管道与储罐强度-油罐的应力分析

1、第5章 油罐的应力分析 油罐是油品储存的主要设施； 油罐分为： 立式圆柱形油罐、卧式圆柱形油罐、双曲率油罐（滴状油罐和球形油罐） 立式油罐分为： 浮顶油罐、拱顶油罐、内浮顶油罐、锥顶油罐、悬链式油罐（无力矩）（1） 浮顶油罐 罐顶浮在油面上，随油品的收发上下浮动，浮顶与罐内壁之间的环行空间有可上下移动密封装置。 优点： 不存在气体空间，减少了油品的蒸发。 罐顶的自重受储液支持，受力状况良好。2万m3的浮顶油罐最大储罐24万m3 ，国内80年代建造了4座10 m3罐。（2） 拱顶油罐 罐顶为球面的一部分，由46mm的薄钢板和加强筋组成； 优点：施工容易，造价低； 缺点：中间无支撑，罐顶直径受到限

2、制；（3）内浮顶油罐（4）锥顶油罐（5）悬链式油罐也称无力矩油罐。油罐的发展趋势大型化 大型化的优点： 节省钢材； 减少投资； 占地面积小； 便于操作管理； 节省管线及配件。对油罐的基本要求 强度要求：卸载后，不应留下塑性变形。 抗断裂的能力：无论在水压试验或操作条件下，油罐不得产生断裂。 抗风的能力：在建造及使用期间，在建罐地区的最大风荷下不产生破坏。 抗地震能力：要求在整个使用期间，在建罐地区的最大地震烈度下不产生破坏。 基础稳固：油罐基础在整个使用期间的不均匀沉陷要在允许的范围内。5.1 立式油罐的罐壁强度设计 罐壁圈板由多块钢板对接焊成，各圈罐壁的纵缝应错开，其间距不小于500mm；

3、罐壁相邻上下圈板的连接可采用：（a）套筒式；（b）对接式；（c）混合式；罐壁承受的储液静压力 罐壁受力图 由于罐壁厚度较小，可忽略弯曲应力，按薄膜理论考虑。应力 壁厚 xxxRxp Rxpxx确定罐壁厚度需要考虑的因素 每层罐壁板的厚度不同； 每层罐壁板中的应力分布不均匀：定点法：罐壁中最大应力发生在距下端300mm（1英尺）处；变点法：按罐壁板中的最大应力考虑； 焊缝系数； 腐蚀裕量。罐体结构示意图 下节点及罐壁的变形分布图 5.1.1 确定罐壁厚度的几种标准 中国SH3046标准（定点法） 日本JIS B8501标准（定点法） 英国BS2654标准（定点法） 美国API650标准（变设计点

4、法） 1、中国SH3046标准（定点法）t1 储存预定介质时的设计厚度，mm； 储液密度，kg/m3； H 计算的罐壁板底边至设计储液高度的距离，m； D 储罐内直径，m； 常温下罐壁钢板的许用应力，MPa； 焊缝系数，一般取0.9； C1 钢板厚度负偏差，mm； C2 腐蚀裕量，mm； 2113 . 09 . 4CCDHt2、日本JIS B8501标准（定点法）t 最小板厚，mm； 储液比重（当小于1时，取1）；H 由该段壁板的下端至设计液位的高度，m； D 储罐内直径，m； fm 母材的许用应力，MPa ； 焊缝效率，一般取1.0，其中第一层取0.85； C 腐蚀裕量，mm。 CfHDtm

5、2 . 03 . 03、英国BS2654标准定点法计算 t 最小板厚，mm； w 储液密度，g/ml（取值不得小于1）；H 由该段壁板的下端至设计液位的高度，m； D 储罐内直径，m； S 设计许用应力，MPa； P 设计压力，mbar(对无压储罐可忽略不计)； C 腐蚀裕量，mm； CPHwSDt)3 . 0(98204、美国API650标准（变设计点法）底圈罐壁板计算厚度tptSGHDt3 . 09 . 4tttSDHSHHDt0696. 006. 11两者之中取最小值各圈壁厚的变点计算法hi-1计算圈的下面一圈的圈板高，m；r油罐半径，m；ti所需计算的第i圈的罐壁计算厚度，mm；tai

