管道及儲罐強(qiáng)度-7儲罐

1、第6章 油罐的設(shè)計計算 油罐是油品儲存的主要設(shè)施； 所有的石油產(chǎn)品都將在儲罐中存放一段時間。浮頂儲罐沿海油庫 以美國為例 API的一項(xiàng)調(diào)查表明，美國儲存石油產(chǎn)品的地上儲罐大約有700000，分布在煉油廠、銷售終端、運(yùn)輸部門和生產(chǎn)四個領(lǐng)域。儲油罐數(shù)量分布銷售煉油廠運(yùn)輸生產(chǎn)油罐事故的后果燃燒、爆炸，環(huán)境污染蘭化儲油罐爆炸日本地震引起油罐燃燒油罐的分類 油罐分為： 立式圓柱形油罐 臥式圓柱形油罐 雙曲率油罐 滴狀油罐 球形油罐 根據(jù)罐頂形式，立式油罐分為： 浮頂油罐 拱頂油罐 內(nèi)浮頂油罐 錐頂油罐 懸鏈?zhǔn)接凸蓿o力矩）（1） 浮頂油罐 罐頂浮在油面上，隨油品的收發(fā)上下浮動，浮頂與罐內(nèi)壁之間的環(huán)形空間

2、有可上下移動的密封裝置。 優(yōu)點(diǎn)： 不存在氣體空間，減少了油品的蒸發(fā)。 罐頂?shù)淖灾厥軆σ褐С?，受力狀況良好。浮頂型式 單盤 雙盤（2） 拱頂油罐 罐頂為球面的一部分，由46mm的薄鋼板和加強(qiáng)筋組成； 優(yōu)點(diǎn)：施工容易，造價低； 缺點(diǎn)：中間無支撐，罐頂直徑受到限制；（3）內(nèi)浮頂油罐拱頂與浮頂?shù)慕Y(jié)合，儲存貴重油品。（4）錐頂油罐 頂部為自支承式、梁柱式等。（5）懸鏈?zhǔn)接凸抟卜Q無力矩油罐。其他形式罐蒸汽圓頂儲罐蒸汽圓頂儲罐 球頂罐網(wǎng)格拱頂罐 節(jié)點(diǎn)球罐節(jié)點(diǎn)球罐 扁平球罐扁平球罐 油罐的發(fā)展趨勢大型化 大型化的優(yōu)點(diǎn)： 節(jié)省鋼材； 減少投資； 占地面積??； 便于操作管理； 節(jié)省管線及配件。對油罐的基本要求 強(qiáng)

3、度要求：卸載后，不應(yīng)留下塑性變形。 抗斷裂的能力：無論在水壓試驗(yàn)或操作條件下，油罐不得產(chǎn)生斷裂。對油罐的基本要求 強(qiáng)度要求：卸載后，不應(yīng)留下塑性變形。 抗斷裂的能力：無論在水壓試驗(yàn)或操作條件下，油罐不得產(chǎn)生斷裂。 抗風(fēng)的能力：在建造及使用期間，在建罐地區(qū)的最大風(fēng)荷下不產(chǎn)生破壞。 抗地震能力：要求在整個使用期間，在建罐地區(qū)的最大地震烈度下不產(chǎn)生破壞。 基礎(chǔ)穩(wěn)固：油罐基礎(chǔ)在整個使用期間的不均勻沉陷要在允許的范圍內(nèi)。7.1 立式油罐的罐壁強(qiáng)度設(shè)計 罐壁圈板由多塊鋼板對接焊成，各圈罐壁的縱縫應(yīng)錯開，其間距不小于500mm； 罐壁相鄰上下圈板的連接可采用：（a）套筒式；（b）對接式；（c）混合式；罐壁的

