B14114.0512.0266078725合计11529923、英国BS2654标准定点法计算 t 最小板厚,mm; w 储液比重(取值不得小于1);H 由该段壁板的下端至设计液位的

9、高度,m; D 储罐内直径,m; S 设计许用应力, 2/3S或260MPa中的较小值,MPa; P 设计压力,mbar(对无压储罐可忽略不计); C 腐蚀裕量,mm;CPHwSDt)3 . 0(98204、美国API650标准(变点法)随着储罐的大型化,罐壁中最大环向应力点逐渐上移,所在的位置大约在 处,随着储罐的增大,R、t增大,故最大环向应力往往落在第二层壁板上 Rt2变点法的计算步骤底圈罐壁板计算厚度tptSGHDt3 . 09 . 4tttSDHSHHDt0696. 006. 11两者之中取最小值各圈壁厚的变点计算法hi-1计算圈的下面一圈的圈板高,m;r油罐半径,m;ti所需计算的

10、第i圈的罐壁计算厚度,mm;tai根据变点位置求得的第i圈的壁厚值,mm。10011375. 1iiiittrth时,当aiiiittrth011625.2时,当11100111 .2625.2375.1iiaiiaiiiirthttttrth时,当变点法计算到圈板底边的距离式中CHrtxai32061. 01CHx1002airtx22. 13011,1iaitk kCktk k变点法需反复试算迭代,计算工作量大三式之中取最小值规范计算方法计算公式焊缝系数储液密度许用应力SH3046定点法操作工况下t1=0.0049(H-0.3)D/(t)+C1+C20.9介质密度设计温度下2/3St或26

11、0MPa中的较小值试水工况下t1=0.0049(H-0.3)D/()+C10.9水的密度常温下2/3S或260MPa中的较小值API650定点法(D60m)设计条件下t1=4.9D(H-0.3)G/Sd+CA1介质密度2/3S或2/5b中的较小值静水压试验条件下t1=4.9D(H-0.3)G/Sd1水的密度3/4S或3/7b中的较小变点法略JIS B8501定点法T=D(H-0.3)/(2fm)+C底圈0.85,其余1.0取介质与水的较大值60%SBS2654定点法T=D98w(H-0.3)+P/(20S)+C1不小于1.02/3S或260MPa中的较小值四种标准计算结果的比较(10万方罐)A

12、PI650SH3046JIS B8501BS2654129.1432.4330.4929.31225.94928.3822.6825.65320.70324.3319.4421.98417.42620.2716.218.32513.80216.2212.9614.65610.25812.169.7210.9978.1118.9598.0985.0886.456.486.0790.8640.810.810.76层号遵循的标准规范壁厚比较05101520253035厚度123456789层号SH3036API650JIS B8501BS2654四种标准计算的罐壁总重量比较( kg) 6400006

13、60000680000700000720000740000760000780000800000820000SH3046API650JIS B8501BS2654罐壁的开孔补强由于使用要求,必须在罐壁上开孔并接管;开孔后的罐壁将在孔的附近产生应力集中,导致孔口疲劳破坏或脆性裂口,使孔口撕裂;补强办法:在开孔的周围焊上补强钢板,增大开孔周围的壁厚;“等截面”补强方法。补强板形状 开孔直径不超过250mm 开孔直径超过250mm7.2 立式油罐的抗风设计 油罐抗风稳定性很差,容易屈曲破坏 大直径、薄壁、敞口由于大风造成的顶部屈曲的固定浮顶储罐 直径36米的固定顶储罐由于内部真空作用造成顶部屈曲 风速

14、达到160英里/小时的一次飓风中空罐坍塌 抗风措施 罐顶设抗风圈; 中间设加强圈(一圈或数圈)。7.2.1 风载荷的分布和计算 风以一定速度吹在构筑物上,产生风压; 风压是根据风速计算: 162220VgVW;重力加速度,;标准风速,此时时的数值为准。绝对干燥,气温个大气压,以空气容重,;),标准风压(基本风压式中2302022551151s/mgs/mV;m/kgf.Cm/kgfW 标准风速以一般平坦地区,离地面10m高,30年一遇的10分钟平均最大风速为依据。罐壁上风压分布 正对着风的一点称为驻点,驻点的风压值最高; 迎风面上大约600范围受压,其它部分是吸力。风载荷计算中的考虑体型系数

15、敞口1.5、闭口1.0由10分钟最大平均风压折合成瞬时风压要乘以转换系数;基本风压是以离地面10米高为基准的。离地面越高,风压越大。在设计时要乘以高度变化系数离地面或海面高度,m陆上海(岛)上510152030400.781.001.151.251.411.540.841.001.101.181.291.37对于敞口油罐,设计风压按下式计算021WKKKPz。标准风压,见下表高度变化系数,可取转换系数,可取体型系数,;设计风压,式中202125251m/kgfW;K;.K;.Km/kgfPz7.2.2 抗风圈的设计和计算 抗风圈设置在油罐的顶部,通常位于包边角钢以下1m位置。 抗风圈的外形可以

