【《拱顶油罐设计工艺计算过程案例》8300字】

拱顶油罐设计工艺计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u28485拱顶油罐设计工艺计算过程案例 1299921.1油罐钢材尺寸选择 2173861.1.1概述 2275371.1.2许用压力[σ] 2228511.1.3油罐经济直径和高度 4166141.2罐壁强度设计 571101.2.1罐壁计算说明 5107511.2.2充水时各层板厚 8261661.2.3储油时各层板厚 13293411.3拱顶设计 19269331.1.1拱顶结构及主要尺寸 19308231.1.2荷载计算 2056291.1.3包边角钢 22126701.1.4球壳设计 2493131.4油罐抗风设计 26150241.5罐底及罐基础设计 2938711.5.1罐底设计 29202531.5.2罐基础设计 30147871.6油罐抗震设计 30114971.6.1储罐的罐液耦连振动基本周期Tc 30268371.6.2液体晃动基本周期Tc 31252511.6.3罐壁底部水平地震剪力Q0 31254631.6.4管壁底部地震弯矩M1 32290421.6.5罐壁底部最大轴向压应力σ1 32175431.6.6罐壁许用临界应力 3222801.6.7罐内液面晃动波高hv 3394311.7开孔补强计算 33286791.8质量检验 35253251.8.1罐底质量检验 35186841.8.2罐壁的质检 35304311.9储罐防腐蚀设计 36239431.9.1罐壁的防腐蚀设计 361.1油罐钢材尺寸选择1.1.1概述该工程设计目标为2000立方米柴油拱顶罐。计算部分主要由储罐壁厚计算、拱顶尺寸计算、抗震、抗风校核开孔补强计算四部分组成。结构上，拱顶罐主要由三部分组成：弧形的拱顶，圆筒形罐壁及罐平底。中小油量的拱顶油罐的环向焊缝，一般采用套筒式，一般大小油罐罐壁圈板纵向焊缝常采用对接式，混合式常见于大容量储油罐。设计计算时，强度要求，满足稳定性对于罐壁采用的钢板来说，必须同时满足条件。1.1.2许用压力[σ]罐壁：罐顶厚度取tr=6mm，罐底厚度取tb=7mm。原油比重为0.8601，η=0.9。表3-1许用压力表(Mpa)（Mpa）％49061017343509.621235.2375材料：07MnSiCrMoVDR(16-50mm)16MnR(6-16mm)Q235-A(As钢)对材料07MnSiCrMoVDR(16-50mm)充水时：储油时：取对材料16MnR(6-16mm)充水时：储油时：取对材料Q235-A(As钢)充水时：储油时：取1.1.3油罐经济直径和高度基本尺寸：根据我国常用固定顶罐系列基本尺寸表知，2000立方米拱顶油罐罐顶厚度；边缘板最小厚度可以取7mm；即，，，取原油容重：3水容重：3焊缝系数：经济高度及半径确定：（1）式中：—不同介质下的许用应力，Mpa；-焊缝系数-罐顶罐底最小厚度之和，mm；-介质容重，取整 （2）式中：-储罐内半径-储罐体积-储罐罐壁高度取，取变壁厚圈版高度为2.1米，取最高液位为。1.2罐壁强度设计1.2.1罐壁计算说明常用的壁厚计算公式为 （3）式中：–罐壁设计厚度，；–罐壁计算厚度，；–钢板厚度允许负偏差，；–腐蚀裕量，。 （4）式中：–所给出的这一圈罐壁与储圈板从底边到整个储罐圈板顶端的平均平行距离，；–油罐直径，；–设计温度下钢板的许用应力，–储液容重，；–焊缝系数。变点设计方法计算存放罐壁厚经济合理，并且符合了在实际使用中存放罐壁内部应力的真正情况。故本工程中所采用的可逆性变点式设计方法对储罐罐面板进行了设计和测量。根据api650，变点法相关数值计算公式表示如下： （5） （6） 式中：–底圈罐壁板计算厚度，；–罐底至顶部角钢顶面的高度，；–罐底圈直径，；–储液容量，；–纵向焊缝系数，取。选用两个计算式求得的较小值作为底圈的计算壁厚。