油罐与管道强度设计-拱顶设计

1、油罐与管道强度设计油罐与管道强度设计 教材教材 v选用教材：选用教材：油罐及管道强度设计油罐及管道强度设计，潘家华，潘家华 主编，石油工业出版社，主编，石油工业出版社，1986。 v参参 考考 书书: : 管道及储罐强度设计管道及储罐强度设计，帅健，帅健 大型储罐设计大型储罐设计，湛卢炳，湛卢炳 化工容器设计化工容器设计 ，王志文，王志文 教学安排教学安排 3 第一章第一章钢油罐设计的基本知识钢油罐设计的基本知识4学时学时 第二章第二章轴对称回转薄壳的内力（及位移）分析轴对称回转薄壳的内力（及位移）分析8学时学时 第三章第三章油罐尺寸选择和罐壁强度设计油罐尺寸选择和罐壁强度设计6学时学时 第四

2、章第四章立式圆柱形油罐罐顶设计立式圆柱形油罐罐顶设计2学时学时 第五章第五章浮顶的设计浮顶的设计6学时学时 第六章第六章立式钢油罐的抗风设计立式钢油罐的抗风设计 4学时学时 第七章第七章立式油罐罐底设计立式油罐罐底设计6学时学时 第十章第十章 地上管道地上管道8学时学时 第十一章第十一章 地下管道地下管道8学时学时 学生成绩评定方法学生成绩评定方法 u 平时成绩（到课率及作业等）平时成绩（到课率及作业等）30% u 期末成绩期末成绩70% 5 3.4 罐壁的开孔补强罐壁的开孔补强 一、罐壁的开孔及补强原因一、罐壁的开孔及补强原因 q罐壁的开孔类型及作用罐壁的开孔类型及作用 进出油管孔；进出油管

3、孔； 消防管孔；消防管孔； 人孔；人孔； 清扫孔。清扫孔。 q 补强的原因补强的原因 孔口附近会产生应力集中，削弱罐壁强度；孔口附近会产生应力集中，削弱罐壁强度； 开孔结构在制造过程中会形成缺陷和残余应力，可能造成疲劳破开孔结构在制造过程中会形成缺陷和残余应力，可能造成疲劳破 坏或脆性裂口，使孔口处撕裂。坏或脆性裂口，使孔口处撕裂。 6 3.4 罐壁的开孔补强罐壁的开孔补强 二、罐壁的开孔补强方法二、罐壁的开孔补强方法 q 补强板的作用补强板的作用 增大开孔周围的壁厚，降低周围的应力。增大开孔周围的壁厚，降低周围的应力。 q 补强的做法补强的做法 补强金属应焊在孔的附近才能起到作用，一般都是将

4、补强圈板紧补强金属应焊在孔的附近才能起到作用，一般都是将补强圈板紧 贴孔口周围。贴孔口周围。 在人孔补强板横向中心线上应开一个在人孔补强板横向中心线上应开一个M10（螺纹内径）的讯号孔（螺纹内径）的讯号孔 （a. 利于焊渣和烟排除；利于焊渣和烟排除；b. 若存在焊接质量问题，试水将发生泄若存在焊接质量问题，试水将发生泄 漏。）漏。） 7 3.4 罐壁的开孔补强罐壁的开孔补强 三、罐壁的开孔补强准则三、罐壁的开孔补强准则 q 等截面补强等截面补强 属经验设计准则，并规定：属经验设计准则，并规定：a.用与罐壁相同的钢板作补强板；用与罐壁相同的钢板作补强板；b. 补强板横截面积补强板横截面积A=D孔

5、 孔 壁厚壁厚=D纵向 纵向 OS,且且A与孔口横截面积取与孔口横截面积取 值相等值相等。该法偏于保守、较烦，但历史长，可靠，应用广泛。该法偏于保守、较烦，但历史长，可靠，应用广泛。 q 极限分析补强极限分析补强 属极限设计方法，同时考虑到了结构的安定性。其基本点：壳体属极限设计方法，同时考虑到了结构的安定性。其基本点：壳体 开孔后的屈服应力基本上等于未开孔时的屈服应力，并使开孔周开孔后的屈服应力基本上等于未开孔时的屈服应力，并使开孔周 围的不连续应力和一次薄膜应力迭加后总应力围的不连续应力和一次薄膜应力迭加后总应力 2 s，该法只允，该法只允 许采用整体补强结构。（许采用整体补强结构。（Ex

