管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)

▲管道：管子、連接件、閥門等連接而成用于輸送氣液體和帶固體顆粒流體的裝置▲強(qiáng)度：金屬材料在外力作用下，抵抗永久變形或斷裂的能力▲地面敷設(shè)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不影響土壤環(huán)境，且不受地下水位影響，檢修方便發(fā)現(xiàn)和清除事故容易。缺點(diǎn)：管道直接設(shè)置在空氣中，對(duì)于非常溫管增加冷熱能量的損失，限制了通道的高度，不美觀?！袷C(jī)理：①材料：a.塑性失穩(wěn)b.斷裂c.疲勞d.應(yīng)力腐蝕開裂e.氫致開裂f.裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。②結(jié)構(gòu)—喪失了穩(wěn)定性a.塑性失穩(wěn)：由于變形引起的截面幾何尺寸的改變而導(dǎo)致的喪失平衡的現(xiàn)象。圖b.斷裂：由于裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展造成的。產(chǎn)生原因：制造—焊縫，母材缺陷、夾渣、分層等；施工—機(jī)械損傷、表面劃度、凹坑；運(yùn)行—介質(zhì)、腐蝕環(huán)境。c.疲勞：材料在交變應(yīng)力作用下的破壞。原因：內(nèi)壓變化—間歇輸送、正反輸送、輸氣；外力變化—風(fēng)載荷、海底管跨的渦激振動(dòng)、公路下未加套管的管道d.應(yīng)力腐蝕開裂：基本條件：局部環(huán)境；敏感元件；應(yīng)力條件e.氫致開裂:H2S-酸性環(huán)境，腐蝕產(chǎn)生氫侵入鋼內(nèi)而產(chǎn)生的裂紋。f.裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展：輸氣管道特有的現(xiàn)象●管道的結(jié)構(gòu)失穩(wěn):a軸向載荷-軸向失穩(wěn)b外壓-徑向失穩(wěn)c彎曲-徑向失穩(wěn)d聯(lián)合載荷-徑向失穩(wěn)?！駨椥苑笤O(shè)是利用管道在外力或自重作用下產(chǎn)生彈性彎曲變形來(lái)改變管道的走向或適應(yīng)高程的變化。●按工藝分，彎頭可以分為預(yù)制彎管、冷彎彎管、熱煨彎管●永久荷載：施加在管道上不變的，其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)，其變化是單調(diào)的并且趨于限值的荷載?！窨勺冚d荷：施加在管道結(jié)構(gòu)上由人群、物料、交通工具引起的使用或占用荷載●偶然荷載：設(shè)計(jì)使用期內(nèi)偶然出現(xiàn)或不出現(xiàn)其數(shù)值很大，可持續(xù)時(shí)間很短的荷載?！癍h(huán)向應(yīng)力是由管道輸送介質(zhì)的內(nèi)壓產(chǎn)生的?！竦叵鹿艿喇a(chǎn)生軸向應(yīng)力的原因是溫度變化和環(huán)向應(yīng)力的泊松效應(yīng)?！窆艿罒釕?yīng)力:在管道中由于溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力.●管道出現(xiàn)溫度變化的主要原因:管道在敷設(shè)施工時(shí)的溫度由外部氣溫決定，而在運(yùn)行過(guò)程中則由輸送產(chǎn)品的溫度決定，兩者之間必然存在差別，不可避免在管道運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力或伸縮變形?！竦叵鹿艿缿?yīng)力應(yīng)變的特點(diǎn):根據(jù)摩擦阻力與熱伸縮力的大小，可以將埋地管道分成自由伸縮段、過(guò)渡段和嵌固段。