各圈壁厚的变点计算法如下：当时，当时，当时 （7）式中：–计算圈的下面一圈的圈板高，–油罐半径，；–所需计算的第i圈的罐壁计算厚度，；–所需计算的第i圈下面一圈的圈板计算壁厚，；（但在计算比值时，单位取）–根据变点位置求得的第i圈的壁厚值，；先求得底圈计算壁厚后，再顺序计算上面各圈的计算壁厚，i代表圈板顺序，自底圈向上分别为1、2、3…。由的计算公式可以看出，为了求得，应先求出。下面三个式子中求出的最小值，就是变点设计点到计算圈的圈板底边的距离，一次最小值来计算。 （8） （9） （10） 式中：；；–第i圈圈板底部至罐壁顶部角钢顶面的高度，。用上面式子计算值时，和均为作为单位。是个比值，计算值时必须对和取相同的单位。求得的值单位为。取、、三个值的最小值作为计算点，用它来求取第i圈的值。 (11）式中所有剩余符号在本文中的含义都同前面所说，求得的的单位为。按照API650的设计要求，当我们通过使用以上的方法来计算一个储罐各层的计算壁厚时，必须对两种计算方式的基本条件下及充水实验条件下的两种方式进行了求解和比较。分别从两种情况下计算得到的是壁厚。当按照储存柴油的设计条件对其进行计算时，取储存柴油产品的容重，取储存油品的容重（），许用应力取和中的较小者为材料的屈服极限，为材料的强度极限，单位均为Mpa。按充水试验条件进行计算时，取水的容重（），采用和中的较小者。首先依据设计条件要求求出的计算壁厚，然后再依次加上适当的腐蚀裕量c与按照充水实验要求求得的计算壁厚值进行对比，取二者中的较大值，并在其上面进行适当的圆整，可以得到相应的计算线圈的设计壁厚。变点法设计储罐壁厚的基本原理是上层储罐壁板板的最小厚度一般不得超过或等于下层储罐壁板板的最小厚度，同时，储罐最小壁厚也不能超过API650中要求的相应相应尺寸储罐罐壁最小厚度。1.2.2充水时各层板厚求底圈计算壁厚取二者较小值，故底圈计算壁厚求第二圈计算壁厚由于故用下式计算(确定t02的算法）用逐步法求第一次试算第二次试算第三次试算求第三圈计算厚度由于故用下式计算用逐步试算法求，取第一次试算第二次试算第三次试算求第四圈计算壁厚由于，所以用逐步试算法求，第一次试算第二次试算第三次试算由于罐壁最小设计厚度为，所以1.2.3储油时各层板厚求底圈计算壁厚取二者较小值，故底圈计算壁厚求第二圈计算壁厚由于故用下式计算用逐步法求取第一次试算第二次试算第三次试算求第三圈计算厚度由于故用下式计算用逐步试算法求，取第一次试算第二次试算第三次试算求第四圈计算壁厚所以用逐步试算法求，第一次试算第二次试算第三次试算由于罐壁最小设计厚度为，所以（考虑腐蚀裕量到最小厚度结束）表3-2罐壁设计壁厚材料Q235-A层数1234567充水5.664.71.7152.728333储油5.204.321.4132.51333大值(考虑腐蚀裕量）5.664.691.7033333偏差-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5腐蚀余量2222222圆整87655551.3拱顶设计1.1.1拱顶结构及主要尺寸当由于储罐内部具有较大的大量气体和较大压力混合作用时，拱顶与等于储罐的直径厚度都应该是完全基本相等的这时候，拱顶的直径强度和所要求半径应该应当是完全等于储罐直径的两个圆柱形和储罐壁半径强度的2倍，此时简单地我们可以通过计算公式得到，当等于储罐顶的等于曲率r和半径强度R和油罐直径D是都应该是完全基本相等的，一般通常这种情况下，拱顶的等于曲率强度半径和等于储罐顶的直径之间都会产生有无关于所谓的20%的偏差，即 (12)式中：—拱顶球面曲率半径—油罐内径转角曲率半径ρ影响罐顶高h，ρ小则h小，ρ大则h也大。ρ值选取时要合理适当，过小则会导致转角处局部弯曲应力过大，过大则会导致罐顶趋向于半球形，既增大了气体的空间，浪费了更多材料。一般取ρ=0.1D为宜，此时，拱顶板厚度： (13)扇形顶板尺寸： (14) (15)式中：-拱顶中心孔半径 (16) （17)瓜皮板个数：取22搭接宽度取40mm瓜皮板面积；瓜皮板总重量1.1.2荷载计算拱顶罐的罐顶的外部载荷主要由三个部分组成：第一是拱顶的自身重力，第二是处于操作条件下罐内可能产生的真空度、第三是雪载、活载荷。