4、受力儲液靜壓力 罐壁受力圖 薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力忽略彎曲應(yīng)力，按薄膜理論考慮應(yīng)力 壁厚 0 xxpx R 0 xpx R確定罐壁厚度需要考慮的因素 每層罐壁板的厚度不同； 每層罐壁板中的應(yīng)力分布不均勻：定點(diǎn)法：罐壁中最大應(yīng)力發(fā)生在距下端300mm（1英尺）處；變點(diǎn)法：按罐壁板中的最大應(yīng)力考慮； 焊縫系數(shù)； 腐蝕裕量。罐體結(jié)構(gòu)示意圖 7.1.1 確定罐壁厚度的幾種標(biāo)準(zhǔn) 中國SH3046標(biāo)準(zhǔn)（定點(diǎn)法） 日本JIS B8501標(biāo)準(zhǔn)（定點(diǎn)法） 英國BS2654標(biāo)準(zhǔn)（定點(diǎn)法） 美國API650標(biāo)準(zhǔn)（變設(shè)計點(diǎn)法） 1、中國SH3046標(biāo)準(zhǔn)（定點(diǎn)法）t1 儲存預(yù)定介質(zhì)時的設(shè)計厚度，mm； 儲液密度，kg/m3

5、； H 計算的罐壁板底邊至設(shè)計儲液高度的距離，m； D 儲罐內(nèi)直徑，m； 鋼板許用應(yīng)力，設(shè)計溫度下2/3S或260MPa中的較小值，MPa； 焊縫系數(shù)，一般取0.9； C1 鋼板厚度負(fù)偏差，mm； C2 腐蝕裕量，mm； 2113 . 09 . 4CCDHt例：15萬方浮頂儲罐的設(shè)計條件和基本數(shù)據(jù) 儲罐直徑：100m 罐壁高度：21.8m 設(shè)計儲液高度：20.2m 計算容量：158650m3 儲液密度：910kg/m3 設(shè)計溫度：50 罐壁腐蝕裕量：1mm 罐壁層數(shù)：8 罐壁材質(zhì)： SPV490Q（s=490MPa， b=610MPa，E=206000MPa） 16MnR（s=345MPa，

6、b=510MPa ，E=209000MPa） Q235B（s=235MPa， b=375MPa，E=210000MPa） 計算結(jié)果層號材料許用應(yīng)力MPa腐蝕余量mm操作計算厚度mm試水計算厚度mm名義厚度mm壁板寬度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合計12323232、日本JIS B8501標(biāo)準(zhǔn)（定點(diǎn)法）t 最小板厚，mm； 儲液比重（當(dāng)小于1時，取1）；H 由該段壁板的下端至設(shè)計液位的高度，m； D 儲罐內(nèi)直徑，m； fm 母材的許用應(yīng)力，取60%S MPa ； 焊縫效率，第一層取0.85，其余取1.0； C 腐蝕裕量，mm。CfHDtm2 . 03 . 0層號材料許用應(yīng)力MPa腐蝕余量mm計算厚度mm名義厚度mm壁板寬度mm重量kg1SPV490Q29

8、4140.8241.029803013912SPV490Q294129.7830.026801983293SPV490Q294125.2225.526801685804SPV490Q294120.6621.026801388305SPV490Q294116.1016.526801090816SPV490Q294111.5412.0268079331716MnR20719.5012.02660787258Q235-B14114.0512.0266078725合計11529923、英國BS2654標(biāo)準(zhǔn)定點(diǎn)法計算 t 最小板厚，mm； w 儲液比重（取值不得小于1）；H 由該段壁板的下端至設(shè)計液位的

9、高度，m； D 儲罐內(nèi)直徑，m； S 設(shè)計許用應(yīng)力， 2/3S或260MPa中的較小值，MPa； P 設(shè)計壓力，mbar(對無壓儲罐可忽略不計)； C 腐蝕裕量，mm；CPHwSDt)3 . 0(98204、美國API650標(biāo)準(zhǔn)（變點(diǎn)法）隨著儲罐的大型化，罐壁中最大環(huán)向應(yīng)力點(diǎn)逐漸上移，所在的位置大約在 處，隨著儲罐的增大，R、t增大，故最大環(huán)向應(yīng)力往往落在第二層壁板上 Rt2變點(diǎn)法的計算步驟底圈罐壁板計算厚度tptSGHDt3 . 09 . 4tttSDHSHHDt0696. 006. 11兩者之中取最小值各圈壁厚的變點(diǎn)計算法hi-1計算圈的下面一圈的圈板高，m；r油罐半徑，m；ti所需計算的