6、：三通是预制管件，则可适当选取三：三通是预制管件，则可适当选取三 通的主管与支管的壁厚，制成焊接三通后，不再补焊其他钢材。通的主管与支管的壁厚，制成焊接三通后，不再补焊其他钢材。 8 3.4 罐壁的开孔补强罐壁的开孔补强 四、罐壁开孔等截面补强形式四、罐壁开孔等截面补强形式 q 环形板环形板 外径为内径的两倍左右，适用于开孔直径外径为内径的两倍左右，适用于开孔直径DN250 mm。 q 多边形板多边形板 内切圆直径取为补强板内孔直径的两倍左右，适用于开孔直径内切圆直径取为补强板内孔直径的两倍左右，适用于开孔直径 DN250 mm。 9 3.4 罐壁的开孔补强罐壁的开孔补强 五、有效范围五、有效

7、范围 q 因开孔附近应力集中的局部性，添加的因开孔附近应力集中的局部性，添加的 补强金属只有在靠孔口局部范围内才能起补强金属只有在靠孔口局部范围内才能起 到有效的补强作用，称此范围为到有效的补强作用，称此范围为有效范围有效范围。 有效高度：有效高度：H=2d=2纵向开孔直径纵向开孔直径 有效宽度：有效宽度： 内侧：内侧：B1=2.5 S 外侧：外侧：B2=2.5 p+a 式中：式中： p接管的壁厚；接管的壁厚； s开孔处开孔处 的壁厚；的壁厚；a补强板厚度，一般与罐壁补强板厚度，一般与罐壁 厚相同。厚相同。 10 3.4 罐壁的开孔补强罐壁的开孔补强 六、等截面补强的金属面积的计算六、等截面补

8、强的金属面积的计算 q 需要补强的金属面积需要补强的金属面积A：A=d OS 式中：式中： OS开孔处罐壁的计算厚度；开孔处罐壁的计算厚度；d开孔直径。开孔直径。 q 罐壁罐壁S OS的部分可作补强的截面积的部分可作补强的截面积A1： A1=d（ S OS） 式中：式中： S开孔处罐壁的实际厚度。开孔处罐壁的实际厚度。 11 3.4 罐壁的开孔补强罐壁的开孔补强 六、等截面补强的金属面积的计算六、等截面补强的金属面积的计算 q接管接管sp op的部分可作补强的截面积的部分可作补强的截面积A2： A2=2B（ P OP） 式中：式中： B补强区域的有效宽度，即：补强区域的有效宽度，即：min(B

9、1, B2) 。 q 补强板的金属面积补强板的金属面积A3 若A1+A2A，则不需补强；反之，则需要补强，补强面积为： A3=A-(A1+A2) 因为因为 补强板厚度通常采用与罐壁相同的厚度补强板厚度通常采用与罐壁相同的厚度 所以所以 根据上式可确定补强板的几何尺寸根据上式可确定补强板的几何尺寸 12 3.4 罐壁的开孔补强罐壁的开孔补强 七、罐壁开孔补强圈板标准系列七、罐壁开孔补强圈板标准系列 q 罐壁各种公称直径的开口接管及补强圈板规格可按表罐壁各种公称直径的开口接管及补强圈板规格可按表3-10 及及GB50341-2003选用。选用。 q 表中表中D外 外指环形补强板的外径或多边形补强板

