管道第六章之油罐的應(yīng)力分析(96頁(yè))

1、第6章 油罐的應(yīng)力分析油罐是油品儲(chǔ)存的主要設(shè)施；所有的石油產(chǎn)品都將在儲(chǔ)罐中存放一段時(shí)間。浮頂儲(chǔ)罐沿海油庫(kù) 日本所用石油的99.8靠進(jìn)口。1992年石油儲(chǔ)備8000萬(wàn)噸(111天), 1994年至今,保持在150天的石油消費(fèi)量。美國(guó)是世界上最大的石油儲(chǔ)備國(guó)，1992年其石油儲(chǔ)備20170萬(wàn)噸，達(dá)到了93天的石油消費(fèi)量。要想達(dá)到這一要求需建造大量的大型儲(chǔ)油罐，由于單罐的容量越大，其材料，占用的場(chǎng)地也越省，因而近30年來(lái)儲(chǔ)罐向大型化迅速發(fā)展。國(guó)外油罐建設(shè)現(xiàn)狀 1962年美國(guó)首先建成10萬(wàn)方大型浮頂罐；1967年在委內(nèi)瑞拉建成15萬(wàn)方浮頂油罐。1971年日本建成16萬(wàn)方浮頂油罐，儲(chǔ)罐直徑達(dá)109米，高

2、17.8米；沙特阿拉伯已建成20萬(wàn)方巨型油罐，直徑達(dá)110米，高22.5米。目前發(fā)達(dá)國(guó)家仍在不斷研究更大型的儲(chǔ)罐技術(shù)(拱頂鋁網(wǎng)殼頂，玻璃鋼內(nèi)浮頂，外浮頂浮船)。而柱支撐錐頂罐由于建罐成本低，罐頂板腐蝕易更換，在腐蝕嚴(yán)重的沿海地區(qū)很受歡迎。我國(guó)油罐建設(shè)現(xiàn)狀 我國(guó)每年進(jìn)口1.5億噸（占45）70年代國(guó)內(nèi)首臺(tái)5萬(wàn)方浮頂罐在上海陳山碼頭建成。80年代中后期，國(guó)內(nèi)開(kāi)始建造10萬(wàn)方大型浮頂油罐到目前為止，國(guó)內(nèi)建成并投入使用的大型浮頂油罐最大容量為15萬(wàn)方大型浮頂油罐。地下儲(chǔ)油氣庫(kù)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（滴狀油罐和球形油罐）立式油罐分為：浮頂油罐、拱頂油罐、內(nèi)浮頂油罐

3、、錐頂油罐、懸鏈?zhǔn)接凸蓿o(wú)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(dòng)，浮頂與罐內(nèi)壁之間的環(huán)行空間有可上下移動(dòng)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?chǔ)液支持，受力狀況良好。2萬(wàn) 的浮頂油罐國(guó)內(nèi)80年代建造了4座10m3罐（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(jià)低；缺點(diǎn)：中間無(wú)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(chǔ)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(wú)力矩油罐。油罐的發(fā)展趨勢(shì)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

4、。對(duì)油罐的基本要求強(qiáng)度要求：卸載后，不應(yīng)留下塑性變形?？箶嗔训哪芰Γ簾o(wú)論在水壓試驗(yàn)或操作條件下，油罐不得產(chǎn)生斷裂?？癸L(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(gè)使用期間，在建罐地區(qū)的最大地震烈度下不產(chǎn)生破壞?；A(chǔ)穩(wěn)固：油罐基礎(chǔ)在整個(gè)使用期間的不均勻沉陷要在允許的范圍內(nèi)。油罐設(shè)計(jì)規(guī)范英國(guó)BS2654日本JIS B8501美國(guó)API650中國(guó) SH3046-92石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范 GB6654-1996壓力容器用鋼板 SH3048-1999石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GBJ128-90立式圓筒形鋼制焊接油罐施工及驗(yàn)收規(guī)范 GB985-9

5、5焊接接頭的基本形式與尺寸油罐的選材大型油罐均采用高強(qiáng)度鋼。這類材料強(qiáng)度高、韌性好、碳當(dāng)量較低、焊接性能較好。國(guó)內(nèi)10萬(wàn)方以上浮頂油罐大都采用490MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼材。小罐用16MnR。日本 SPV490Q 武鋼WH610D2具有高強(qiáng)度、高韌性，而且具有優(yōu)良的焊接性能，尤其是能夠適用于大線能量焊接工藝條件。此鋼板的研制成功，結(jié)束了我國(guó)建造原油儲(chǔ)罐長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的歷史。舞陽(yáng)鋼鐵12MnNiVR與進(jìn)口SPV490Q鋼板相差不大。6.1 立式油罐的罐壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)一、幾個(gè)基本知識(shí)點(diǎn)1 板間的焊接方式罐壁圈板由多塊鋼板對(duì)接焊成，各圈罐壁的縱縫應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，其間距不小于500mm；罐壁相鄰上下圈板的連接可采用：（

