立式储罐焊接结构设计

1、课程设计任务书设计题目10000n3立式储油罐结构设计技术参数：直径32400mm长度12150mm材质16MnR壁厚10mm,12mm,14mm设计任务：1 .写出该结构的几种设计方案2 .强度计算及尺寸选择3 .绘制结构设计图4 .撰写主要工艺过程5 .撰写设计说明书工作计划与进度安排：1 .查阅资料2天2 .设计计算并撰写设计说明书5天3 .上机绘图4天4 .答辩1天指导教师（签字）：专业负责人（签字）：学院院长（签字）：年月日年月日年月日1储罐及其发展概况油品和各种液体化学品的储存设备一储罐是石油化工装置和储运系统设施的重要组成部分。由于大型储罐的容积大、使用寿命长。热设计规范制造的费

2、用低，还节约材料。20世纪70年代以来，内浮顶储油罐和大型浮顶油罐发展较快。第一个发展油罐内部覆盖层的施法国。1955年美国也开始建造此种类型的储罐。1962年美国德士古公司就开始使用带盖浮顶罐，并在纽瓦克建有世界上最大直径为187ft(61.6mm)的带盖浮顶罐。至1972年美国已建造了600多个内浮顶罐。1978年国内3000m3铝浮盘投入使用，通过测试蒸发损耗标定，收到显著效果。近20年也相继出现各种形式和结构的内浮盘或覆盖物1。世界技术先进的国家，都备有较齐全的储罐计算机专用程序，对储罐作静态分析和动态分析，同时对储罐的重要理论问题，如大型储罐T形焊缝部位的疲劳分析，大型储罐基础的静态

3、和动态特性分析，抗震分析等，以试验分析为基础深入研究，通过试验取得大量数据，验证了理论的准确性，从而使研究具有使用价值。近几十年来，发展了各种形式的储罐，尤其是在石油化工生产中大量采用大型的薄壁压力容器。它易于制造，又便于在内部装设工艺附件，并便于工作介质在内部相互作用等。2设计方案2.1 选择设计方法2.1.1 正装法此种方法的特点是指把钢板从罐底部一直到顶部逐块安装起来，它在浮顶罐的施工安装中用得较多，即所谓充水正装法，它的安装顺序是在罐低及二层圈板安装后，开始在罐内安装浮顶，临时的支撑腿，为了加强排水，罐顶中心要比周边浮筒低，浮顶安装完以后，装上水除去支撑腿，浮顶即作为安装操作平台，每安

4、装一层后，将上升到上一层工作面，继续进行安装。2.1.2 倒装法先从罐顶开始从上往下安装，将罐顶和上层罐圈在地面上安装，焊好以后将第二圈板围在第一罐圈的外围，以第一罐圈为胎具，对中点焊成圆圈后，将第一罐圈及罐顶盖部分整体吊至第一、二罐圈相搭接的位置，停于点焊，然后在焊死环焊缝。用同样的方法把下面的部分依次点焊环焊，直到罐底板的角接焊死即成。2.1.3 卷装法将罐体先预制成整幅钢板，然后用胎具将其卷筒，在运至储罐基础上，将其卷筒竖起来，展成罐体装上顶盖封闭安装而建成。见几种：护坡式基础、环墙式基础、外环墙式基础、特殊构造的基础。根据比较选用，护坡式基础202.2 尺寸的选择，_3根据经济尺寸计算

5、，H=3D8廿V=H,V=10000m,H=12150mm,D=32400mm4体形系数为H=0.372,符合要求D2.3 材料的选择根据GB50341-2003式圆筒形钢制焊接油罐设计规范.来选取3 罐壁：钢板16MnR,尺寸为300020000mm,GB6654,在热轧正火下使用，公称板厚为616mm,温度200C时的许用板厚为34mm,许用应力为230MPa,仃b=510MPa,仃s=345MPa,s(2)钢管：16MnR,GB/T8163,在热轧下使用，公称板厚为16mm,温度-200C时的许用板厚为34mm,许用应力为163MPa,；入=490MPa,；%=320MPa3.3 锻件：

6、16Mn,JB4726,在正火或回火加正火下使用，公称板厚为E300mm,温度20°C时，许用应力为150MPa,ob=450MPa,os=275MPa4.4 螺母：20或25钢，GB/T6995.5 螺栓：35GrMoA,GB3077,温度200C,许用应力为167MPa,在热调质状态下使用，M24-M48,仃b=660MPa,仃s=500MPa(6)接管：10号钢，许用应力为108MPa垫片：石棉橡胶板JB/T4704-20003.1罐壁的强度计算3.1,1罐壁厚的计算3罐壁设计由于所给体积大于1000m3,所以按照不等壁厚计算，选择钢板宽度为3m。所以Hi=3m,H2=6m,H

