管道及储罐强度设计

1、管道：管子、连接件、阀门等连接而成用于输送气液体和带固体颗粒流体的装置强度：金属材料在外力作用下，抵抗永久变形或断裂的能力地面敷设的优缺点 优点：不影响土壤环境，且不受地下水位影响，检修方便发现和清除事故容易。 缺点：管道直接设置在空气中，对于非常温管增加冷热能量的损失，限制了通道的高度，不美观。失效机理： 材料：a.塑性失稳b.断裂c.疲劳d.应力腐蚀开裂e.氢致开裂f.裂纹的动态扩展。结构丧失了稳定性 a.塑性失稳：由于变形引起的截面几何尺寸的改变而导致的丧失平衡的现象。图b.断裂：由于裂纹的不稳定扩展造成的。产生原因：制造焊缝，母材缺陷、夹渣、分层等；施工机械损伤、表面划度、凹坑；运行介

2、质、腐蚀环境。 c.疲劳：材料在交变应力作用下的破坏。原因：内压变化间歇输送、正反输送、输气；外力变化风载荷、海底管跨的涡激振动、公路下未加套管的管道 d.应力腐蚀开裂：基本条件：局部环境；敏感元件；应力条件e.氢致开裂:H2S-酸性环境，腐蚀产生氢侵入钢内而产生的裂纹。 f.裂纹的动态扩展：输气管道特有的现象 管道的结构失稳:a 轴向载荷-轴向失稳b外压-径向失稳c弯曲-径向失稳d联合载荷-径向失稳。 弹性敷设是利用管道在外力或自重作用下产生弹性弯曲变形来改变管道的走向或适应高程的变化。 按工艺分，弯头可以分为预制弯管、冷弯弯管、热煨弯管 永久荷载：施加在管道上不变的，其变化与平均值相比可以

3、忽略不计，其变化是单调的并且趋于限值的荷载。 可变载荷：施加在管道结构上由人群、物料、交通工具引起的使用或占用荷载 偶然荷载：设计使用期内偶然出现或不出现其数值很大，可持续时间很短的荷载。 环向应力是由管道输送介质的内压产生的。地下管道产生轴向应力的原因是温度变化和环向应力的泊松效应。 管道热应力:在管道中由于温度变化产生的应力.管道出现温度变化的主要原因:管道在敷设施工时的温度由外部气温决定，而在运行过程中则由输送产品的温度决定，两者之间必然存在差别，不可避免在管道运行过程中产生应力或伸缩变形。地下管道应力应变的特点:根据摩擦阻力与热伸缩力的大小，可以将埋地管道分成自由伸缩段、过渡段和嵌固段

4、。在自由伸长段，土壤与管壁的摩擦力为零，也即在该截面处不受约束可以自由伸长，其变形量也大，随着管道向埋地段延伸时，土壤与管壁之间的摩擦阻力越来越大，管段受到周围土壤的约束，使管道变形量越来越小，这段称为过渡段。当这一变化达到某一长度时，摩擦阻力与热伸缩力相平衡，管段的伸缩完全被约束，即不会因温度的变化而产生伸缩变形，受到完全的强制补偿，此段称为嵌固阶段。管道发生下沉会在管道上产生两种新的应力：一是由于管道偏离原来的直线位置产生弯曲，从而产生新的弯曲应力；二是由于管道弯曲而使管道的长度有所增加而产生的拉伸应力。支墩的作用是限制管道的热伸长量。支墩按型式可以分为上托式支墩、预埋式支墩、卡式支墩应力

5、增强系数：弯管内弧环向应力比直管环向应力增大的倍数。应力缩减系数：弯管内弧环向应力比直管环向应力减小的倍数弯管的环向应力的分布规律： 当=0°或=180°时，即弯管的中线处，也就是水平弯管的最上和最下处， 和直管的环向应力相同。 当=270°时，即在水平弯管的内侧弧面上可得 此处有2的最大值。 当=90°时，即在水平弯管的外侧弧面上可得 此处有2的最小值。轴向应力特点：弯管在内压作用下其轴向应力和直管相等。 弯管柔性比直管大，主要是由于在直管弯曲半径方向，管子截面上出现了扁率。这个扁率是由于弯管制造上的原因。来自热胀而产生的弯矩。管道上的三通是由两个圆柱