6、a）套筒式；（b）對(duì)接式；（c）混合式；6.1 立式油罐的罐壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)一、幾個(gè)基本知識(shí)點(diǎn)2 最小壁厚對(duì)于油罐上部的罐壁，由于考慮到安裝和使用的穩(wěn)定性要求，因而有最小厚度要求。油罐的穩(wěn)定性與D/t有關(guān)，所以油罐越大，所用鋼板的最小厚度越厚。3 最大壁厚罐壁鋼板越厚，越難保證焊縫質(zhì)量。由于施工現(xiàn)場(chǎng)難以對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理，故須限制儲(chǔ)罐的最大壁厚。最大許用壁厚與材質(zhì)和許用最低溫度有關(guān)，同時(shí)也與一個(gè)國(guó)家的整體焊接工藝水平有關(guān)。油罐的建造罐壁承受的儲(chǔ)液靜壓力 按薄膜理論考慮應(yīng)力壁厚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

7、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。6.1.1 確定罐壁厚度的幾種標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)SH3046標(biāo)準(zhǔn) （定點(diǎn)法） 日本JIS B8501標(biāo)準(zhǔn)（定點(diǎn)法） 英國(guó)BS2654標(biāo)準(zhǔn) （定點(diǎn)法） 美國(guó)API650標(biāo)準(zhǔn) （變點(diǎn)法） 1、中國(guó)SH3046標(biāo)準(zhǔn)（定點(diǎn)法） t1儲(chǔ)存預(yù)定介質(zhì)時(shí)的設(shè)計(jì)厚度，mm； 儲(chǔ)液密度，t/m3； H計(jì)算的罐壁板底邊至設(shè)計(jì)儲(chǔ)液高度的距離，m； D儲(chǔ)罐內(nèi)直徑，m； 常溫下罐壁鋼板的許用應(yīng)力，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。 2、日本JIS B8501標(biāo)準(zhǔn)（定點(diǎn)法）t最小板厚，mm； 儲(chǔ)液比重（當(dāng)小于1時(shí)，取1）；

8、H由該段壁板的下端至設(shè)計(jì)液位的高度，m； D儲(chǔ)罐內(nèi)直徑，m； fm母材的許用應(yīng)力，MPa ；焊縫效率，一般取1.0，其中第一層取0.85； C腐蝕裕量，mm。 3、英國(guó)BS2654標(biāo)準(zhǔn)定點(diǎn)法計(jì)算 t 最小板厚，mm； w 儲(chǔ)液密度，g/ml（取值不得小于1）；H 由該段壁板的下端至設(shè)計(jì)液位的高度，m； D 儲(chǔ)罐內(nèi)直徑，m； S 設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，MPa； P 設(shè)計(jì)壓力，mbar(對(duì)無(wú)壓儲(chǔ)罐可忽略不計(jì))； C 腐蝕裕量，mm。 4、美國(guó)API650標(biāo)準(zhǔn)（變點(diǎn)法）底圈罐壁板計(jì)算厚度兩者之中取最小值底圈罐壁板設(shè)計(jì)厚度第二圈及其以上各圈壁厚的變點(diǎn)計(jì)算法hi-1計(jì)算圈的下面一圈的圈板高，m；r油罐半徑，m；

9、t0i所需計(jì)算的第i圈的罐壁計(jì)算厚度，mm；tai根據(jù)變點(diǎn)位置求得的第i圈的壁厚值，mm。式中：三式之中取最小值定點(diǎn)法初步計(jì)算Xmin=0.3例1 已知50000m3儲(chǔ)罐直徑D=60m，罐壁高H=19.35m ，最高液位18.35m，每圈壁板高度為1.93m 。試水時(shí)的許用應(yīng)力 =21.43kgf/mm2，焊縫系數(shù)=0.9。要求用變點(diǎn)設(shè)計(jì)法計(jì)算在充水條件下最下面3圈壁板的計(jì)算厚度。答案： 第一圈 第二圈 第三圈 壁板的計(jì)算厚度 28.07mm 25.76mm 21.07mm 例2 試以變點(diǎn)法確定在試水情況下的儲(chǔ)罐底部三圈壁板厚度。已知儲(chǔ)罐直徑D=85.34m，高度H=19.51m ，底部三圈高