10、的内切圆直 指环形补强板的外径或多边形补强板的内切圆直 径，径，D内 内指补强圈开孔直径。 指补强圈开孔直径。当罐壁开孔接管直径不超过当罐壁开孔接管直径不超过 DN50时，可不进行补强。时，可不进行补强。 第四章 立式圆柱形油罐罐顶设计 一、拱顶结构及主要几何尺寸一、拱顶结构及主要几何尺寸 二、计算荷载的确定二、计算荷载的确定 三、包边角钢的校核三、包边角钢的校核 四、球壳的设计四、球壳的设计 14 拱顶结构拱顶结构 u 拱顶组成拱顶组成 中心盖板和瓜皮（扇形）板组成，形状近似球面。中心盖板和瓜皮（扇形）板组成，形状近似球面。 u 拱顶各部分的连接拱顶各部分的连接 瓜皮板块数一般取为偶数，对称

11、安排。板与板之间可对接瓜皮板块数一般取为偶数，对称安排。板与板之间可对接 或相互搭接，实际搭接宽度或相互搭接，实际搭接宽度 5倍板厚且倍板厚且 25 mm，一般搭，一般搭 接宽度多采用接宽度多采用40 mm。搭接的瓜皮板在外侧采用连续焊，内。搭接的瓜皮板在外侧采用连续焊，内 侧采用间断焊。侧采用间断焊。 中心盖板搭在瓜皮板上，搭接宽度一般取中心盖板搭在瓜皮板上，搭接宽度一般取50 mm。 15 拱顶结构拱顶结构 16 拱顶的特点拱顶的特点 u 拱顶部分存在油气空间；拱顶部分存在油气空间； u 能承受较高的内压，一般为能承受较高的内压，一般为2 kPa，最大可达，最大可达 到到10 kPa（当阀

12、阻塞时）；（当阀阻塞时）； u 刚性好，施工方便，多采用充气倒装法施工，刚性好，施工方便，多采用充气倒装法施工， 高空作业少，施工周期短，施工费用低。高空作业少，施工周期短，施工费用低。 17 拱顶的结构尺寸拱顶的结构尺寸 u 确定原则确定原则 当当s= r时，在气压时，在气压p作用下，应使罐壁顶部的环向应力作用下，应使罐壁顶部的环向应力 s =罐罐 顶的环向应力顶的环向应力 r，否则，罐顶与罐壁将在连接处发生相对位移。，否则，罐顶与罐壁将在连接处发生相对位移。 u 球顶曲率半径球顶曲率半径R 当当 s = r时，在气压时，在气压p作用下，罐壁顶部与罐顶的环向应力作用下，罐壁顶部与罐顶的环向应

13、力 分别为：分别为： s = ， r = 要使要使 s = r，必使，必使R=D。 一般取球顶曲率半径与罐径之差一般取球顶曲率半径与罐径之差 20%，即：，即：R=（0.81.2）D s PD 2 r PR 2 18 拱顶的结构尺寸拱顶的结构尺寸 u 过渡部分曲率半径过渡部分曲率半径（图（图4-3） 当当 时，则拱顶高时，则拱顶高h、气体空间、气体空间 、用料量、用料量 ；反之，；反之， 过渡处局部弯曲应力过渡处局部弯曲应力 。一般取。一般取=0.1 D，此时，此时， h0.2 D。 u 瓜皮板几何尺寸瓜皮板几何尺寸 参见参见大型贮罐设计大型贮罐设计上海科学技术出版社，上海科学技术出版社，19

14、86。 19 拱顶与罐壁的连接形式拱顶与罐壁的连接形式 u 以圆弧过渡与罐壁相连以圆弧过渡与罐壁相连 此形式连接处无横推力，受力情况较好，边缘应力小，此形式连接处无横推力，受力情况较好，边缘应力小， 承压能力较高，但需冲压加工，施工较难。承压能力较高，但需冲压加工，施工较难。 20 拱顶与罐壁的连接形式拱顶与罐壁的连接形式 注意：注意：“罐顶与包边角钢采用弱顶结构罐顶与包边角钢采用弱顶结构”的目的：的目的： 在储罐运行中，万一操作失误，使罐内压力过大，罐在储罐运行中，万一操作失误，使罐内压力过大，罐 体开始破裂时，首先把罐顶板掀开而迅速泄压，从而体开始破裂时，首先把罐顶板掀开而迅速泄压，从而 避免因罐壁破裂带来更大的损失。避免因罐壁破裂带来更大的损失。 u 以包边角钢将罐