7、3=8.13m.O.OO1po：g(H-0,300)D。1二7C1C22二t0,001p0：g(H2-0,300)D,J2=7C1C22二t1.1.12.2.2、.3J,001P0叫3一0,300)口C1C22二t(3.3)式中：P设计压力：0.076(Mp3;R一罐的内径：21680(mm；。一设计温度下材料的许用应力230(Mp3;中一焊缝系数：查表得0.9;C1一钢板的负偏差0.3(mm；C2一腐蚀裕度C2=1.0;0.001840007209.8(4.1-0,300)32.4,o_1二10.3:10mm22300.9、.2.。,00184000720“2-口300)132,410.31

8、2mm22300.9-30.001840007209.8(12.15-0.300)32.422300.910.3?14mm所以罐壁厚度从上到下一次为10mm12mm,14mm3.1.2罐壁的应力校核(3.4)pDi('2(、-c):式中：。一设计温度下材料的许用应力230(Mp3;0.08432400(10-1.3)12(10-1.3)0.9=173.8MPa<230MPat217MPaPtH(、-c)2(、-c三0.9；1(3.5)t0.08432400(12-1.3)1=149.6MPa：230MPa2(12.2-1.3)0.9t0.08432400(14-1.3)1=114

9、.6MPa<230MPa2(14.5-1.3)0.9故满足材料要求按照试验应力公式校核式中：为材料的屈服极限仃s=345MPa,PT=0.105MPa09%=0.9345MPa=310.5MPa0.10532400(10-1.3)t217MPa二T二二217.3MPa2(10-1.3)0.9二t=217.3MPa<0.9-s=310.5MPa有以上公式可知，当最小厚度满足要求时，其余的厚度也满足要求3.2储罐的风力稳定计算5 抗风圈浮顶储罐没有固定顶盖，为使储罐在风载作用下保持上口圆度，以维持储罐整体形状，故需在储罐上部整个圆周上设置一个抗风圈。而固定顶有固定顶盖则用设计抗风圈。5

10、 加强圈计算在风载荷作用下，罐壁筒体应进行稳定性校核，防止储罐被风吹瘪。判定储罐的侧压稳定条件为PcrM（3.6）式中一罐壁许用临界应力（Pa）；P0设计外压（Pa）；罐壁许用临界应力的计算由SH3046-92推荐的方法，得在外压作用下的临界压力公式(3.7)=2200Pa2.59E、=d1.5l式中PC一临界压力（Pa）;E圆筒材料的弹性模量：192X109（Pa）;仃一圆筒壁厚（m；d一圆筒直径（m；l一圆角长度（m；2.59192109(10I。)2'32.41.512.15罐壁设计外压计算罐壁设计外压用下式表示，即P0=2.25szw0+q（3.8）式中R一罐壁设计外压（Pa）

11、;七一风载荷体形系数；巴一风压高度变化系数；W0基本风压（Pa）;q一罐内负压（Pa）;对固定顶储罐，E=1则式为P0=2.25NZw0+q（3.9）P0=1405PaE风载荷体形系数匕=0.74;P0=2.251.00.74550490=1405Pa:二PCr由于PCr>P0,所以在罐壁上不需要设置加强圈。故满足要求。3.3.3液面晃动波高计算罐内液面晃动波高hV="2sR；，2=1.85-0.08TW;式中§一浮顶影响系数，取0.85;J一阻尼修正系数，当Tw大于10s时，取，2=1.05；3.68父12.15、厂c.可|=5.58s<10s故取32.4口一

12、地震影响系数，取0.23;TW=2nJDcth(3.68HW)=2父3.14，32.4cth3.68gD3.689.8,2=1.85-0.08Tw=1.85-0.08X5.58=1.4;hV=11.40.2316.2=5.22m3.3罐壁结构3 截面与连接形式罐壁的纵截面由若干个壁板组成，其形状为从下至上逐级减薄的阶梯形，一般上壁板的厚度不超过下壁板的厚度，各壁板的厚度由计算可得，按标准规范，16MnR勺最小厚度为6mm为由于该罐壁是不等壁厚度的且较厚，因此各板之间采用对接，这样可以减轻自重。罐壁的下部通过内外角焊缝与罐底的边缘板相连，上部有一圈包边角钢，这样既可以增加焊缝的强度，还可以增加罐

