油罐及管道强度设计课件

油罐及管道强度设计目录•第一章钢油罐设计的基本知识•第二章轴对称回转薄壳的内力（及位移）分析•第三章油罐尺寸选择和罐壁强度设计•第四章立式圆柱形油罐罐顶设计•第五章浮顶的设计•第六章立式钢油罐的抗风设计•第七章立式油罐罐底设计•第十章地上管道•第十一章地下管道第一章钢油罐设计的基本知识•第一节金属油罐的发展趋势•第二节油罐大型化遇到的新课题•第三节油罐的种类•第四节油罐钢材的选择•第五节油罐强度设计讲授的内容第一节金属油罐的发展趋势—大型化原因：增加原油的储备量依靠进口的工业化国家，为了应付能源危机。以日本为例：72年储油日数50日74年储油日数60日现在储油日数约90日我国现在的炼厂由于炼制进口原油，建造储油罐，用来应付原油价格波动。99年齐鲁新建6台5万3m原油罐，原有8台5万3m用来储运原油。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（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。例如：造价40万3m：104万3m100%58万3m109%410万3m119%220万3m141%第二节油罐大型化遇到的新课题油罐大型化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。稳定性:风力作用下罐壁的稳定性（t/D下降，刚度下降）。抗震：抗震措施的研究。3.壁厚增加，导致：冲击韧性降低，冷脆转变温度高（厚钢板冷却速度慢，停轧温度高，晶粒粗）。易产生裂纹（缺陷见书P13表1-3）。焊接难度增加。焊缝或热影响区易产生裂纹。由于现场无法进行退火处理，因而有最大壁厚的限制。最大壁厚:API65044.45mm英国BS265440mm日本JISB850145mm我国SYJ1016-8238mm注：材料的冲击韧度A/Wk，它随温度降低而减小。在某一狭窄温度区间，k骤然下降，材料变脆，即冷脆现象。对于高强度钢，由于可焊性降低，因而要选择合适的焊接工艺。第三节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)；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．锥顶油罐缺点：采用型钢种类多，结构较复杂，施工较困难，现已不建造。2．悬链式油罐根据悬链线理论用薄钢板和中心柱组成。薄板中只有拉应力而无弯曲应力。缺点：在悬链的最低点易积存雨水而遭受腐蚀。现已很少建造。3．拱顶罐罐顶是球面的一部分。(大型锥顶罐)(锥顶罐)(悬链式油罐)(拱顶罐)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（D=50.3m,H=23.67m）。拱顶罐的组成：顶：中心盖板，扇形盖板（瓜皮板），加强筋。罐壁：从上而下由薄变厚的钢板组成。底：边板（环板），中幅板。顶与壁由包边角钢相连。大型的拱顶罐还有加强圈（如36mD48m时用15010010的角钢）。附属设施：呼吸阀、阻火器、量油孔、人孔、盘梯等。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。(单盘式浮顶罐)（双盘式浮顶罐）组成：顶：单盘，浮船（密封）。罐壁：同拱顶罐。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。(内浮顶罐)第四节油罐钢材的选择油罐罐壁：上部壁板按刚度条件确定。有最小壁厚要求（D↗，最小壁厚↗）。A3F。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．可焊性要求可焊性两种指标的控制：(1)碳的当量含量（低好）。(2)热影响区（与碳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。钢材的选择：沸腾钢和镇静钢。镇静钢：钢水在浇铸前完全脱氧，因而在浇铸过程中保持镇静状态。沸腾钢：钢在冶炼时只进行部分脱氧，出炉时钢水中的剩余氧与碳相互作用，形成一氧化碳，在凝固过程中，一氧化碳不断从钢水中溢出，造成沸腾状态。沸腾钢的优点：强度极限、屈服极限均与镇静钢相同；价格比同钢号的镇静钢低约25％（因沸腾钢成材率高，所用还原剂少）。沸腾钢的缺点：（1）时效倾向性强。随着时间的延长，其强度和硬度略有提高，但塑性和韧性显著下降，冷脆转变温度升高。沸腾钢的时效现象在低温时较弱，故沸腾钢的最高使用温度一般限制在200℃以下。这一点对油罐钢材的选择无影响。（2）冷脆敏感性强。沸腾钢的冷脆转变温度高。这一点影响油罐的最低使用温度。若厚钢板选用沸腾钢，其冷脆转变温度将进一步提高。（3）偏析现象严重。偏析是指在整张钢板上各点化学成分不均匀的现象。钢板越厚，偏析现象越严重。偏析导致钢板的可靠性差，因而油罐重要部位不宜选用沸腾钢。（4）易产生分层和重皮。沸腾钢中的气孔使其在轧制过程中以产生分层和重皮，这一点也将导致钢板的可靠性差，因而油罐重要部位不宜选用沸腾钢。所以，由刚度决定的可用沸腾钢，由强度决定的必须用镇定钢。第五节油罐强度设计讲授内容1、轴对称回转薄壳的内力及位移分析。2、储罐经济尺寸的选择。