10、度均為2.438m 。試水時(shí)的許用應(yīng)力 =21.09kgf/mm2，焊縫系數(shù)=1.0。 第一圈 第二圈 第三圈 變點(diǎn)法 定點(diǎn)法 38.19mm 38.87mm 35.96mm 33.93mm 31.68mm 29.00mm 答案：6.1.2立式圓柱形油罐直徑和高度的選擇 設(shè)計(jì)油罐時(shí)首先接觸到的問(wèn)題便是油罐的基本尺寸即油罐的直徑和高度。在一定容積條件下，如何確定直徑和高度使油罐的用鋼量最??？規(guī)范規(guī)定罐壁最小壁厚設(shè)計(jì)習(xí)慣罐頂板和罐地板厚度為罐壁最小壁厚優(yōu)化目標(biāo)：費(fèi)用最小或金屬用量最小。 金屬用量的計(jì)算與油罐的大小有關(guān)：當(dāng) 時(shí)， ，則取 ，建造等壁厚 罐；當(dāng) 時(shí)，必須建造變壁厚罐。油罐罐壁厚度關(guān)系圖

11、材料最省的油罐直徑和高度1.等壁厚油罐 設(shè)罐壁的最小厚度為 ；罐頂?shù)暮穸葹?罐底的厚度為 ，則油罐的罐壁、罐頂、罐底各部分的金屬材料用量分別為： 罐壁： 罐頂： 罐底： 油罐的用鋼量： 令： ，則 條件： 用拉格朗日乘數(shù)法求極值 構(gòu)造函數(shù)則： 結(jié)論： 等壁厚油罐的最大容積2.變壁油罐為了方便推導(dǎo)，忽略罐內(nèi)氣壓的影響，壁厚計(jì)算式取（1）金屬用量的計(jì)算 a:罐頂與罐底的金屬用量b:為滿足液壓載荷罐壁所必需的金屬用量 c:上部定壁部分無(wú)益消耗的金屬d: 以下之變壁部分無(wú)益消耗的金屬 設(shè)變壁部分各圈的高度均為h，相鄰兩圈壁板的高度差為e，則變壁部分的圈數(shù)相似三角形所以油罐的總金屬用量油罐金屬用量最小時(shí)

12、有即： 因此，變壁厚油罐的經(jīng)濟(jì)高度與容積無(wú)關(guān)。實(shí)際上，油罐的容積越大， 越大，因而H也越大。不過(guò)，隨著罐容的增大，其罐壁高度的增加是緩慢的。6.1.3 罐壁的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)由于使用要求，必須在罐壁上開(kāi)孔并接管；開(kāi)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(kāi)孔的周圍焊上補(bǔ)強(qiáng)鋼板，增大開(kāi)孔周圍的壁厚；“等截面”補(bǔ)強(qiáng)方法。補(bǔ)強(qiáng)板形狀 開(kāi)孔直徑不超過(guò)250mm 開(kāi)孔直徑超過(guò)250mm6.2 立式鋼油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)油罐抗風(fēng)穩(wěn)定性差直徑大、敞口、薄壁結(jié)構(gòu)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）。6.2.1 風(fēng)載荷的分布和計(jì)算一.風(fēng)壓的計(jì)算 風(fēng)以一定速度吹在構(gòu)筑

13、物上，產(chǎn)生風(fēng)壓；駐點(diǎn)兩側(cè)200弧長(zhǎng)的風(fēng)壓值最高，風(fēng)壓根據(jù)風(fēng)速計(jì)算。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)。風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系可按牛頓公式計(jì)算：二.儲(chǔ)罐罐壁的風(fēng)壓分布分析 1.外壁的風(fēng)壓分布 對(duì)于固定頂罐和敞口罐在試驗(yàn)風(fēng)壓為 時(shí)，外壁風(fēng)壓分布是不均勻的。 從圖中可看出，只有迎風(fēng)面 中心角所對(duì)應(yīng)的罐壁是受壓的，其余罐壁承受的是張力。最大風(fēng)壓是 所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)上，風(fēng)壓近似為常數(shù)，最大風(fēng)壓發(fā)生在駐點(diǎn)，其值為 。罐壁上風(fēng)壓分布 罐壁上風(fēng)壓分布圖 2.內(nèi)壁的風(fēng)壓分布 對(duì)于固定頂儲(chǔ)罐風(fēng)載引起的風(fēng)壓僅存在罐壁外部，不存在內(nèi)壁的風(fēng)壓分布問(wèn)題。對(duì)于敞口儲(chǔ)罐，由于風(fēng)吹過(guò)時(shí)引起的抽

