管道與儲(chǔ)罐強(qiáng)度-油罐的應(yīng)力分析

1、第5章 油罐的應(yīng)力分析,油罐是油品儲(chǔ)存的主要設(shè)施；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、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(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m3的浮頂油罐,最大儲(chǔ)罐24萬m3

2、，國(guó)內(nèi)80年代建造了4座10 m3罐。,（2） 拱頂油罐,罐頂為球面的一部分，由4~6mm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?也稱無力矩油罐。,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。,對(duì)油罐的基本要求

3、,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?？沟卣鹉芰Γ阂笤谡麄€(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)。,5.1 立式油罐的罐壁強(qiáng)度設(shè)計(jì),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，其間距不小于500mm；罐壁相鄰上下圈板的連接可采

4、用：（a）套筒式；（b）對(duì)接式；（c）混合式；,罐壁承受的儲(chǔ)液靜壓力,,罐壁受力圖,,由于罐壁厚度較小，可忽略彎曲應(yīng)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

5、意圖,,下節(jié)點(diǎn)及罐壁的變形分布圖,,,5.1.1 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?cè)O(shè)計(jì)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； ρ — 儲(chǔ)液密度，kg/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； [σ] — 常溫下罐壁

6、鋼板的許用應(yīng)力，MPa； Φ — 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； ρ — 儲(chǔ)液比重（當(dāng)小于1時(shí)，取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； fm— 母材的許用應(yīng)力，MPa ；Φ — 焊縫效率，一般取1.0，其中第一層取0.85； C — 腐蝕裕量，mm。,,3

7、、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?cè)O(shè)計(jì)點(diǎn)法）,底圈罐壁板計(jì)算厚度,,,,兩者之中取最小值,各圈壁厚的變點(diǎn)計(jì)算法,hi-1——計(jì)算圈的下面一圈

8、的圈板高，m；r——油罐半徑，m；ti——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。,變點(diǎn)法到計(jì)算圈板底邊的距離,式中,,,,變點(diǎn)法需反復(fù)試算迭代，計(jì)算工作量大,三式之中取最小值,四種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果的比較（10萬方罐）,壁厚比較,,四種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的罐壁總重量比較（ kg）,,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

9、裂口，使孔口撕裂；補(bǔ)強(qiáng)的辦法是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250mm,,,5.2 立式鋼油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì),油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和計(jì)算很重要，國(guó)內(nèi)外均發(fā)生過在風(fēng)力作用下罐壁產(chǎn)生局部失穩(wěn)的現(xiàn)象；抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要措施是在罐頂加設(shè)抗風(fēng)圈，對(duì)大型油罐，除抗風(fēng)圈外，在抗風(fēng)圈的下面還需加設(shè)一圈或數(shù)圈加強(qiáng)圈。,5.2.1 風(fēng)載荷的分布和計(jì)算,正對(duì)著風(fēng)的一點(diǎn)稱為駐點(diǎn)，

10、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)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)。,對(duì)于敞口油罐，設(shè)計(jì)風(fēng)壓按下式計(jì)算,,風(fēng)壓高度變化系數(shù),,5.2.2 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。抗風(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。,結(jié)構(gòu)——抗

11、風(fēng)圈的扶梯穿過孔,,SH3046,基本風(fēng)壓值取700Pa，距地面15m。,,WZ——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(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),API650和BS2564,標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速取45m/s，距地面9m。,,JIS B8501,標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速取70m/s，距地面15m。,5.2.3 加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)和計(jì)

12、算,抗風(fēng)圈以下的罐壁，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(jì)加強(qiáng)圈。,當(dāng)量高度計(jì)算,SH3046推薦方法,該方法以薄壁短圓筒在外壓作用下的臨界壓力計(jì)算公式為基礎(chǔ)，參照當(dāng)量高度的概念

13、得出：,加強(qiáng)圈的數(shù)量及其位置,,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(gè)數(shù)，位置及尺寸。,解：,（1）求設(shè)計(jì)壓力P,（2）求[Pcr],各圈的He值，列表如下：,,,（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

14、HE/3處；HE/3=8.811/3=2.937m，因位于tmin處，故無需折算。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 =8.811?2/3=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200?100?12mm。,5.2 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

15、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。,5.2.1 浮頂結(jié)構(gòu),單盤式浮頂?shù)闹苓厼榄h(huán)形浮船，中間為單盤。,,,單盤由鋼板搭接而成，排板的形式有兩種,條形排板,人字形排板,,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。

16、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(dòng)接頭。自動(dòng)通氣閥：使罐底與浮頂之間的空間接通大氣。,轉(zhuǎn)動(dòng)扶梯：作為從罐壁盤梯的頂平臺(tái)到浮頂?shù)耐ǖ?。?dǎo)向裝置：防止浮頂轉(zhuǎn)動(dòng)或偏移。人孔：每個(gè)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(gè)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200~300mm間隙。,,重錘式機(jī)械密封1—罐壁；2—橡膠

17、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；3—鋸齒，4—泡沫塑料；5—罐壁；6—防護(hù)板；7—浮船,浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則,浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下四個(gè)條件：（1）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；對(duì)于雙盤式浮頂，設(shè)計(jì)應(yīng)做到任意兩個(gè)艙室同時(shí)破裂時(shí)浮頂不沉沒。（2）在整個(gè)罐頂面積上有250mm降雨量的水積存在單盤上時(shí)浮頂不沉沒。（3）在正常操作條件下，單盤與儲(chǔ)液之間不存在

18、油氣空間。（4）在以上各種條件下，浮頂能保持結(jié)構(gòu)的完整性，不產(chǎn)生強(qiáng)度或失穩(wěn)性破壞。,本章小結(jié),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)接凸薷№斢凸薜膬?yōu)點(diǎn)；罐壁設(shè)計(jì)以薄膜理論為基礎(chǔ)；罐壁設(shè)計(jì)的兩種方法：定點(diǎn)法和變點(diǎn)法；罐壁設(shè)計(jì)的四種標(biāo)準(zhǔn)；,罐壁開孔的補(bǔ)強(qiáng)方法——等截面法。立式油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)——抗風(fēng)圈和加強(qiáng)圈；立式油罐的風(fēng)載荷分布與計(jì)算；抗風(fēng)圈截面模數(shù)的確定；加強(qiáng)圈數(shù)量及位置確定——當(dāng)量高度法；浮頂