16、是圆的,也可以是多边形的。 抗风圈是由钢板和型钢拼装成的组合断面结构。 抗风圈的刚度由截面系数确定。抗风圈的结构SH3046基本风压值取700Pa,距地面15m。HDWZ2082. 0WZ截面模数D油罐内径;H罐顶高度;假设:迎风面风压分布范围所对应的抗风圈区段为两端饺支的圆拱,沿拱铀线的风呈正弦曲线分布,圆拱所对应的圆心角为600,并假设罐壁上半部分的迎风面风压由抗风圈承担。 API650和BS2564 标准风速取45m/s,距地面9m。 22058. 0HDZ 21245042. 0VHDZJIS B8501 标准风速取70m/s,距地面15m。 7.2.3 加强圈的设计和计算 抗风圈以下

17、的罐壁,仍有可能被吹扁,需设置加强圈。 风压失稳由不均匀分布外压造成,和均匀外压失稳的临界压力相比,低13.6%。 罐壁失稳按均匀外压考虑。当量高度 油罐是阶梯形变断面圆筒,按当量高度折算; 将壁厚不同的各筒节折算成直径相同、稳定性相同的等壁厚圆筒,折算后的筒节高度称为当量高度; 按折算后的等壁厚圆筒设计加强圈。当量高度计算5tthHmine。时的当量高度,厚度为所计算的那层圈板在;罐壁的最小厚度,壁厚,所计算的那层圈板的;度,折算前圈板的实际高式中mtHmmt;mmtmhmineminSH3046推荐方法 以薄壁短圆筒在外压作用下的临界压力计算公式为基础,参照当量高度的概念:E.mincrH

18、DtP51521680。当量高度,油罐内径,;罐壁的最小厚度,;罐壁许用临界压力,式中mHmDmmtm/kgfPEmincr2加强圈的数量及其位置设计压力P与Pcr的关系加强圈数 在当量筒体上的位置Pcr PP/2Pcr PP/3Pcr P/2P/4Pcr P/30123-He/2He/3, 2/3HeHe/4, He/2, 3/4He例题 一台浮顶油罐内径60m,高18m,罐壁由9层2m宽的圈板组层,抗风圈设在离上口1m处,罐壁自上而下的厚度分别为10、10、10、12、14、16、18、20、23mm,建罐地区基本风压W0=70kgf/m2,求加强圈的个数,位置及尺寸。解:(1)求设计压力

19、P021WKKKPz21115115181520151251525121.KK;.K;.Kzz并用线性插值法查表,高度变化系数,可取转换系数,可取体型系数,292857021125251m/kgf.P(2)求Pcr各圈的He值,列表如下:E.mincrHDtP51521680min1060EetmmDmHH ;层次h,m t, mmHe, m1234567891222222221010101214161820231221.2680.8620.6180.4600.3540.249(3)确定加强圈的个数与位置所以需设2个加强圈。m.HE8118249035404600618086202681221

20、251527129811860101680m/kgf.P.cr23951422395322/PP/Pm/kgf./Pm/kgf./Pcr 第一个加强圈:在当量筒体上距抗风圈HE/3处;HE/3=8.811/3=2.937m,因位于tmin处,故无需折算。 第二个加强圈:在当量筒体上距抗风圈2/3HE处; 2/3HE =8.8112/3=5.874m,因不在tmin处,故需折算,其距抗风圈的实际距离为。m.3796101258745552(4)加强圈的尺寸参阅下表,取加强圈角钢为20010012mm。油罐直径Dm角钢圈(或同样截面系数的型钢)mmD2020D36364810060 812575

21、8150100 10200100 127.3 浮顶的结构与强度 浮顶是大中型油罐罐顶中最常见的结构形式; 浮顶有两种: 双盘式:有上下两层盖板,隔热效果好,用来存放轻质油等,多用于5000m3或更小的罐; 单盘式:周边为环形浮船,中间为单盘,多用于5000m3以上的罐。7.3.1 浮顶结构 浮顶结构 单盘由钢板搭接而成,排板的形式有两种:人字形排板条形排板浮顶结构 环形浮船:由隔板分隔成若干互不渗漏的舱室;舱室的数目根据需要确定。 立柱:设置若干立柱的目的: 当液面处于较低的位置时,浮顶下降并支承在立柱上,避免与罐内附件碰撞; 检修时的浮顶支于立柱上。 浮顶上有中央排水管:由若干段钢管组成,管与管之间有活动接头。 自动通气阀:使罐底与浮顶之间的空间接通大气。浮顶结构 转动扶梯:作为从罐壁盘梯的顶平台到浮顶的通道。 导向装置:防止浮顶转动或偏移。 人孔:每个舱室上应设置船舱人孔,定期进入舱室检查有无渗漏或渗油处。浮顶上至少设置一个人孔,以便油罐排空后在检修进行通风、透光和便于检修人员的出入。 密封装置:填充浮顶的外边缘板与罐壁之间的200300mm间隙。浮顶结构重锤式机械密封1罐壁;2橡胶板;3滑板;4浮船;5重锤软泡沫塑料密封1固定板;2密封胶袋

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