当外部载荷过大的时候，拱顶强度不合格时，储罐顶部就有可能会失去稳定性，同时外载荷也有可能会把用于加固的包边角钢拉坏。但是，不能一味地加大壁厚，一旦过分加大壁厚，可能会导致耗钢量增加，增加预算，降低经济性，所以应该正确的计算外部载荷。 (18)式中：-作用在球壳上的外载荷，pa；-球壳单位面积的自重，pa；-在操作条件下罐内可能产生的最大真空度，pa；-雪载，pa；-活载荷，pa。 (19) 是由于抽空和气体空间中的气体因温降收缩而形成的，取1.2倍的吸气阀开启压力，通常取50mm，即=490。是因为抽空气体空间中的气体，因为温降收缩而产生的，取1.2倍的吸气阀开启压力，通常取50mm，即=490。可以按照“建筑结构载荷规范”（GB50009—2012）有关章节相关内容选取，也可以根据沈阳市建罐石工地区实际情况选取数值，通常取＝450。通常可取400。++的取值最小不应小于1200。 (20)罐顶的内部承压载荷受力关系主要是由于罐内的液体油气承受压力而直接产生的，这一内部载荷很简单有可能就是在罐顶球壳上直接产生了一层薄膜的承压应力，从而直接使得罐顶包边角钢筋环变成了一个受力承压环。 (21) 式中：—作用于球壳上的内载荷—对于罐内最大的正负负压力，可以考虑采用闭式呼吸阀对于开启时的正正压力，通常可以采用：=2000PaK—超载系数，取K=1.21.1.3包边角钢罐顶总垂直载荷可以根据下式求出 (22)式中：—罐顶总垂直载荷，N；—罐顶部壁板的内径，m；—球壳单位面积上的载荷Pa可取和中的较大者，当大时，包边角钢受压应力，大时，受拉应力。取，包边角钢受压应力，可取和其中的比例为较大者，当大时，包边角钢承受到一定的压应力，大时，受到一定的拉伸应力。取，包边角钢承受到的压力。沿拱顶周边单位长度上的力T1可按下式计算拱顶球面曲率半径R等于油罐内径D时， (23) (24) 将T1分解，其水平方向的分力T2为 (25)包边角钢横截面中所受的力F为 (26)式中：—包边角钢横截面上所受的力； （27）式中：—包边角钢横截面上所受的力；—沿包边角钢圆周单位长度上的水平分力；—包边角钢处罐顶板切线与水平线的夹角。所需包边角钢的最小截面积Amin可按下式求得： （28）式中：—许用应力，156.8Mpa；—焊缝系数；—所需包边角钢的最小截面积，其中包括一部分与之共同作用的罐壁与罐顶截面积；—材料的屈服极限，通常包边角钢采用A3F，=2400kgf/cm2。可认为与包边角钢相连的罐顶与罐壁各16倍板厚的截面与包边角钢共同起作用，则包边角钢本身的截面积应满足下式 （29）式中：——包边角钢的截面积，；——与包边角钢相连的壁板厚度，m；——罐顶板厚度，m。1.1.4球壳设计[7]拱顶罐的拱顶校核一共包括两个部分：第一部分是因为内部压力的作用而在罐体中出现的对薄膜应力强度的校核，第二部分是当外部压力作用时的稳定性校核。一般我们在计算时考虑第二种校核部分，所以，一般习惯于校核第二种即当外载荷作用时的稳定性校核。当油罐实际容积小于1000m3时，体积相对较小，做成光球壳就可以，不用加固。反之，对于体积偏大的油罐就需要对球壳进行加筋，既能保障强度又能节约资金。2000m3油罐球壳板厚取=6mm1.1.5带肋球壳稳定性校核使用范围：(1)储罐直径应小于32m(2)肋条间距应小于1.5m许用外压：(1)带肋球壳的许用外压按下式计算： (30)式中：—带肋球壳的许用外压，Pa；—钢材的弹性模量，MPa；—球壳的曲率半径，m；—球壳顶板的有效厚度mm，取钢板规格厚度减去厚度附加量；—带肋球壳的折算厚度，mm。 （31） （32） （32） （33） （34） 式中：—纬向肋与球壳的折算厚度，mm；—纬向肋宽度，mm；—纬向肋厚度，mm；—纬向肋在经向的间距，mm；—纬向肋与顶板在经向的面积折算系数；—纬向肋与顶板在经向的组合截面形心（O点）到顶板中面的距离，mm；—经向肋与球壳的折算厚度，mm；—经向肋宽度，mm；—经向肋厚度，mm；—经向肋在经向的间距，mm；—经向肋与顶板在经向的面积折算系数；—经向肋与顶板在纬向的组合截面形心（O点）到顶板中面的距离，mm；（2）带肋球壳的稳定性应按下式验算： （35）式中：—设计内压；—许用外压。在储罐拱顶球壳上存在的凹凸部分会大程度上降低球壳的临界载荷，因此球壳的局部凸凹程度一定要被严格的控制。1m长弧形样板可以作为测量仪器使用，测量结果要求：罐顶所有位置上的间隙要不大于6mm。为了能够保证球壳板和肋板之间能够一起承受力，二者之间要焊好，一般都会选择两种双面间断焊方式，其中焊脚的高度必须等于顶板的厚度，切记不允许长时间漏焊或只采用点焊的方式。当储罐发生事故时，罐内压力急剧上升，在设计结构的时候，要保证首先破开的是罐顶球壳。这样在一定程度上可以使罐壁不破裂，油品不会漏出，火势不接着蔓延所以，罐顶板与包边角钢之间不一定是必须有太过紧密的连接，只需保证外侧使用一种单面连续焊接方式，其中焊脚高度一般要不超过顶板厚度的3/4，同时不大能大于4mm。验收时，应该着重对此焊缝进行检查。1.4油罐抗风设计1.4.1抗风设计因为在生产实际过程中，越来越多的应用油罐大型化的进程和高轻度钢材，储罐罐径与罐壁厚度的比值相对减小，所以在外部风力作用的下，储罐的稳定性越来越令人堪忧。在此之前，容积较小的油罐一般只需要顶部加抗风圈就足以稳定。如今的大型油罐，如果仅仅只加设抗风圈而不再罐壁上设计相应的一个到多个加强圈，那么顶部以下的罐壁仍然面对着被吹瘪的风险。由于近年来国内外大型油罐在风力的作用下局部被吹瘪的案例越来越多，所以各国都加强了对罐壁的抗风能力的研究，部分国家已经把相关研究成果用于油罐的设计中。（1）抗风圈的设计和计算：因为是固定顶罐，故上部无需设抗风圈。（2）加强圈（中部抗风圈）的设计和计算： （36） （37） （38） （39）式中：—设计外压，Pa；—体型系数，可取=1.5；—转换系数，可取=2.25；—高度变化系数，本设计取=1；—建罐地区的基本风压，Pa；—呼吸阀开启滞后系数，一般可取=1.2；—呼吸阀负压起跳压力，Pa；—罐壁许用临界压力，KPa；—核算区间油罐最薄壁板有效厚度，m；—油罐内径，m；—当量高度，对于固定顶罐为罐壁桶体的当量高度；—第i圈罐壁板的当量高度，m；—第i圈罐壁板的实际高度，m；—第i圈罐壁板的有效厚度，m。 表3-3圈版折算表圈板层次h(m)δ(mm)He（m）12.180.44622.170.67732.161.1142.15252.15262.15272.152确定加强圈的位置和个数 （40）第一个中间抗风圈：在当量筒体的处，即因位于最小厚度时，故无需折算。第二个中间抗风圈：在当量筒体的处，即因位于最小厚度处，故无需折算。查表可知中间抗风圈角钢为﹂校核距离第一个抗风圈离罐壁环焊缝的距离：，位置无需调整。第二个抗风圈离罐壁环焊缝的距离：，位置无需调整。1.5罐底及罐基础设计1.5.1罐底设计拱顶罐是一种立式储罐，其底板通常直接放置在基础的砂床上，储罐内油的重力直接影响基础，压缩力很小。对于钢板，这几乎可以忽略不计。因此，从理论上讲，设计中对楼板没有强度要求，地基和地面可以完全封堵，但由于油罐容积不同，施工中应考虑基础方案和经济预算的影响，同时考虑罐底结构：楼层布置，不同的国家标准和设计规范对楼板厚度和搭接形式有不同的要求。罐底垂直于砾砂垫层底部，采用钢板逐块焊接。基材为Q235-A钢，由于罐底中部位置无强度要求，可采用罐侧相同材料。罐底板分为两部分，以上称为中间板，2000m3罐的焊接缺陷和容积计算依据不一致，平均厚度为7mm板的布置不一致。罐底板的另一部分是与罐壁直接相连的边缘板，侧板的受力复杂，其厚度与罐壁最下层的厚度密切相关。底边板距罐壁外侧宽度50mm，厚度7mm。罐底板的排板形式主要需要达到以下目标：焊接变形要最小、施工操作简单，钢材消耗量较少。当时，矩形中福板和边缘板排版成底板；当时，弓形边缘板在周边排列组成底板。