10、第i圈的罐壁計算厚度，mm；tai根據(jù)變點(diǎn)位置求得的第i圈的壁厚值，mm。10011375. 1iiiittrth時，當(dāng)aiiiittrth011625.2時，當(dāng)11100111 .2625.2375.1iiaiiaiiiirthttttrth時，當(dāng)變點(diǎn)法計算到圈板底邊的距離式中CHrtxai32061. 01CHx1002airtx22. 13011,1iaitk kCktk k變點(diǎn)法需反復(fù)試算迭代，計算工作量大三式之中取最小值規(guī)范計算方法計算公式焊縫系數(shù)儲液密度許用應(yīng)力SH3046定點(diǎn)法操作工況下t1=0.0049(H-0.3)D/(t)+C1+C20.9介質(zhì)密度設(shè)計溫度下2/3St或26

11、0MPa中的較小值試水工況下t1=0.0049(H-0.3)D/()+C10.9水的密度常溫下2/3S或260MPa中的較小值A(chǔ)PI650定點(diǎn)法(D60m)設(shè)計條件下t1=4.9D(H-0.3)G/Sd+CA1介質(zhì)密度2/3S或2/5b中的較小值靜水壓試驗(yàn)條件下t1=4.9D(H-0.3)G/Sd1水的密度3/4S或3/7b中的較小變點(diǎn)法略JIS B8501定點(diǎn)法T=D(H-0.3)/(2fm)+C底圈0.85，其余1.0取介質(zhì)與水的較大值60%SBS2654定點(diǎn)法T=D98w(H-0.3)+P/(20S)+C1不小于1.02/3S或260MPa中的較小值四種標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果的比較（10萬方罐）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層號遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范壁厚比較05101520253035厚度123456789層號SH3036API650JIS B8501BS2654四種標(biāo)準(zhǔn)計算的罐壁總重量比較（ kg） 6400006

13、60000680000700000720000740000760000780000800000820000SH3046API650JIS B8501BS2654罐壁的開孔補(bǔ)強(qiáng)由于使用要求，必須在罐壁上開孔并接管；開孔后的罐壁將在孔的附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致孔口疲勞破壞或脆性裂口，使孔口撕裂；補(bǔ)強(qiáng)辦法：在開孔的周圍焊上補(bǔ)強(qiáng)鋼板，增大開孔周圍的壁厚；“等截面”補(bǔ)強(qiáng)方法。補(bǔ)強(qiáng)板形狀 開孔直徑不超過250mm 開孔直徑超過250mm7.2 立式油罐的抗風(fēng)設(shè)計 油罐抗風(fēng)穩(wěn)定性很差，容易屈曲破壞 大直徑、薄壁、敞口由于大風(fēng)造成的頂部屈曲的固定浮頂儲罐 直徑36米的固定頂儲罐由于內(nèi)部真空作用造成頂部屈曲 風(fēng)速

14、達(dá)到160英里/小時的一次颶風(fēng)中空罐坍塌 抗風(fēng)措施 罐頂設(shè)抗風(fēng)圈； 中間設(shè)加強(qiáng)圈（一圈或數(shù)圈）。7.2.1 風(fēng)載荷的分布和計算 風(fēng)以一定速度吹在構(gòu)筑物上，產(chǎn)生風(fēng)壓； 風(fēng)壓是根據(jù)風(fēng)速計算： 162220VgVW；重力加速度，；標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，此時時的數(shù)值為準(zhǔn)。絕對干燥，氣溫個大氣壓，以空氣容重，；），標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓（基本風(fēng)壓式中2302022551151s/mgs/mV;m/kgf.Cm/kgfW 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速以一般平坦地區(qū)，離地面10m高，30年一遇的10分鐘平均最大風(fēng)速為依據(jù)。罐壁上風(fēng)壓分布 正對著風(fēng)的一點(diǎn)稱為駐點(diǎn)，駐點(diǎn)的風(fēng)壓值最高； 迎風(fēng)面上大約600范圍受壓，其它部分是吸力。風(fēng)載荷計算中的考慮體型系數(shù)

