管道第六章之油罐的应力分析(96页)

1、第6章 油罐的应力分析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 日本所用石油的99.8靠进口。1992年石油储备8000万吨(111天), 1994年至今,保持在150天的石油消费量。美国是世界上最大的石油储备国，1992年其石油储备20170万吨，达到了93天的石油消费量。要想达到这一要求需建造大量的大型储油罐，由于单罐的容量越大，其材料，占用的场地也越省，因而近30年来储罐向大型化迅速发展。国外油罐建设现状 1962年美国首先建成10万方大型浮顶罐；1967年在委内瑞拉建成15万方浮顶油罐。1971年日本建成16万方浮顶油罐，储罐直径达109米，高

2、17.8米；沙特阿拉伯已建成20万方巨型油罐，直径达110米，高22.5米。目前发达国家仍在不断研究更大型的储罐技术(拱顶铝网壳顶，玻璃钢内浮顶，外浮顶浮船)。而柱支撑锥顶罐由于建罐成本低，罐顶板腐蚀易更换，在腐蚀严重的沿海地区很受欢迎。我国油罐建设现状 我国每年进口1.5亿吨（占45）70年代国内首台5万方浮顶罐在上海陈山码头建成。80年代中后期，国内开始建造10万方大型浮顶油罐到目前为止，国内建成并投入使用的大型浮顶油罐最大容量为15万方大型浮顶油罐。地下储油气库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（滴状油罐和球形油罐）立式油罐分为：浮顶油罐、拱顶油罐、内浮顶油罐

3、、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行空间有可上下移动密封装置。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。2万 的浮顶油罐国内80年代建造了4座10m3罐（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。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

4、。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。油罐设计规范英国BS2654日本JIS B8501美国API650中国 SH3046-92石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范 GB6654-1996压力容器用钢板 SH3048-1999石油化工钢制设备抗震设计规范 GBJ128-90立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范 GB985-9

5、5焊接接头的基本形式与尺寸油罐的选材大型油罐均采用高强度钢。这类材料强度高、韧性好、碳当量较低、焊接性能较好。国内10万方以上浮顶油罐大都采用490MPa级的高强度钢材。小罐用16MnR。日本 SPV490Q 武钢WH610D2具有高强度、高韧性，而且具有优良的焊接性能，尤其是能够适用于大线能量焊接工艺条件。此钢板的研制成功，结束了我国建造原油储罐长期依赖进口的历史。舞阳钢铁12MnNiVR与进口SPV490Q钢板相差不大。6.1 立式油罐的罐壁强度设计一、几个基本知识点1 板间的焊接方式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：（

6、a）套筒式；（b）对接式；（c）混合式；6.1 立式油罐的罐壁强度设计一、几个基本知识点2 最小壁厚对于油罐上部的罐壁，由于考虑到安装和使用的稳定性要求，因而有最小厚度要求。油罐的稳定性与D/t有关，所以油罐越大，所用钢板的最小厚度越厚。3 最大壁厚罐壁钢板越厚，越难保证焊缝质量。由于施工现场难以对焊缝进行热处理，故须限制储罐的最大壁厚。最大许用壁厚与材质和许用最低温度有关，同时也与一个国家的整体焊接工艺水平有关。油罐的建造罐壁承受的储液静压力 按薄膜理论考虑应力壁厚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

7、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。6.1.1 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，t/m3； 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； 常温下罐壁钢板的许用应力，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。 2、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）；

8、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，MPa ；焊缝效率，一般取1.0，其中第一层取0.85； C腐蚀裕量，mm。 3、英国BS2654标准定点法计算 t 最小板厚，mm； w 储液密度，g/ml（取值不得小于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； S 设计许用应力，MPa； P 设计压力，mbar(对无压储罐可忽略不计)； C 腐蚀裕量，mm。 4、美国API650标准（变点法）底圈罐壁板计算厚度两者之中取最小值底圈罐壁板设计厚度第二圈及其以上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；

9、t0i所需计算的第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。式中：三式之中取最小值定点法初步计算Xmin=0.3例1 已知50000m3储罐直径D=60m，罐壁高H=19.35m ，最高液位18.35m，每圈壁板高度为1.93m 。试水时的许用应力 =21.43kgf/mm2，焊缝系数=0.9。要求用变点设计法计算在充水条件下最下面3圈壁板的计算厚度。答案： 第一圈 第二圈 第三圈 壁板的计算厚度 28.07mm 25.76mm 21.07mm 例2 试以变点法确定在试水情况下的储罐底部三圈壁板厚度。已知储罐直径D=85.34m，高度H=19.51m ，底部三圈高

10、度均为2.438m 。试水时的许用应力 =21.09kgf/mm2，焊缝系数=1.0。 第一圈 第二圈 第三圈 变点法 定点法 38.19mm 38.87mm 35.96mm 33.93mm 31.68mm 29.00mm 答案：6.1.2立式圆柱形油罐直径和高度的选择 设计油罐时首先接触到的问题便是油罐的基本尺寸即油罐的直径和高度。在一定容积条件下，如何确定直径和高度使油罐的用钢量最小？规范规定罐壁最小壁厚设计习惯罐顶板和罐地板厚度为罐壁最小壁厚优化目标：费用最小或金属用量最小。 金属用量的计算与油罐的大小有关：当 时， ，则取 ，建造等壁厚 罐；当 时，必须建造变壁厚罐。油罐罐壁厚度关系图