13、壁的刚性。在液压作用下，罐壁中的纵向应力是占控制地位的。即罐壁的流度实际上是罐壁的纵焊缝所决定的。因而壁板的纵向焊接接头应采用全焊透的对接型。为减少焊接影响和变形，相邻两壁板的纵向焊接接头宜向同一方向逐圈错开1/3板长，焊缝最小间距不小于1000mm底圈壁板的纵向焊接接头与罐底边缘板对接焊缝接头之间的距离不得小于300mm罐壁的环向焊接接头形式较多，主要为对接。底层壁板与罐底边缘板之间的连接应采用两侧连续角焊。在地震设防烈度不大于7度的地区建罐，底层壁板与边缘壁板之间的连接应采用如图的焊接形式，且角焊接头应圆滑过渡，而在地震小于7度的地区可取&=K3。图3.4底层壁板与边缘板的焊接3.

14、3.2壁板宽度壁板宽度越小，材料就越省。但环向接头数就越多，增加安装工作量。我国一般取壁板宽度不小于1600mm。根据GB709-2006选才?B类，板宽3000mm,长度20m4罐底设计4.1罐底的应力计算中幅板的薄膜力N=2M。匚叫2(4.1)Rto罐壁与边缘板之间的约束弯矩11()3。1240tMo27Lo(1-0-1)4,。.二1(i)1Rto1,二i(1-)40tRto(4.2)式中t一边缘板厚（mm）；A一罐壁第一圈壁板特征系数,3(1-2)412N一泊松比，0.3;R一储罐半径，16.20m；巴一储罐第一圈厚度，14mm；to一中幅板的平均厚度，6mm；Lo一底板上的液压高度，1

15、2.15m；P一作用在罐底上的储液压力，P=%Lo;3P一储放密度，72oKg/m;L一边缘板受弯宽度，3o.oom;,一r、Et3D一边缘板弯曲刚度D=-;12（1-；2）B一罐壁边缘板特征系数，P=43(1尸),R0.0140.73.19t2P=720x9.8x12.15=8.57x104Pa;D=1921099310/212(1-0.32)=1.751045；-=433(1-0.32)R223.19;P116.22X0.0122_43(1一0.32),16.220.12=3.19;一2一23.1912.15-1110.014343()8.5710302400.010.343.1923.1

16、9(0.0140.7)M。3.1923.190.0140.716.20.00617300.014340(0.0116.20.006=9.73106N/m=4.31107N一一一5=1.3610Pa29.731064.1820.312.15边缘板上表面的径向应力分布为N6匕x(J=xtt2(4.3)边缘板上表面的环向应力分布为CJ=yt6日Mxt2(4.4)如图4.3所示的力的平衡关系0式中心-边缘板受弯区域内任一点的弯矩图4.3力的平衡关系图再分别求出0ExwL及L<x<1的弯矩M22223M0px-(p1)x-M01(0<x)2512l03l)x117(p-1252M。F2

17、1P)xP1x-5(40021才)1(二；xz1)2当x=0时x=o=9.73106N/m=32.432.48.57104201caa7632.429.73106-9.73106=1.99107N/m40当x=1时巴=0所以当x=L时，Nx有最大值且Nx=1.99M107N/m24.3110784.3110761.9910782=3.5MPa:二2；，=690MPa60.31.9910782=4.8MPa:二”s690MPa512故均为安全5罐顶设计拱顶结构及主要的几何尺寸拱顶罐是目前立式圆柱形储罐中使用最广泛的一种罐顶形式，拱形的主体是球体，它本身是重要的结构，储罐没有衍架和立柱，结构简单，

18、刚性好，承压能力强。球面由中小盖板瓜皮板组成，瓜皮板一般做成偶数，对称安排，板与板之间相互搭接，搭接宽度不小于5倍板厚，且不小于25m似际搭接宽度多采用40mm霍顶的外侧采用连接焊，内侧间断焊，中心盖板搭在瓜皮板上，搭接宽度一般取50mm顶板的厚度为46mm用包边角钢连接的拱顶只有一个曲率，所以又称球顶。这种结构形式在拱顶与罐壁的连接处，(即拱脚)边缘应力较大，为防止油罐破坏装油高度不宜超过拱脚，即拱顶部分不能装油，但球顶罐制作方便，因而得到较广泛的应用。(1)拱顶的球面半径一般取Rn=0.81.2D式中D-储罐直径，32.4m；取Rn=1.0D=32400mm按表5-2,顶板厚度为5mm带肋

