第七章--立式储罐罐壁强度设计

第七章立式储罐罐壁强度设计第一节钢油罐设计基础知识第一节钢油罐设计的基本知识一、钢油罐的发展趋势——大型化原因：增加原油的储备量（1）国家能源战略需要。（2）民间用来应付原油价格波动。油罐大型化的主要优点：经济：节省钢材、节省投资（施工费用）、占地面积小（因罐与罐之间有防火距离），节省配件和罐区管网。方便：便于操作管理，几台大罐比一群小罐在检尺、维护、保卫等方面更方便。二、油罐大型化遇到的新课题油罐大型化遇到的问题是危险性增加，包括：发生事故后损失大（经济、环保、安全等方面）；技术上易出问题（基础、钢罐自身）。1.基础：不均匀沉陷（难以寻找直径100m的面积上完全均匀的工程地质状况）。2.钢罐自身施工：焊接（现场无法进行退火处理）。强度：增加壁厚。最大壁厚有限制。稳定性:风力作用下罐壁的稳定性。抗震：抗震措施的研究。三、油罐对钢材的要求由刚度决定的可用沸腾钢，由强度决定的必须用镇定钢。油罐罐壁：上部壁板按刚度条件确定。（D↗，最小壁厚↗）。下部壁板按强度条件确定。16MnR，A3R。按强度要求确定的壁板有三项要求：1.强度要求：选高强钢。①经济。16MnR比A3R贵10%，强度提高30%。②建造大罐有最大壁厚限制。2．可焊性要求(1)碳的当量含量（低好）。(2)热影响区（与碳的当量含量和冷却速率有关）硬度（低好）。Ceq越高，冷却速率越快，热影响区硬度越高。3．冲击韧性要求：防止油罐产生脆性断裂。四、油罐的种类按几何形状划分:立式圆柱形油罐；卧式圆柱形油罐(小型罐,用于少量储油、加油站、零位罐)；特殊形状（双曲率）油罐：球罐（用于储存液化气）；滴形油罐（受力状况好，可承受0.4-1.2at压力，可消除小呼吸损耗，但结构复杂，施工困难，极少使用）。对于立式圆柱形油罐，根据其顶的结构可分为：1．锥顶油罐2．悬链式油罐3．拱顶罐罐顶是球面的一部分。优点：施工容易，造价低。缺点：中间无支撑，直径受到限制。容积太大，蒸汽空间大，呼吸损耗大。最大的拱顶罐5万3m。拱顶罐的组成：顶、罐壁、底。顶与壁由包边角钢相连。大型的拱顶罐还有加强圈。附属设施：呼吸阀、阻火器、量油孔、人孔、盘梯等。锥顶罐图大型锥顶罐图悬链式油罐图拱顶罐图4、浮顶罐优点：减少蒸发损耗（大、小呼吸）。罐顶的自重由储液支承，受力状况好。组成：顶：单盘，浮船（密封）。罐壁和底：同拱顶罐。包边角钢、抗风圈、加强圈、盘梯、扶梯、人孔、通气阀、立柱等。5、内浮顶罐（用于储存要求高的油品，如航煤、航汽等）顶为拱顶与浮顶的结合。优点：一方面减少了油品的蒸发损耗，另一方面可避免雨水、尘土等进入罐内。单盘式浮顶罐双盘式浮顶罐内浮顶罐第二节罐壁钢板厚度设计第二节罐壁钢板厚度设计一、几个基本知识点1、板间的焊接方式纵向焊缝：对接（焊缝间错开500mm）环向焊缝：对接、搭接和混合式焊缝浮顶罐罐壁环向焊缝必须是对接；拱顶罐罐壁环向焊缝可选择任一种焊接方式。2、罐壁最小厚度对于油罐上部的罐壁，由于考虑到安装和使用的稳定性要求，因而有最小厚度要求。油罐的稳定性与5.15.2/D有关，所以油罐越大（D），所用钢板的最小厚度越厚（mins）。3.罐壁最大厚度罐壁钢板越厚，越难保证焊缝质量。由于施工现场难以对焊缝进行热处理，故须限制储罐的最大壁厚。最大许用壁厚与材质和许用最低温度有关。4.最大环向应力的位置罐壁各圈板的壁厚应按每圈的最大环向应力计算。按照无力矩薄膜理论，若只考虑液压产生的环向应力，则最大环向力位于每层圈板的最下端。若考虑到上下圈板连接处因变厚度而产生的力矩和剪力，则各圈环向力的最大值不在最下端，而是在圈板下端以上某一高度的位置上。理论和实测都表明：对于中小型罐，这一高度约为30cm；对于中大型油罐，折算高度与具体的油罐有关，并随圈板的不同而不同。5、载荷对于常压储罐，一般操作时内压很小（正压力OmmH2002；负压力OmmH502）。因此在设计油罐壁厚时常常忽略。当储存油品的OHoil2时，按试水的静压力计算；当储存油品的OHoil2时，按油品的静压力计算。6、罐壁厚度的计算式210CC式中：，罐壁的设计厚度；0，罐壁的计算厚度；1C，钢板厚度允许负偏差；2C，腐蚀裕量。二、罐壁的定点设计法Rrr,，xHqzzqrNRxHN0NRxH0式中：，焊缝系数，取9.0；x，折减高度。美国标准API650，x=0.305m，x=1ft，则RH305.00。三、壁的变点设计法变点法是根据不同情况改变折减高度。具体方法如下：1、第一圈壁板的计算2703.006.12305.00101HDHHDDH01为两式中的较小值。注：本节所有公式中的变量均以国际单位表示的数值代入。2、第二圈壁板的计算当0102011,375.1时Rh当202011,625.2aRh时。当01120120201125.11.2,625.2375.1RhRhaa时其中2a的算法见下面。3、第三圈及以上各圈壁厚的计算)3(0iaiiaii04、)2(iai的计算①求ai的初值][2)305.0(0iaiHD②010aiiK；KKKKC1)1(；},,min{22.132.061.032103201xxxxRxCHxCHRxaiiiai][2)(xHDtiai③若0aiai，则计算结束。