11、材料最省的油罐直径和高度1.等壁厚油罐 设罐壁的最小厚度为 ；罐顶的厚度为 罐底的厚度为 ，则油罐的罐壁、罐顶、罐底各部分的金属材料用量分别为： 罐壁： 罐顶： 罐底： 油罐的用钢量： 令： ，则 条件： 用拉格朗日乘数法求极值 构造函数则： 结论： 等壁厚油罐的最大容积2.变壁油罐为了方便推导，忽略罐内气压的影响，壁厚计算式取（1）金属用量的计算 a:罐顶与罐底的金属用量b:为满足液压载荷罐壁所必需的金属用量 c:上部定壁部分无益消耗的金属d: 以下之变壁部分无益消耗的金属 设变壁部分各圈的高度均为h，相邻两圈壁板的高度差为e，则变壁部分的圈数相似三角形所以油罐的总金属用量油罐金属用量最小时

12、有即： 因此，变壁厚油罐的经济高度与容积无关。实际上，油罐的容积越大， 越大，因而H也越大。不过，随着罐容的增大，其罐壁高度的增加是缓慢的。6.1.3 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250mm6.2 立式钢油罐的抗风设计油罐抗风稳定性差直径大、敞口、薄壁结构抗风措施罐顶设抗风圈；中间设加强圈（一圈或数圈）。6.2.1 风载荷的分布和计算一.风压的计算 风以一定速度吹在构筑

13、物上，产生风压；驻点两侧200弧长的风压值最高，风压根据风速计算。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。风速与风压的关系可按牛顿公式计算：二.储罐罐壁的风压分布分析 1.外壁的风压分布 对于固定顶罐和敞口罐在试验风压为 时，外壁风压分布是不均匀的。 从图中可看出，只有迎风面 中心角所对应的罐壁是受压的，其余罐壁承受的是张力。最大风压是 所对应的弧长上，风压近似为常数，最大风压发生在驻点，其值为 。罐壁上风压分布 罐壁上风压分布图 2.内壁的风压分布 对于固定顶储罐风载引起的风压仅存在罐壁外部，不存在内壁的风压分布问题。对于敞口储罐，由于风吹过时引起的抽

14、力，故罐内壁全部 是负压，风洞试验表明是负压值为 ，位于 驻点内侧，而其余部分的负压值变化不大，与驻点值相近。 3.罐壁在外压作用下的屈曲特征 同样的试验模型、实验表明：风压的临界压力 （即驻点处的最大不失稳压力）比均匀外压作用下的临界压力约高 左右。 罐壁的外压失稳是由瞬时外压控制，当外压保持在比临界压力低一点时，模型不会出现屈曲，一旦增压至临界压力，立即发生凹瘪。另外，若是罐壁制造时存在椭圆度或存在局部凹瘪，这些部位在风压下会提前失稳。 4.储罐罐壁的设计外压 储罐的外压包括风压和罐内负压两部分。浮顶储罐、固定顶储罐以及内浮顶罐三者的外壁风压分布相同，内壁各不相同，故三者的设计外压是不同的

15、。对于敞口油罐，设计风压按下式计算转换系数由10分钟最大平均风压折合成瞬时风压；高度系数离地面10米高的基本风压折合成实际高度高度系数离地面10米高的基本风压折合成实际高度离地面或海面高度，m陆上海（岛）上510152030400.781.001.151.251.411.540.841.001.101.181.291.37固定顶油罐 式中：内浮顶油罐6.2.2 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

16、面15m。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60度，并假设罐壁上半部分的迎风面风压由抗风圈承担。式中：API650BS2654式中：JIS B8501式中：6.2.3 加强圈的设计和计算抗风圈以下罐壁仍有可能被吹瘪，需设置加强圈。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。当量高度计算一.SH3046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基础，参照当量高度的概念：加强圈的数量及其位置加强圈数加强圈

17、的位置0n例题 一台浮顶油罐内径60m，高18m，罐壁由9层2m宽的圈板组成，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 求加强圈的个数，位置及尺寸。解：（1）求设计压力P（2）求其中：各圈的He值，列表如下：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。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

18、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：（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 8150100 10200100 12加强圈数量和位置加强圈个数加强圈位置0n注： 规范要求加强圈与环焊缝之间的距离应不少于150mm，若计算值不满足此要求，则需对加强圈的位置进行调整，要求调整后的两个加强圈之间的距离满足不大于 或加强圈之间节筒的许用临界压力大于设计外压。6.3 浮顶的结构与强度浮顶油罐是在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。一.双盘式浮顶二.单盘式浮顶单盘式浮顶周边为环形浮船，中间为单盘。单盘由钢板搭接而成，排板的形式有两种：单盘浮顶结构环形浮船：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有两方面：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。