15、敞口1.5、閉口1.0由10分鐘最大平均風(fēng)壓折合成瞬時風(fēng)壓要乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)；基本風(fēng)壓是以離地面10米高為基準(zhǔn)的。離地面越高，風(fēng)壓越大。在設(shè)計時要乘以高度變化系數(shù)離地面或海面高度，m陸上海（島）上510152030400.781.001.151.251.411.540.841.001.101.181.291.37對于敞口油罐，設(shè)計風(fēng)壓按下式計算021WKKKPz。標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓，見下表高度變化系數(shù)，可取轉(zhuǎn)換系數(shù)，可取體型系數(shù)，；設(shè)計風(fēng)壓，式中202125251m/kgfW;K;.K;.Km/kgfPz7.2.2 抗風(fēng)圈的設(shè)計和計算 抗風(fēng)圈設(shè)置在油罐的頂部，通常位于包邊角鋼以下1m位置。 抗風(fēng)圈的外形可以

16、是圓的，也可以是多邊形的。 抗風(fēng)圈是由鋼板和型鋼拼裝成的組合斷面結(jié)構(gòu)。 抗風(fēng)圈的剛度由截面系數(shù)確定?？癸L(fēng)圈的結(jié)構(gòu)SH3046基本風(fēng)壓值取700Pa，距地面15m。HDWZ2082. 0WZ截面模數(shù)D油罐內(nèi)徑；H罐頂高度；假設(shè)：迎風(fēng)面風(fēng)壓分布范圍所對應(yīng)的抗風(fēng)圈區(qū)段為兩端餃支的圓拱，沿拱鈾線的風(fēng)呈正弦曲線分布，圓拱所對應(yīng)的圓心角為600，并假設(shè)罐壁上半部分的迎風(fēng)面風(fēng)壓由抗風(fēng)圈承擔(dān)。 API650和BS2564 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速取45m/s，距地面9m。 22058. 0HDZ 21245042. 0VHDZJIS B8501 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速取70m/s，距地面15m。 7.2.3 加強(qiáng)圈的設(shè)計和計算 抗風(fēng)圈以下

17、的罐壁，仍有可能被吹扁，需設(shè)置加強(qiáng)圈。 風(fēng)壓失穩(wěn)由不均勻分布外壓造成，和均勻外壓失穩(wěn)的臨界壓力相比，低13.6%。 罐壁失穩(wěn)按均勻外壓考慮。當(dāng)量高度 油罐是階梯形變斷面圓筒，按當(dāng)量高度折算； 將壁厚不同的各筒節(jié)折算成直徑相同、穩(wěn)定性相同的等壁厚圓筒，折算后的筒節(jié)高度稱為當(dāng)量高度； 按折算后的等壁厚圓筒設(shè)計加強(qiáng)圈。當(dāng)量高度計算5tthHmine。時的當(dāng)量高度，厚度為所計算的那層圈板在；罐壁的最小厚度，壁厚，所計算的那層圈板的；度，折算前圈板的實(shí)際高式中mtHmmt;mmtmhmineminSH3046推薦方法 以薄壁短圓筒在外壓作用下的臨界壓力計算公式為基礎(chǔ)，參照當(dāng)量高度的概念：E.mincrH