6、壳体成直角（也可以是斜角）的组合件，常用于主管与支管的连接。 管道三通有以下制造形式：热冲压法制造成的三通，它主要用于小口径管道；由两个冲压成型的零件焊接成的冲压焊接三通；以及专门的补强圈和无补强圈的焊接三通。补强原则：等面积补强法。 三通分为整体三通和焊接三通三通补强的原因：由于三通处曲率半径发生突然变化以及方向的改变,为了保持主支管接管处的变形协调，必将导致在主支管接管处出现相当大的应力集中现象，常可比完整管道的应力高出5到7倍。 三通补强的方式：只要将接管出的主管或支管加厚（或两者同时加厚）或采用补强的方法便可降低峰值要求，满足强度要求。 开孔补强设计计算方法主要有等面积法，极限分析法和

7、安定性理论。 管壁上任意一点的应力状态：环向应力：由管道的内压产生，再有外压的情况下，管道外压也引起环向应力；轴向应力：内压、外压、热膨胀以及其他力和弯矩都可能产生轴向应力。地上管道和地下管道的载荷的受力差异和相同点：地下管道受的是永久载荷（主要输送介质的内压力）可变载荷（主要试运行时的水重量）偶然载荷地上管道受的是垂直载荷（垂直载荷包括管道自重，保温结构重量，管内输送介质重量，管道附件重量）横向水平载荷（横向水平载荷主要风载荷），轴向水平载荷（轴向水平载荷包括三项：管道的轴向摩擦力，管道内压引起的不平衡轴向力，补偿器的反弹力）相同点：都受输送介质内压作用都是根据环向应力决定壁厚，再与轴向应力

8、组合进行校核。地上敷设管道的支承形式分类：按支架高低分类（低支架敷设，中支架和高支架敷设，沿墙敷设）按管架的结构形式分类（独立式管架和组合式管架），按支架对管道的约束形式分类（又分为固定支架和活动支架），按管道的跨越形式分类。 活动支架：在固定支架处，管子焊在固定支架上，管道与管架之间不能发生相移 ,两个固定支架之间的若干管架，只作为管道支承，而不约束管道的热膨胀，管道与支架之间可发生相对位移。架空管道的载荷根据作用方向的不同分为：垂直载荷，横向水平载荷，轴向水平载荷垂直载荷包括管道自重，保温结构重量，管内输送介质重量，管道附件重量。横向水平载荷主要是风载荷。轴向水平载荷包括三项：管道的轴向摩

9、擦力，管道内压引起的不平衡轴向力，补偿器的反弹力。 管道跨度：两支承间的距离称为管道跨度。管道跨度按管子的强度和刚度条件确定。 按强度条件确定管道的最大允许跨度：在外载荷作用下，管道截面上产生的最大应力不得超过管材的许用应力，以保证管道强度方面的安全可靠。 按刚度条件确定管道跨度：管道在一定的跨度下总有一定的挠度，根据对挠度的限制所确定的管道允许跨度。补偿器：在温度较高的管道系统中，一般采取某种形式的补偿，以增加管道的弹性，减小热胀效应。这种能减小热应力的伸缩装置或弯曲的管段称为补偿器。 按形成原因，补偿器可以分为自然补偿器（由于工艺需要，在布置管道时，自然形成的弯曲管段包括L型和Z型),人工

10、补偿器（专门设置的用来吸收管道热膨胀的弯曲管段和收缩装置，主要包括型或波纹型，填料函式） 在管路上设置弯曲管段的结构形式有：L 型,Z 型, 型， 型补偿器。（ 型的特点：补偿能力大) 补偿器的设计计算方法：弹性中心法，简化计算方法，图解法，计算程序法。大型化油罐的优点：节省钢材 节省投资 占地面积小 便于操作管理(检尺、维护、保卫）节省管线及配件 大型化过程中遇到的问题：强度越高，断裂韧性越低 钢板越厚，在焊缝热影响区易产生裂纹钢板强度等级越高，可焊性越低 D减小，刚性降低，抗风载荷能力下降抗震能力设计及措施 油罐基础设计地基沉陷能力计算钢油罐承载能力的基本要求：足够的强度足够的抵抗断裂能力

11、足够的抵抗风载荷能力足够的抗震能力油罐要有足够的稳固基础。钢油罐分类根据其形状分：立式圆柱形油罐，卧室圆柱形油罐，特殊性油罐根据材质分类：a金属：立式圆柱形油罐，卧室圆柱形油罐，特殊性油罐 b 非金属根据埋设方式分类：地上 地下 半地下 卧式圆柱形油罐特点：卧室圆柱形油罐容积一般较小，但承压能力较高，易于运输，有利于工厂化制造；受力状况好、承压能力高、降低油品蒸发消耗效果显著，但是这类油罐施工困难。应用：多用来储存需要量不大的油品，或用于工厂、农村的小型油库；目前只有球形管被广泛用于储运液化气和某些高挥发性的化工产品。立式圆柱形钢油罐由底板、壁板、灌顶及一些油罐附件组成。其管壁部分的外形为母线