由于本设计储罐直径小于，所以本设计中采用第一种设计方案。考虑到罐底边对接焊缝方式所得到的焊缝质量好，表面平滑，美观，合格率高，应力状态良好，所以采用了罐底边对接焊缝。在边缘板与焊缝下面应选择的垫板，从而保证边缘板能够与垫板紧密排列。1.5.2罐基础设计本设计考虑以下因素：（1）池底砂垫层应符合设计要求，池底接触部分应与池底变形相适应。（2）为防止储油器底板渗漏，应增设输油管道进行渗漏检测。（3）为了达到最佳的生产效果，在实际设计中应仔细检查垫层的一致性。在本设计中，储油罐基础取代砾石基础，应考虑以下几点：（1）考虑到雨水排放的影响，油罐基础外侧宜采用碎石或永久衬砌。（2）确保储罐基础表面光滑，符合合格储罐基础标准。（3）在设计储罐时应充分考虑排水问题。1.6油罐抗震设计1.6.1储罐的罐液耦连振动基本周期Tc当 查表，由内插法算得因为 所以罐壁高度1/3处位于第二层，此处罐壁的有效厚度为则： (41) 式中：—储罐液位高度，m；—耦联振动周期系数；1.6.2液体晃动基本周期Tc当时，查表由内插法得1.049 （42）式中：—晃动周期系数1.6.3罐壁底部水平地震剪力Q0由对建罐区域场地的类型及其抗震性能进行设计分组可以得到：反应谱的特征周期定义为Tg=0.35s。又根据抗震设防烈度，和储罐地震影响系数曲线得到：由，查表得动液系数储液质量 （43）式中：—综合影响系数；—地震影响系数；—罐体影响系数1.6.4管壁底部地震弯矩M1 （44）罐壁质量：罐体总重量：1.6.5罐壁底部最大轴向压应力σ1罐壁横截面积底圈罐壁的截面系数所以： （45）式中：—竖向地震影响系数—翘离影响系数1.6.6罐壁许用临界应力 (46)式中：—底层罐壁的有效厚度，m；—储罐钢材的弹性模量，mpa；—储罐外径，m因为，所以罐壁轴向应力满足抗震校核要求。1.6.7罐内液面晃动波高hv根据抗震设防烈度，Tw和储罐地震影响系数曲线得到：所以又因为hv<液面到罐壁上沿高度（15—12.15=2.85m），所以晃动波高满足校核要求。1.7开孔补强计算就目前的生产情况来看，油罐不是一个完全封闭的圆柱体，实际上需要对油罐壁进行钻孔和连接，同时打开管壁后，会出现孔周张力集中的问题。最大荷载可达到罐壁所能承受荷载的三倍或更多。如果门户结构没有适当的强度和加固处理措施，局部压力太大，再加上缺陷和残余应力，可能会直接导致门户疲劳或者是脆性断裂，最终导致门户开裂。所谓加固就是增加洞口周围的壁厚，减小洞口周围的张力。以人孔为例选择补强圈尺寸并进行校核。人孔600mm，接管规格为补强圈尺寸为人孔开在距罐底800mm处，此处罐壁厚。补强钢圈材质为Q235-A。需要补强的金属截面积为： （47）式中：—沿罐壁的纵向开孔直径，；—开孔处罐壁的计算厚度，。可用于补强的金属截面积由﹑和三部分组成 (48)式中：—在补强区域内罐壁实际壁厚超出计算壁厚的部分可用作补强的截面积，—开孔处罐壁厚度，； (49)式中：—接管厚度在补强区域超出计算壁厚的部分可作补强的截面积，；—接管的壁厚，；—接管的计算壁厚，。 (50)式中：—储液高度—接管直径为补强区域内的接管长度，或，取两式求得的小者作为值∴取式中：——补强板厚度，通常与罐厚度相同，。 (51) 式中：—补强板的截面积，；—补强板外半径与内半径之差值(对于多边形板，取内切圆半径为补强板外半径)，所以补强合格。1.8质量检验1.8.1罐底质量检验关于罐底鼓包平度的严格检查：在全部专业工作人员全部完成了整个罐底的基础整体材料组装与罐底焊接之后，需要特别注意的是保证在整个罐底上工时能够至少离开一个罐体基础材料表面的最大宽度局部一个鼓包，尽量不能有超过最大局部鼓包长度的，且不能尽可能长度超过局部长度的0.25，且不超过。焊缝质量检查：（1）对外观检查：焊缝表面需平整不能有砂眼.裂缝等，为了保证焊缝的饱满，尽量使用放大镜检查。（2）焊缝严密性检查：一般采用真空接法，要求的真空度应大于或等于。（3）边缘板与罐壁间接缝处和边缘板的对接焊缝这两个部分是主要检查部位，碳粉探伤在这些焊缝每焊完一遍就要