14、力，故罐內(nèi)壁全部 是負(fù)壓，風(fēng)洞試驗(yàn)表明是負(fù)壓值為 ，位于 駐點(diǎn)內(nèi)側(cè)，而其余部分的負(fù)壓值變化不大，與駐點(diǎn)值相近。 3.罐壁在外壓作用下的屈曲特征 同樣的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)驗(yàn)表明：風(fēng)壓的臨界壓力 （即駐點(diǎn)處的最大不失穩(wěn)壓力）比均勻外壓作用下的臨界壓力約高 左右。 罐壁的外壓失穩(wěn)是由瞬時(shí)外壓控制，當(dāng)外壓保持在比臨界壓力低一點(diǎn)時(shí)，模型不會(huì)出現(xiàn)屈曲，一旦增壓至臨界壓力，立即發(fā)生凹癟。另外，若是罐壁制造時(shí)存在橢圓度或存在局部凹癟，這些部位在風(fēng)壓下會(huì)提前失穩(wěn)。 4.儲(chǔ)罐罐壁的設(shè)計(jì)外壓 儲(chǔ)罐的外壓包括風(fēng)壓和罐內(nèi)負(fù)壓兩部分。浮頂儲(chǔ)罐、固定頂儲(chǔ)罐以及內(nèi)浮頂罐三者的外壁風(fēng)壓分布相同，內(nèi)壁各不相同，故三者的設(shè)計(jì)外壓是不同的

15、。對(duì)于敞口油罐，設(shè)計(jì)風(fēng)壓按下式計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)由10分鐘最大平均風(fēng)壓折合成瞬時(shí)風(fēng)壓；高度系數(shù)離地面10米高的基本風(fēng)壓折合成實(shí)際高度高度系數(shù)離地面10米高的基本風(fēng)壓折合成實(shí)際高度離地面或海面高度，m陸上海（島）上510152030400.781.001.151.251.411.540.841.001.101.181.291.37固定頂油罐 式中：內(nèi)浮頂油罐6.2.2 抗風(fēng)圈的設(shè)計(jì)和計(jì)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?？癸L(fēng)圈的外形可以是圓的，也可以是多邊形的?？癸L(fēng)圈是由鋼板和型鋼拼裝成的組合斷面結(jié)構(gòu)?？癸L(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

16、面15m。假設(shè)迎風(fēng)面風(fēng)壓分布范圍所對(duì)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(duì)應(yīng)的圓心角為60度，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)。式中：API650BS2654式中：JIS B8501式中：6.2.3 加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)和計(jì)算抗風(fēng)圈以下罐壁仍有可能被吹癟，需設(shè)置加強(qiáng)圈。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(jì)加強(qiáng)圈。當(dāng)量高度計(jì)算一.SH3046推薦方法以薄壁短圓筒在外壓作用下的臨界壓力計(jì)算公式基礎(chǔ)，參照當(dāng)量高度的概念：加強(qiáng)圈的數(shù)量及其位置加強(qiáng)圈數(shù)加強(qiáng)圈

17、的位置0n例題 一臺(tái)浮頂油罐內(nèi)徑60m，高18m，罐壁由9層2m寬的圈板組成，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 求加強(qiáng)圈的個(gè)數(shù)，位置及尺寸。解：（1）求設(shè)計(jì)壓力P（2）求其中：各圈的He值，列表如下：層次h，m t， mmHe, m1234567891222222221010101214161820231221.2680.8620.6180.4600.3540.249（3）確定加強(qiáng)圈的個(gè)數(shù)與位置所以需設(shè)2個(gè)加強(qiáng)圈。第一個(gè)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

18、tmin處，故無(wú)需折算。第二個(gè)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：（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 8150100 10200100 12加強(qiáng)圈數(shù)量和位置加強(qiáng)圈個(gè)數(shù)加強(qiáng)圈位置0n注： 規(guī)范要求加強(qiáng)圈與環(huán)焊縫之間的距離應(yīng)不少于150mm，若計(jì)算值不滿足此要求，則需對(duì)加強(qiáng)圈的位置進(jìn)行調(diào)整，要求調(diào)整后的兩個(gè)加強(qiáng)圈之間的距離滿足不大于 或加強(qiáng)圈之間節(jié)筒的許用臨界壓力大于設(shè)計(jì)外壓。6.3 浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)與強(qiáng)度浮頂油罐是在大中型油罐罐頂中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式；浮頂有兩種：雙盤(pán)式：有上下兩層蓋板，隔熱效果好，用來(lái)存放輕質(zhì)油等，多用于5000m3或更小的罐；單盤(pán)式：周邊為環(huán)形浮船，中間為單盤(pán)，多用于5000m3以上的罐。一.雙盤(pán)式浮頂二.單盤(pán)式浮頂單盤(pán)式浮頂周邊為環(huán)形浮船，中間為單盤(pán)。單盤(pán)由鋼板搭接而成，排板的形式有兩種：?jiǎn)伪P(pán)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)置若干立柱的目的有兩方面：當(dāng)液面處于較低的位置時(shí)，浮頂下降并支承在立柱上，避免與罐內(nèi)附件碰撞；檢修時(shí)的浮頂支于立柱上。