12、垂直于地面的圆柱体。 立式圆柱形油罐根据其顶部结构的不同又可分为：浮顶油罐拱顶油罐内浮顶油罐锥顶油罐无力矩顶罐 罐壁受力分析罐壁主要受储液静压力的作用，罐壁受力的另一个方面是边缘应力 边缘应力：罐壁收到静水压力的作用，将沿径向发生变形，在罐底和壁的连接处，由于罐底对罐壁的约束，阻碍罐壁在下结点处的径向位移，因此在罐壁下端将受到纵向弯曲力矩M0和剪力Q0，这个弯矩和剪力是由罐底约束弯壁的边缘变形产生的，同时有相反方向的M0和Q0作用在和罐壁相连接的罐底环板上，这种现象叫做边缘效应，所产生的应力叫做边缘应力。 定点法与变点法的区别：定点设计法能在一定范围内较好地反应各层圈罐壁板的实际应力水平，计算

13、简单，得到了广泛应用变点设计法能考虑罐底板的约束对罐壁受力的影响，同时也考虑了下层厚壁板对上层薄壁板的影响。确定各圈环向应力最大处的位置，按该位置的薄膜环向应力计算各圈板的壁厚。这样各圈板壁厚的计算，就不是统一地以距各圈底边0.3m为计算点，而是各圈将有不同位置的计算点。 罐壁开孔补强的原因、方法、原则：原因：在罐壁上开孔后将在孔的附近产生应力集中，其峰值应力通常达到罐壁基本应力的3倍甚至更高。这样的局部应力，再加上开孔结构在制造过程中不可避免地会形成缺陷和残余应力，如不采取适当的补强措施，就很有可能在孔口造成疲劳破环或脆性裂口，使孔口处撕裂方法：由于应力集中的影响只在孔的附近，离孔边不远处应

14、力就很快下降，因此补强金属应直接焊在孔的附近才能起到作用，一般做法都是将补强圈板紧贴孔口周围（补强金属紧贴孔口周围的原因）。补强板厚度通常采用与罐壁厚度的相同值，通过计算就可以确定补强板的尺寸。原则：开孔补强的原则是等截面。即等面积补强。 罐壁边缘应力的位置：罐壁与地板连接处 壁厚突变处。 对油罐与底板连接处应力分析的基本假设：油罐充液以后，罐壁上不再内压作用下可以自由变形（径向）,但下部在罐壁与罐底连接处，因受罐底的约束，此处罐壁的径向位移为零;在油罐荷载作用下，罐底板 L长的距离离开了基础。 油罐壁的变形可以看作是静水压力作用下罐壁的自由变形和在罐底受约束力（弯矩和剪力）作用下罐壁变形的叠

15、加（小变形假设）。立式油罐常用的固定顶（包括内浮顶罐上的固定顶），按其支承形势可分为自支承拱顶、自支承锥顶和柱支承锥顶等形式。 油罐固定顶的设计内容包括罐顶计算荷载的确定、罐顶结构、以及包边角钢、球壳和柱支承的设计等。 罐顶的荷载包括外荷载和内荷载。外荷载由球壳的自重、罐内在操作条件下可能产生的真空度、雪载、活荷载组成。罐顶的内载荷是由罐内的油气压力产生。 拱顶是一种自支承式的罐顶，形状近似球面，靠拱顶周边支承于焊在罐壁的包边角钢上,球面由中心盖板和瓜皮板组成，瓜皮板一般做成偶数，对称安排，板与板之间互相搭接。 包边角钢通常采用 A、B两种型式。A型焊接工作量少，但角钢还需加热后冲压成形，比较