在自由伸長(zhǎng)段，土壤與管壁的摩擦力為零，也即在該截面處不受約束可以自由伸長(zhǎng)，其變形量也大，隨著管道向埋地段延伸時(shí)，土壤與管壁之間的摩擦阻力越來(lái)越大，管段受到周圍土壤的約束，使管道變形量越來(lái)越小，這段稱為過(guò)渡段。當(dāng)這一變化達(dá)到某一長(zhǎng)度時(shí)，摩擦阻力與熱伸縮力相平衡，管段的伸縮完全被約束，即不會(huì)因溫度的變化而產(chǎn)生伸縮變形，受到完全的強(qiáng)制補(bǔ)償，此段稱為嵌固階段?！艄艿腊l(fā)生下沉?xí)诠艿郎袭a(chǎn)生兩種新的應(yīng)力：一是由于管道偏離原來(lái)的直線位置產(chǎn)生彎曲，從而產(chǎn)生新的彎曲應(yīng)力；二是由于管道彎曲而使管道的長(zhǎng)度有所增加而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力?！糁Ф盏淖饔檬窍拗乒艿赖臒嵘扉L(zhǎng)量。支墩按型式可以分為上托式支墩、預(yù)埋式支墩、卡式支墩◆應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)：彎管內(nèi)弧環(huán)向應(yīng)力比直管環(huán)向應(yīng)力增大的倍數(shù)。應(yīng)力縮減系數(shù)：彎管內(nèi)弧環(huán)向應(yīng)力比直管環(huán)向應(yīng)力減小的倍數(shù)◆彎管的環(huán)向應(yīng)力的分布規(guī)律：當(dāng)α=0°或α=180°時(shí)，即彎管的中線處，也就是水平彎管的最上和最下處，和直管的環(huán)向應(yīng)力相同。當(dāng)α=270°時(shí)，即在水平彎管的內(nèi)側(cè)弧面上可得此處有б2的最大值。當(dāng)α=90°時(shí)，即在水平彎管的外側(cè)弧面上可得此處有б2的最小值?！糨S向應(yīng)力特點(diǎn)：彎管在內(nèi)壓作用下其軸向應(yīng)力和直管相等?！魪澒苋嵝员戎惫艽螅饕怯捎谠谥惫軓澢霃椒较?，管子截面上出現(xiàn)了扁率。這個(gè)扁率①是由于彎管制造上的原因。②來(lái)自熱脹而產(chǎn)生的彎矩。◆管道上的三通是由兩個(gè)圓柱殼體成直角（也可以是斜角）的組合件，常用于主管與支管的連接?！艄艿廊ㄓ幸韵轮圃煨问剑簾釠_壓法制造成的三通，它主要用于小口徑管道；由兩個(gè)沖壓成型的零件焊接成的沖壓焊接三通；以及專門的補(bǔ)強(qiáng)圈和無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈的焊接三通。補(bǔ)強(qiáng)原則：等面積補(bǔ)強(qiáng)法。◆三通分為整體三通和焊接三通◆三通補(bǔ)強(qiáng)的原因：由于三通處曲率半徑發(fā)生突然變化以及方向的改變,為了保持主支管接管處的變形協(xié)調(diào)，必將導(dǎo)致在主支管接管處出現(xiàn)相當(dāng)大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，?？杀韧暾艿赖膽?yīng)力高出5到7倍?！羧ㄑa(bǔ)強(qiáng)的方式：只要將接管出的主管或支管加厚（或兩者同時(shí)加厚）或采用補(bǔ)強(qiáng)的方法便可降低峰值要求，滿足強(qiáng)度要求?！糸_孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要有等面積法，極限分析法和安定性理論?！艄鼙谏先我庖稽c(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：⑴環(huán)向應(yīng)力：由管道的內(nèi)壓產(chǎn)生，再有外壓的情況下，管道外壓也引起環(huán)向應(yīng)力；⑵軸向應(yīng)力：內(nèi)壓、外壓、熱膨脹以及其他力和彎矩都可能產(chǎn)生軸向應(yīng)力?！