6、根据变点位置求得的第i圈的壁厚值，mm。10011375. 1iiiittrth时，当aiiiittrth011625.2时，当11100111 .2625.2375.1iiaiiaiiiirthttttrth时，当变点法到计算圈板底边的距离式中CHrtxai32061. 01CHx1002airtx22. 13aiittKkkkkC10,11变点法需反复试算迭代，计算工作量大三式之中取最小值四种标准计算结果的比较（10万方罐）API650SH3046JIS B8501BS2654129.1432.4330.4929.31225.94928.3822.6825.65320.70324.3319

7、.4421.98417.42620.2716.218.32513.80216.2212.9614.65610.25812.169.7210.9978.1118.9598.0985.0886.456.486.0790.8640.810.810.76层号遵循的标准规范壁厚比较05101520253035厚度123456789层号SH3036API650JIS B8501BS2654四种标准计算的罐壁总重量比较（ kg） 640000660000680000700000720000740000760000780000800000820000SH3046API650JIS B8501BS2654罐壁的

8、开孔补强 由于使用要求，必须在罐壁上开孔并接管； 开孔后的罐壁将在孔的附近产生应力集中，导致孔口疲劳破坏或脆性裂口，使孔口撕裂； 补强的办法是在开孔的周围焊上补强钢板，增大开孔周围的壁厚； “等截面”补强方法。补强板形状 开孔直径不超过250mm 开孔直径超过250mm5.2 立式钢油罐的抗风设计 油罐的抗风设计和计算很重要，国内外均发生过在风力作用下罐壁产生局部失稳的现象； 抗风设计的主要措施是在罐顶加设抗风圈，对大型油罐，除抗风圈外，在抗风圈的下面还需加设一圈或数圈加强圈。5.2.1 风载荷的分布和计算 正对着风的一点称为驻点，驻点的风压值最高； 迎风面上大约600范围受压，其它部分是吸力

9、。风压根据风速计算 标准风速以一般平坦地区，离地面10m高，30年一遇的10分钟平均最大风速为依据。162220VgVW；重力加速度，；标准风速，此时时的数值为准。绝对干燥，气温个大气压，以空气容重，；），标准风压（基本风压式中2302022551151s/mgs/mV;m/kgf.Cm/kgfW对于敞口油罐，设计风压按下式计算021WKKKPz。标准风压，见下表高度变化系数，可取转换系数，可取体型系数，；设计风压，式中202125251m/kgfW;K;.K;.Km/kgfPz风压高度变化系数离地面或海面高度，m陆上海（岛）上510152030400.781.001.151.251.411.

10、540.841.001.101.181.291.375.2.2 抗风圈的设计和计算 抗风圈设置在油罐的顶部，通常位于包边角钢以下1m位置。 抗风圈的外形可以是圆的，也可以是多边形的。 抗风圈是由钢板和型钢拼装成的组合断面结构。 抗风圈的刚度由截面系数确定。结构抗风圈的扶梯穿过孔SH3046基本风压值取700Pa，距地面15m。HDWZ2082. 0WZ截面模数D油罐内径；H罐顶高度；假设迎风面风压分布范围所对应的抗风圈区段为两端饺支的圆拱，沿拱铀线的风呈正弦曲线分布，圆拱所对应的圆心角为60度，并假设罐壁上半部分的迎风面风压由抗风圈承担 API650和BS2564 标准风速取45m/s，距地面

11、9m。 22058. 0HDZ 21245042. 0VHDZJIS B8501 标准风速取70m/s，距地面15m。 5.2.3 加强圈的设计和计算抗风圈以下的罐壁，仍有可能被吹扁，需设置加强圈。风压失稳由不均匀分布外压造成，和均匀外压失稳的临界压力相比，低13.6%。罐壁失稳按均匀外压考虑。当量高度 油罐是阶梯形变断面圆筒，按当量高度折算； 将壁厚不同的各筒节折算成直径相同、稳定性相同的等壁厚圆筒，折算后的筒节高度称为当量高度； 按折算后的等壁厚圆筒设计加强圈。当量高度计算5tthHmine。时的当量高度，厚度为所计算的那层圈板在；罐壁的最小厚度，壁厚，所计算的那层圈板的；度，折算前圈板的