16、麻烦。B型焊接工作量较大，但施工工艺较容易。B型每隔一段间距需加设肋板，肋板圆周间距可取1.5m左右。 包边角钢的作用：起到加强罐壁顶圈起到和罐顶板连接的作用。锥顶与一般房屋结构相似，它由顶板、斜椽、横梁和支柱组成。荷载由顶板经斜椽、横梁通过支柱传给基础。浮顶的结构形式：双盘式，单盘式。 双盘式特点：双盘式隔热效果好，多用来存放轻质油，常作为储油厂的成品罐和中间罐，也用作商业油库的中间或发放油库；耗费金属较多，加工费较高。 浮顶罐的附件及作用：中央排水管：为了及时排放汇集于浮顶上的雨水 转动扶梯：作为到达浮顶的通道 浮顶立柱：在页面较低位置时，浮顶随之下降并支承在立柱上，以免浮顶与罐内的附件相

17、撞，二是为了检修时，浮顶立于柱上，以便维修人员由人孔进入罐底与浮顶之间的空间内进行检修或清扫罐底上的沉积物。 自动通气阀：当浮顶支于立柱上之后如继续发油时，不致在浮顶下出现真空，以免将浮顶压坏。浮顶在上述位置进油是，避免在浮顶与液面间出现空气层。 紧急排水口：当中央排水管失效或因雨量过大中央排水管来不及排水而造成单盘积水时，使水由紧急排水口直接排入罐内。 舱室入口：及人孔，为维修人员提供进入罐内的通道，定期进行舱室检查有无泄漏或渗油处，并及时检修。 密封装置的分类，及各类型的特点和密封原理： 机械密封：一是把滑板紧密地推在管壁上，二是可以调心，即浮顶由于外力向一边偏移时，机械密封可以产生相反的

18、力，使浮顶回到中心位置。 缺点：存在油气空间，损耗较大，适应性差，被逐渐淘汰。 软泡沫塑料密封：依靠常处于压缩状态的聚氨酯软泡沫塑料的回弹力来实现密封。油气损耗较机械密封小，且适用性好，缺点是由于泡沫塑料长期处于压缩状态，从而产生塑性变形,使其密封力逐渐减弱，最终造成失效。 管式密封：管式密封依靠橡胶管内液体的侧压力实现密封。优点是液体能在密封管内流动，对罐壁压紧力比较均匀。 唇式密封：该密封与软泡沫塑料相似，只是外形作为唇形。气密性较一般泡沫塑料好，没有一般软泡沫塑料密封在浮船上下移动时易产生滚动，扭转现象。缺点是结构复杂，难于加工，价格较贵。 四个准则计算校核条件第一准则是对于单盘式浮顶，

19、设计时应做到单盘板和任意两个相邻舱室同时破裂时，浮顶不沉没；对于双盘式浮顶，设计应做到任意两个舱室破裂时浮顶不沉没。 第二准则在整个灌顶面积上有 250mm 降雨量的水积存在单盘上时浮顶不沉没。 第三准则为在在正常操作条件下，单盘与储液之间不存在油气空间。 第四准则在前三个准则条件下，浮顶能保持结构完整性，不产生强度或失稳性破坏。 罐底板的排板方式，主要是考虑到底板焊接的变形量小，易于施工，以及节约钢材等因素来决定的。当油罐内径不超过 12.5m 时，可采用巨型的中幅板和边缘版组成的条形排板方式；当油罐内径大于 12.5m 时，采用周边为弓形边缘板的排板方式。 对于油罐尤其是大型油罐的威胁主要

20、来自两个方面，一是基础不均匀沉陷，二是材料的脆性断裂破坏。 油罐基础的沉陷5种类型均匀沉陷整体倾斜不均匀沉陷盘形不均匀沉陷壁板周边的不均匀沉陷壁板周边的局部沉陷（壁板周边的不均匀和壁板周边的局部沉陷实际上属于同一类型，是最危险的一种沉陷） 设计风压计算：对于敞口油罐，如浮顶罐，设计风压为：P=K1K2KZ0 对于固定顶油罐，如拱顶油罐设计风压为：P=K1KZ0+KsP对于内浮顶油罐，既无风压引起的负压，也无需设呼吸阀，故设计风压为P=K2KZ0 敞口油罐应设置抗风圈以保持油罐经受风载荷时的圆度。抗风圈设置在油罐的顶部，我国通常将抗风圈置于包边角钢以下1m的位置上。抗风圈所需最小截面系数WZ=0.082D2H D油罐内径 H罐壁全高 WZ抗风圈所需最小截面系数设置了抗风圈以后。罐体的上部保持了圆度，但抗风圈下面的筒体仍有可能局部被吹瘪，为了解决这个问题，需在下部适当的位置设置加强圈。 加强圈的设计与计算存在的问题：罐外壁风压分布不均匀油罐为阶梯形变截面圆筒，筒体母线无法用一个单一的方程式