3、罐壁设计：强度→壁厚设计稳定性→抗风圈、加强圈设计抗震设计（校核）（省略不讲。请参考《GB50191-93构筑物抗震设计规范》中的“常压立式圆筒形储罐”部分）4．罐底设计：校核环板厚度，中幅板厚度的选择。5．拱顶设计：稳定性校核浮顶设计：根据设计准则进行校核（简略）。大型锥顶罐锥顶罐悬链式油罐拱顶罐内浮顶罐浮顶罐双盘式浮顶罐第二章轴对称回转薄壳的内力及位移分析•引言•第一节旋转薄壳的几何特征•第二节轴对称回转薄壳的内力及位移分析•第三节一些常见轴对称回转薄壳的薄膜•应力和位移分析引言所谓轴对称问题：指壳体的几何形状、所受的外部载荷及其约束条件均对称于旋转轴。旋转壳体的中面：指与壳体内、外表面等距离的曲面，它是由一条平面曲线（母线）围绕同一平面内的轴线旋转一周形成的。回转薄壳：壳体壁厚与内径之比小于101的回转壳体。例：日常生活中的锅、碗、盆等，球、直管道、油罐、弯头（类似于自行车内胎的41）、油罐车、锥形容器（漏斗）等。(一般旋转壳体的中面)第一节旋转薄壳的几何特征一、基本概念1、下图表示一般旋转壳体的中面。通过旋转轴OO1作一纵向平面，它与旋转壳体中面的交线OB称为经线。经线上任一点B绕轴OO1旋转一周的轨迹称为纬线或平行圆。B点的法线必与旋转轴相交，其交角。2、坐标的确定经线的位置由从母线平面量起的角度确定；平行圆的位置由角确定。壳体中面上任一点的位置可由两个坐标和确定。沿中面法线方向的坐标z，z指向壳体中面的曲率中心为正。(回转面的经线)(一般旋转壳体的中面）（壳体中面的几何特征）3、经线的曲率半径称为第一曲率半径1r或r，如图中的BK。4、同一平行圆（纬线）的各点作法线的延长线，即形成一与壳体中面正交的圆锥面，圆锥的顶点必在旋转轴上。此圆锥母线长度BK2，即称为该点上壳体中面的第二曲率半径2r或r。回转薄壳的第一曲率半径是其母线（经线）本身的曲率半径。回转薄壳的第二曲率半径是经线上的点沿其法线方向到回转轴的距离BK2。平行圆半径是经线上的点到回转轴垂直距离r。二、几何特征已知量：经线确定r，回转轴已知r，求某一点处,几何量之间的关系。注：回转薄壳中的量如r、r、r都只是的函数，ddr由经线的形状决定。sinrr经线线素：drdScosrddrdcosrcosdSdr(壳体中面的几何特征)sinrddhdsinrsindSdh平行圆线素长度：dsinrrddS中面面素为：ddsinrrdSdSdAdrsindcosrsinrddrddrsincosrddrddrsincosrcosrctgrrddr第二节轴对称回转薄壳的内力及位移分析一、基本假设对于旋转薄壳，通常壳的厚度与壳的曲率半径相比为小量，而且这里研究的范围是弹性的变形，即壳体受力后其各点的位移都远小于壁厚。因此，当讨论旋转壳体的受力分析和变形时，可采用以下基本假设（基尔霍夫-乐甫假设）：1、直法线假设变形前垂直于中面的直线变形后仍垂直于变形后的中面，其长度也不变，即认为剪应力z引起的变形可以忽略不计；法向应变0z，即认为截面上各点的法向位移可以近似地看成壳体中面上对应点的法向位移w相等。2、互不挤压假设平行于中面的各层纤维之间互不挤压，即认为与周向应力、经向应力相比，法向应力z为小量，可忽略不计。二、轴对称载荷如果回转壳所受的载荷和约束都是轴对称的，则其内力及位移也都是轴对称的。轴对称载荷的表达式是：)(qq0q)(qqzzyxx，，注：一般平行圆半径增大的方向为x方向。（体素内力平衡）轴对称内力的表达式是：0NNNN，，轴对称位移的表达式是：ww0vuu，，(一)无力矩假定假定整个薄壳的所有横截面上都没有弯矩和扭矩，也就是0M,0M,0M由弹性力学可知，则横截面上的两个剪力0QQ。（参阅《弹性力学》下册，徐芝纶，人民教育出版社）。(二)应用无力矩理论的条件1、壳体应具有连续曲面→变形协调在壳体有突变的地方，按无力矩理论分析时，出现变形不协调，而变形不协调将直接导致局部弯曲，因而破坏无力矩状态。2、壳体上的外载荷应当是连续的当有垂直于壳壁的集中力和力矩作用时，壳体将是有力矩状态。3、壳体边界固定形式应该是自由支承的，且支承载荷的方向与壳体相切当边界上法向位移和转角受到约束，在载荷作用下势必引起壳体弯曲，不能保持无力矩状态。当上述条件之一不能满足，就不能应用无力矩理论去分析。实践证明：除局部区域外，无力矩理论解答有效，除：壳体的连接边缘，载荷的分界面，容器的支座附近等。例如：油罐的下节点附近，两层圈板连接处等。注意：以上三条只是无力矩假定的必要条件。三、轴对称回转薄壳的体素平衡方程（运用无力矩理论）载荷：zxqq，；0M,0MM,0qy内力：N,N；0,0QQ注：下标、表示作用面方向，x、y、z表示载荷方向。(体素平衡分析示意图)1、在x方向①（面力）载荷xqX微元面积所受到的面力在x方向的分量ddsinrrqdSdSqdAqxxx②经向力N在x轴方向的分力dddsinrNddddSNddSNdddSNddSN③周向力的合力（平行圆半径方向）：ddrNdsindddSNddSN周向力合力在x轴方向的投影：ddcosrN④x方向力的平衡0ddsinrrqddcosrNdddsinrNdx0sinrrqcosrNdsinrNdx2、在z方向①载荷在z轴方向的分量zq，面素所受到的面力在z轴方向的分量ddsinrrqdAqzz②经向力在z轴方向的合力