龅厣瞎艿篮偷叵鹿艿赖妮d荷的受力差異和相同點(diǎn)：①地下管道受的是永久載荷（主要輸送介質(zhì)的內(nèi)壓力）可變載荷（主要試運(yùn)行時(shí)的水重量）偶然載荷②地上管道受的是垂直載荷（垂直載荷包括管道自重，保溫結(jié)構(gòu)重量，管內(nèi)輸送介質(zhì)重量，管道附件重量）橫向水平載荷（橫向水平載荷主要風(fēng)載荷），軸向水平載荷（軸向水平載荷包括三項(xiàng)：管道的軸向摩擦力，管道內(nèi)壓引起的不平衡軸向力，補(bǔ)償器的反彈力）相同點(diǎn)：①都受輸送介質(zhì)內(nèi)壓作用②都是根據(jù)環(huán)向應(yīng)力決定壁厚，再與軸向應(yīng)力組合進(jìn)行校核?！龅厣戏笤O(shè)管道的支承形式分類：按支架高低分類（低支架敷設(shè)，中支架和高支架敷設(shè)，沿墻敷設(shè)）按管架的結(jié)構(gòu)形式分類（獨(dú)立式管架和組合式管架），按支架對(duì)管道的約束形式分類（又分為固定支架和活動(dòng)支架），按管道的跨越形式分類。■活動(dòng)支架：在固定支架處，管子焊在固定支架上，管道與管架之間不能發(fā)生相移,兩個(gè)固定支架之間的若干管架，只作為管道支承，而不約束管道的熱膨脹，管道與支架之間可發(fā)生相對(duì)位移?！黾芸展艿赖妮d荷根據(jù)作用方向的不同分為：垂直載荷，橫向水平載荷，軸向水平載荷①垂直載荷包括管道自重，保溫結(jié)構(gòu)重量，管內(nèi)輸送介質(zhì)重量，管道附件重量。②橫向水平載荷主要是風(fēng)載荷。③軸向水平載荷包括三項(xiàng)：管道的軸向摩擦力，管道內(nèi)壓引起的不平衡軸向力，補(bǔ)償器的反彈力。■管道跨度：兩支承間的距離稱為管道跨度。管道跨度按管子的強(qiáng)度和剛度條件確定。①按強(qiáng)度條件確定管道的最大允許跨度：在外載荷作用下，管道截面上產(chǎn)生的最大應(yīng)力不得超過(guò)管材的許用應(yīng)力，以保證管道強(qiáng)度方面的安全可靠。②軟泡沫塑料密封：依靠常處于壓縮狀態(tài)的聚氨酯軟泡沫塑料的回彈力來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。油氣損耗較機(jī)械密封小，且適用性好，缺點(diǎn)是由于泡沫塑料長(zhǎng)期處于壓縮狀態(tài)，從而產(chǎn)生塑性變形,使其密封力逐漸減弱，最終造成失效。③管式密封：管式密封依靠橡膠管內(nèi)液體的側(cè)壓力實(shí)現(xiàn)密封。優(yōu)點(diǎn)是液體能在密封管內(nèi)流動(dòng)，對(duì)罐壁壓緊力比較均勻。④唇式密封：該密封與軟泡沫塑料相似，只是外形作為唇形。氣密性較一般泡沫塑料好，沒(méi)有一般軟泡沫塑料密封在浮船上下移動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生滾動(dòng)，扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于加工，價(jià)格較貴?！鏊膫€(gè)準(zhǔn)則計(jì)算校核條件第一準(zhǔn)則是對(duì)于單盤式浮頂，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到單盤板和任意兩個(gè)相鄰艙室同時(shí)破裂時(shí)，浮頂不沉沒(méi)；對(duì)于雙盤式浮頂，設(shè)計(jì)應(yīng)做到任意兩個(gè)艙室破裂時(shí)浮頂不沉沒(méi)。第二準(zhǔn)則在整個(gè)灌頂面積上有250mm降雨量的水積存在單盤上時(shí)浮頂不沉沒(méi)。第三準(zhǔn)則為在在正常操作條件下，單盤與儲(chǔ)液之間不存在油氣空間。第四準(zhǔn)則在前三個(gè)準(zhǔn)則條件下，浮頂能保持結(jié)構(gòu)完整性，不產(chǎn)生強(qiáng)度或失穩(wěn)性破壞?！