18、DtP51521680。當(dāng)量高度，油罐內(nèi)徑，；罐壁的最小厚度，；罐壁許用臨界壓力，式中mHmDmmtm/kgfPEmincr2加強(qiáng)圈的數(shù)量及其位置設(shè)計壓力P與Pcr的關(guān)系加強(qiáng)圈數(shù) 在當(dāng)量筒體上的位置Pcr PP/2Pcr PP/3Pcr P/2P/4Pcr P/30123-He/2He/3, 2/3HeHe/4, He/2, 3/4He例題 一臺浮頂油罐內(nèi)徑60m，高18m，罐壁由9層2m寬的圈板組層，抗風(fēng)圈設(shè)在離上口1m處，罐壁自上而下的厚度分別為10、10、10、12、14、16、18、20、23mm，建罐地區(qū)基本風(fēng)壓W0=70kgf/m2，求加強(qiáng)圈的個數(shù)，位置及尺寸。解：（1）求設(shè)計壓力

19、P021WKKKPz21115115181520151251525121.KK;.K;.Kzz并用線性插值法查表，高度變化系數(shù)，可取轉(zhuǎn)換系數(shù)，可取體型系數(shù)，292857021125251m/kgf.P（2）求Pcr各圈的He值，列表如下：E.mincrHDtP51521680min1060EetmmDmHH ；層次h，m t， mmHe, m1234567891222222221010101214161820231221.2680.8620.6180.4600.3540.249（3）確定加強(qiáng)圈的個數(shù)與位置所以需設(shè)2個加強(qiáng)圈。m.HE8118249035404600618086202681221

20、251527129811860101680m/kgf.P.cr23951422395322/PP/Pm/kgf./Pm/kgf./Pcr 第一個加強(qiáng)圈：在當(dāng)量筒體上距抗風(fēng)圈HE/3處；HE/3=8.811/3=2.937m，因位于tmin處，故無需折算。 第二個加強(qiáng)圈：在當(dāng)量筒體上距抗風(fēng)圈2/3HE處； 2/3HE =8.8112/3=5.874m，因不在tmin處，故需折算，其距抗風(fēng)圈的實(shí)際距離為。m.3796101258745552（4）加強(qiáng)圈的尺寸參閱下表，取加強(qiáng)圈角鋼為20010012mm。油罐直徑Dm角鋼圈（或同樣截面系數(shù)的型鋼）mmD2020D36364810060 812575

21、8150100 10200100 127.3 浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)與強(qiáng)度 浮頂是大中型油罐罐頂中最常見的結(jié)構(gòu)形式； 浮頂有兩種： 雙盤式：有上下兩層蓋板，隔熱效果好，用來存放輕質(zhì)油等，多用于5000m3或更小的罐； 單盤式：周邊為環(huán)形浮船，中間為單盤，多用于5000m3以上的罐。7.3.1 浮頂結(jié)構(gòu) 浮頂結(jié)構(gòu) 單盤由鋼板搭接而成，排板的形式有兩種：人字形排板條形排板浮頂結(jié)構(gòu) 環(huán)形浮船：由隔板分隔成若干互不滲漏的艙室；艙室的數(shù)目根據(jù)需要確定。 立柱：設(shè)置若干立柱的目的： 當(dāng)液面處于較低的位置時，浮頂下降并支承在立柱上，避免與罐內(nèi)附件碰撞； 檢修時的浮頂支于立柱上。 浮頂上有中央排水管：由若干段鋼管組成，管與管之間有活動接頭。 自動通氣閥：使罐底與浮頂之間的空間接通大氣。浮頂結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)動扶梯：作為從罐壁盤梯的頂平臺到浮頂?shù)耐ǖ馈?導(dǎo)向裝置：防止浮頂轉(zhuǎn)動或偏移。 人孔：每個艙室上應(yīng)設(shè)置船艙人孔，定期進(jìn)入艙室檢查有無滲漏或滲油處。浮頂上至少設(shè)置一個人孔，以便油罐排空后在檢修進(jìn)行通風(fēng)、透光和便于檢修人員的出入。 密封裝置：填充浮頂?shù)耐膺吘壈迮c罐壁之間的200300mm間隙。浮頂結(jié)構(gòu)重錘式機(jī)械密封1罐壁；2橡膠板；3滑板；4浮船；5重錘軟泡沫塑料密封1固定板；2密封膠袋