19、(2)中°、中、D2、a、b、根据图可知，有.D21.6816sin0=0=302Rn221.682=里2Rn式中D2-中小孔直径，查表得。=1000mm中0=0.6a-取25mmb-取30mm2100sin0=3=0.011232400扇形顶板尺寸扇形顶板块数n最好为偶数，选择n=20,扇形顶板小头的弧长CD得小于180mm则瓜边板的展开式状。Ri=Rtg<P0=32400tg30=18706mmR2=Rtg=32400tg0.6=3393mm二Di二(32400-40)AB=40=-40=10165mmn102-：RAD=(-0一丁)3602二32400360(30-1.3

20、)=16639mm21003.14-D23CD=-240=340=259.8mmn10.二Rn,3.1432400cL1=0-a=301.3.l25=16614mm180180,cc.(21十门父40180'c(32400-40)+40101801.L2=2R|Sin父=2父18706sin|*=10080.1mm21003.14x+10x403x2父10父33931180=259.86mm3.14I2nR1兀；12x10x18706nJ,小.IhD2+n40180cL3=2R2sinm=2.3-3393父sinI2nR2nJ包边角钢(1)包边角钢与罐顶板之间采用连接较弱，仅需在外侧采

21、用单面连续焊，以保证储罐的密封，焊脚高度不宜大于顶板厚度的3/4,且不大于4mm(2)根据SH304觎定储罐所应采用最小包边角钢见表5.1。表5.1包边角钢最小尺寸储罐内径D1m包边角钢最小尺寸，mm20<D<60/90%90M06贮罐附件及其选用6.1人孔人孔主要在检修和消除液渣时，以及容器内部附件的安装和拆卸进出贮罐用，安装于罐壁第一圈板上，其中心距离罐底约750mm,Di3000时，人孔直径不小于500mm,取600nlm。由于不需补强的最大孔径要满足下述全部要求：设计压力小于或等于2.5Mpa；两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的两倍；接管公称外径小于或等于89mm0

22、(4)接管最小壁厚满足下表的要求。表6.1接管公称直径(mm)公称253238454857657689直径最小3.54.05.06.0壁厚钢材的标准抗拉强度下限值540MPa,接管与壳体宜采用全焊透的结构型式。接管的腐蚀裕量为1mm。由于600>89,故需要开孔补强。补强设计：对筒体上接管为小600X8的开孔进行补强补强设计方法：单孔补强开孔处壳体材料类型：板材壳体材料：16Mn壳体材料在设计温度下的许用应力：230Mpa内径：28000mm接管腐蚀裕量：1mm接管厚度负偏差：0.3mm接管材料：16Mn接管材料在设计温度下的许用应力：230Mpa接管材料在常温下的许用应力：230Mpa

23、接管焊接接头系数：1补强结构：无补强结构接管和壳体连接结构形式：镶嵌式接管计算方法：GB150-1998等面积补强法，单孔开孔直径d=d0+2Ct=602.6mmDi2324002=16200mm补强区有效宽度B=2d=2X602.6=1205.2mm接管材料强度削弱系数fr:1.0接效外伸长度h1=minJ廊=#602.6父12.6，接管实际外伸高度=87.1mm管效内伸长度h2=minJ麻="”602.6父12.6，接管实际内伸高度=0mm根据外压圆筒稳定性计算方法，计算得到圆筒和接管的计算厚度，接管的有效厚分别为d=602.6mm和p="TD=11mm,6et=3吊-

24、Ct=12.61.3=11.3mm2二-Pc开孔削弱所需的补强面积A=0.5d+2e(1-fr)=3314mm2壳体多余金属面积A1=(B-d)(e-)-2et(e-)(1-fr)=964mm2接管多余金属面积A2=2h1(、et-、)-2h2(et-C2)fr=278mm2补强区内的焊接面积A3:6x6=36mm2(焊角取6mm)Ae=A1+A2+A3=1278me需要另加补强面积A4=A-Ae=2036mm2采用补强圈补强，选用标准补强圈(JB/T4736-2002)，外径980mm则补强圈计算厚度为2036/(980-600)=5.35mm取整为6mm6.2通气孔用于贮存不易挥发介质的固

25、定顶储罐上在储罐顶部靠近罐顶中心处安装，起呼吸作用。表6.3通气孔规格尺寸(mm)规格dDD1d1EHnDN200215280315185503248通气孔的补强计算：对筒体上接管为小200X酌开孔进行补强补强设计方法：单孔补强开孔处壳体材料类型：板材壳体材料：16Mn壳体材料在设计温度下的许用应力：230(MPa)内径：28000(mm)接管腐蚀裕量：1(mm)接管厚度负偏差：0.3(mm)接管材料：16Mn接管材料在设计温度下的许用应力：230(MPa)接管材料在常温下的许用应力：230(MPa)接管焊接接头系数：1接管和壳体连接结构形式：镶嵌式接管计算方法GB150-1998等面积补强法