否则aiai0，重复执行②。四、例题例1已知50000m3的储罐直径D=60m，罐壁高19.35m，最高液位18.35m，每圈壁板高度为1.93m。试水时的许用应力610014.210][Pa。要求用变点设计法计算在充水条件下最下面3圈壁板的计算厚度。解：1、求底圈板的计算壁厚mm07.289.010014.210260)305.035.18(9800][2)305.0(601DHmm23.289.010014.21026035.1898009.010014.21035.18980035.1860703.006.1][2][703.006.16601HDHHD取以上两种结果的较小值，所以底圈板的计算壁厚mm07.2801。2、求第2圈计算壁厚02（计算中i=2）1.202807.03093.1011)1(01RhRhii1.3752.12.625)25.11.2)((011201202Rhaa用试算法求2a，取m24.1693.135.18H2第一次试算：mm07.259.010014.210260)305.042.16(9800][2)305.0(622DHa12.107.2507.28201aK058.012.112.11)112.1(12.11)1(KKKKCm834.042.16058.032.002507.03061.032.061.0221CHRxam952.042.16058.0CHx22m058.102507.03022.1Rt22.1x2a3m834.0minxmm24.249.010014.210260)834.042.16(9800][2)(6min22DxHa第二次试算：与第一试算相类似。16.1K；077.0C；m925.01x，m264.12x，m04.13x；m925.01minxxmm10.249.010014.210260)925.042.16(980062a第三次试算：165.1K；079.0C；m934.01x，m297.12x，m0037.13x；m934.0xx1minmm09.249.010014.210260)934.042.16(980062amm76.2502807.03025.193.11.2)09.2407.28(09.24023、第3圈壁板的计算壁厚用试算法求3a，取m49.1493.1235.183H与求解2a的过程相类似，经过三次试算最后求得第3圈壁板的折算高度为0.947m。mm07.219.010014.210260)947.049.14(980063amm07.2103练习题试以变点法确定在试水情况下的储罐底部三圈壁板厚度。已知储罐直径D=85.34m，高度H=19.51m，底部三圈高度均为2.438m。试水时的许用应力MPa682.206][，焊缝系数0.1。答案：第一圈第二圈第三圈变点法38.15mm35.56mm26.96mm定点法38.87mm33.93mm29.00mm第三节油罐高度和直径的选择第三节立式圆柱形油罐直径和高度的选择一、问题的提出：在设计油罐时首先接触到的问题便是油罐的基本尺寸即油罐的直径和高度。在一定容积的条件下，如何确定直径和高度使得油罐的用钢量最小？金属用量的计算与油罐的大小有关：当crVV时，min0s，则取mins，建造等壁厚罐；当crVV时，必须建造变壁厚罐。二、等壁厚罐1、油罐的用钢量)(22minbrsbrsRRHQQQQ令：br,则2min2RRHQs2、条件：HRV23、用拉格朗乘数法求极值构造函数)(22minVHRmRHfsHRVmRHRHRmRmfRfHfss2min2min022202000VHRHRVHRmRHRHmRsss2min2minmin000232min23min2minsssVHVRVHRRH32minmin3VQs（注：将R、H代入Q的表达式）4、结论①minminQRHs②将sHtR代入2min2RQQRHQrbss，有min21QQQQsrb三、等壁厚油罐的最大容积crVHRsmin其中，][将32min23minssVHVR代入上式，得214min3scrV将3N/m9800，Pa108.156][6，mm4minbrs，0.1代入上式得：3m1177crV由此可知：等壁厚油罐的最大容积约为1000m3。当容积大于1000m3时，应建造变壁厚油罐。四、变壁厚油罐的直径和高度选择为方便推导，忽略罐内气压的影响，壁厚计算式取HR。1、金属用量的计算hVHhHHVHVhHVHhVHVHVQss2min2112min)1(当油罐较大时，1121HHHhVHVHVQs2min2、当油罐金属用量最小时，存在0dHdQ即02VHVH第四节油罐边缘应力的计算第四节罐壁边缘应力计算（下节点计算）——API方法（J.B.Denham方法）罐底约束罐壁边缘（下端）变形而产生弯矩M0和剪力Q0的作用。此现象称为边缘效应，它产生的应力叫边缘应力。边缘应力的数值往往很大，对于大容积油罐的设计不应忽略。M0和Q0对环板及罐壁与环板间的丁字焊缝的计算是重要的。边缘力矩M0和剪力Q0，可用截面法分析。油罐下节点处的变形下节点受力图一、罐壁挠曲线方程令：2REKsKs，罐