窆薜装宓呐虐宸绞?，主要是考慮到底板焊接的變形量小，易于施工，以及節(jié)約鋼材等因素來(lái)決定的。當(dāng)油罐內(nèi)徑不超過(guò)12.5m時(shí)，可采用巨型的中幅板和邊緣版組成的條形排板方式；當(dāng)油罐內(nèi)徑大于12.5m時(shí)，采用周邊為弓形邊緣板的排板方式。●對(duì)于油罐尤其是大型油罐的威脅主要來(lái)自兩個(gè)方面，一是基礎(chǔ)不均勻沉陷，二是材料的脆性斷裂破壞。●油罐基礎(chǔ)的沉陷5種類型①均勻沉陷②整體傾斜不均勻沉陷③盤形不均勻沉陷④壁板周邊的不均勻沉陷⑤壁板周邊的局部沉陷（壁板周邊的不均勻和壁板周邊的局部沉陷實(shí)際上屬于同一類型，是最危險(xiǎn)的一種沉陷）●設(shè)計(jì)風(fēng)壓計(jì)算：①對(duì)于敞口油罐，如浮頂罐，設(shè)計(jì)風(fēng)壓為：P=K1K2KZω0②對(duì)于固定頂油罐，如拱頂油罐設(shè)計(jì)風(fēng)壓為：P=K1KZω0+KsP③對(duì)于內(nèi)浮頂油罐，既無(wú)風(fēng)壓引起的負(fù)壓，也無(wú)需設(shè)呼吸閥，故設(shè)計(jì)風(fēng)壓為P=K2KZω0●敞口油罐應(yīng)設(shè)置抗風(fēng)圈以保持油罐經(jīng)受風(fēng)載荷時(shí)的圓度。抗風(fēng)圈設(shè)置在油罐的頂部，我國(guó)通常將抗風(fēng)圈置于包邊角鋼以下1m的位置上?？癸L(fēng)圈所需最小截面系數(shù)WZ=0.082D2HD—油罐內(nèi)徑H—罐壁全高WZ—抗風(fēng)圈所需最小截面系數(shù)●設(shè)置了抗風(fēng)圈以后。罐體的上部保持了圓度，但抗風(fēng)圈下面的筒體仍有可能局部被吹癟，為了解決這個(gè)問(wèn)題，需在下部適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置加強(qiáng)圈?！窦訌?qiáng)圈的設(shè)計(jì)與計(jì)算存在的問(wèn)題：①罐外壁風(fēng)壓分布不均勻②油罐為階梯形變截面圓筒，筒體母線無(wú)法用一個(gè)單一的方程式來(lái)表達(dá)，這給計(jì)算帶來(lái)困難。●當(dāng)量高度：把壁厚大于δmin的各筒節(jié)厚度折算成直徑相同、穩(wěn)定性相同但壁厚為油罐罐壁最小厚度δmin的筒節(jié)。經(jīng)折算后的筒節(jié)高度稱為當(dāng)量高度?！舻卣鹬杏凸薜钠茐念愋?①金屬罐壁失穩(wěn)；②罐壁與罐底間角焊縫開裂；③頂蓋與罐壁上部失穩(wěn)；④管道接頭破壞◆水平地震荷載分為沖擊荷載與晃動(dòng)荷載◆在傾覆力矩M的作用下，罐壁一側(cè)受拉一側(cè)受壓，受壓側(cè)受力的大小主要取決于受拉側(cè)是否會(huì)被抬起。阻止罐底抬起的力來(lái)自兩方面：①罐殼本身的重量②罐中一部分儲(chǔ)液也起到阻止作用◆油罐抗震加固的措施：①增加罐底邊緣板厚度δb②增大底層壁板厚度δ③改變油罐的徑高比，一般來(lái)說(shuō)容積不變的情況下，D增大H減小可使M減?、芗釉O(shè)錨固螺栓。⑤在組合應(yīng)力最大的部位加上預(yù)應(yīng)力鋼筋及墊板防止出現(xiàn)“象足”?！襞P式油罐優(yōu)點(diǎn)①承受較高正負(fù)壓，利于降低油品蒸發(fā)損耗②可在工廠制造，現(xiàn)場(chǎng)安裝，搬運(yùn)拆遷方便。缺點(diǎn)①單罐的單位容積的耗鋼量較立式油罐大②占地面積大?！襞P式油罐應(yīng)用于各類油庫(kù)，野戰(zhàn)油庫(kù)中。其結(jié)構(gòu)包括筒體和封頭（頭蓋），封頭有平板形，碟形，錐形，半球形，橢球形等?！５坠艿赖膮^(qū)段劃分①深水區(qū)段②過(guò)渡區(qū)段③淺水區(qū)