12、实际高式中mtHmmt;mmtmhmineminSH3046推荐方法 该方法以薄壁短圆筒在外压作用下的临界压力计算公式为基础，参照当量高度的概念得出：E.mincrHDtP51521680。当量高度，油罐内径，；罐壁的最小厚度，；罐壁许用临界压力，式中mHmDmmtm/kgfPEmincr2加强圈的数量及其位置设计压力P与Pcr的关系加强圈数 在当量筒体上的位置Pcr PP/2Pcr PP/3Pcr P/2P/4Pcr P/30123-He/2He/3, 2/3HeHe/4, He/2, 3/4He例题 一台浮顶油罐内径60m，高18m，罐壁由9层2m宽的圈板组层，抗风圈设在离上口1m处，罐壁

13、自上而下的厚度分别为10、10、10、12、14、16、18、20、23mm，建罐地区基本风压W0=70kgf/m2，求加强圈的个数，位置及尺寸。解：（1）求设计压力P021WKKKPz21115115181520151251525121.KK;.K;.Kzz并用线性插值法查表，高度变化系数，可取转换系数，可取体型系数，292857021125251m/kgf.P（2）求Pcr各圈的He值，列表如下：E.mincrHDtP51521680eEminHHmDmmt6010；层次h，m t， mmHe, m1234567891222222221010101214161820231221.2680.

14、8620.6180.4600.3540.249（3）确定加强圈的个数与位置所以需设2个加强圈。m.HE8118249035404600618086202681221251527129811860101680m/kgf.P.cr23951422395322/PP/Pm/kgf./Pm/kgf./Pcr 第一个加强圈：在当量筒体上距抗风圈HE/3处；HE/3=8.811/3=2.937m，因位于tmin处，故无需折算。 第二个加强圈：在当量筒体上距抗风圈2/3HE处； 2/3HE =8.8112/3=5.874m，因不在tmin处，故需折算，其距抗风圈的实际距离为。m.37961012587455

15、52（4）加强圈的尺寸参阅下表，取加强圈角钢为20010012mm。油罐直径Dm角钢圈（或同样截面系数的型钢）mmD2020D36364810060 812575 8150100 10200100 125.2 浮顶的结构与强度 浮顶油罐是在大中型油罐罐顶中最常见的结构形式； 浮顶有两种：双盘式：有上下两层盖板，隔热效果好，用来存放轻质油等，多用于5000m3或更小的罐；单盘式：周边为环形浮船，中间为单盘，多用于5000m3以上的罐。5.2.1 浮顶结构 单盘式浮顶的周边为环形浮船，中间为单盘。单盘由钢板搭接而成，排板的形式有两种条形排板人字形排板 环形浮船：由隔板分隔成若干互不渗漏的舱室；舱室

16、的数目根据需要确定。 立柱：设置若干立柱的目的有两方面： 当液面处于较低的位置时，浮顶下降并支承在立柱上，避免与罐内附件碰撞； 检修时的浮顶支于立柱上。 浮顶上有中央排水管：由若干段钢管组成，管与管之间有活动接头。 自动通气阀：使罐底与浮顶之间的空间接通大气。 转动扶梯：作为从罐壁盘梯的顶平台到浮顶的通道。 导向装置：防止浮顶转动或偏移。 人孔：每个舱室上应设置船舱人孔，定期进入舱室检查有无渗漏或渗油处。浮顶上至少设置一个人孔，以便油罐排空后在检修进行通风、透光和便于检修人员的出入。 密封装置：填充浮顶的外边缘板与罐壁之间的200300mm间隙。重锤式机械密封1罐壁；2橡胶板；3滑板；4浮船；5重锤软泡沫塑料密封1固定板；2密封胶袋；3锯齿，4泡沫塑料；5罐壁；6防护板；7浮船浮顶的设计准则浮顶的设计应满足以下四个条件：（1）对于单盘式浮顶，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同时破裂时浮顶不沉没。（2）在整个罐顶面积上有250mm降雨量的水积存