26、，单孔开孔直径d=d0+2Ct=202.6(mm)28000=14000(mm)补强区有效宽度B=2d=2X202.6=405.2(mm)接管材料强度削弱系数fr:1接效外伸长度h1=minJ亚=4;202.6父12,接管实际外伸高度=49.3(mm)管效内伸长度h2=min'西=J202.6父12，接管实际内伸高度=0(mm)根据外压圆筒稳定性计算方法，计算得到圆筒和接管的计算厚度，接管为d=202.6mm和p=-Pcf1Di-=10(mm),6et=$讨-Ct=12-1.3=10.7(mm)2二-Pc开孔削弱所需的补强面积A=0.5d二+2：e(1-fr)=1114(mm2)壳体多

27、余金属面积A1=(B-d)(、e-、)-2、et(、e-、)(1-fr)=202(mm2)接管多余金属面积A2=2h1(、et-、)-2h2(et-C2)fr=69(mm2)补强区内的焊接面积A3:6x6=36(mm2)(焊角取6(mm)2Ae=A1+A2+A3=307(mm)需要另加补强面积A4=A-Ae=807(mm2)采用补强圈补强，选用标准补强圈(JB/T4736-2002),外径400(mm),则补强圈计算厚度为807/(400-200)=4(mm)6.3贮罐进出液口进液口开在罐顶，据罐壁750(mm),孔径取为300(mm),罐侧壁中心线距底350(mm),出液口开在罐壁第一圈的位

28、置，距罐底350(mm),孔径取为300(mm)补强计算：对筒体上接管为小300X消勺开孔进行补强补强设计方法：单孔补强开孔处壳体材料类型：板材壳体材料：16Mn壳体材料在设计温度下的许用应力：230(MPa)内径：28000(mm)接管腐蚀裕量：1(mm)接管厚度负偏差：0.3(mm)接管材料：16Mn接管材料在设计温度下的许用应力：230(MPa)接管材料在常温下的许用应力：230(MPa)接管焊接接头系数：1接管和壳体连接结构形式：镶嵌式接管计算方法:GB150-1998等面积补强法，单孔开孔直径d=d0+2Ct=302.6(mm)Di28000d_=14000(mm)22补强区有效宽度

29、B=2d=2X302.6=605.2(mm)接管材料强度削弱系数fr:1接效外伸长度h1=min、：函；=J302.6父12,接管实际外伸高度=60(mm)管效内伸长度h2=min、函=)302.6父12,接管实际内伸高度=0(mm)根据外压圆筒稳定性计算方法，计算得到圆筒和接管的计算厚度，接管的有效厚分别为d=302.6mm和6=pcK1Di=10(mm),6et=6吊Ct=12-1.3=10.7(mm)2二-Pc开孔削弱所需的补强面积A=0.5d二+2：e(1-fr)=1513(mm2)壳体多余金属面积A1=(B-d)(、e-、.)-2、.et(、.e-、.)(1-fr)=302(mm2)

30、接管多余金属面积A2=2h1(、et-、)-2h2(、et-C2)fr=84(mm2)补强区内的焊接面积A3:6x6=36(mm2)(焊角取6(mm)Ae=A1+A2+A3=422(mm2)需要另加补强面积A4=A-Ae=1091(mm2)采用补强圈补强，选用标准补强圈(JB/T4736-2002)，外径400(mm),则补强圈计算厚度为1091/(400-300)=10.91(mm)取整为11(mm)法兰和垫片6.3接管和法兰尺寸(mm)直径径法兰外径中心圆孔直数量nTh厚度NSHR高度兰DN焊端外D直径K径L(个)CH质径量出液口300329B4454002212M20263427.116

31、127818进液口300329B4454002212M20263427.116127818人孔600530B6707703620M33546902330129056液位计3238B140100184M1218402.364402口安全阀80108B220180188M16201313.6128524.5口注：1:包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T3880,代号为L3。2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。3：垫片厚度均为3(mm)O查HG/T20609-2009钢制管法兰用金属包覆垫片，得：6.4垫片尺寸表(mm)管口名称公称直径内径D1外径D2出液口300352400进液口300352400

32、人孔600862980液位计口3261.582安全阀口80109.5142液面计6.5液面计类型和适用范围类型适用范围选用标准玻璃管式液面计PNW1.6MPa,介质流动性较好，t=02000cHG/T21592-19956.6盘梯由于容器高度较高，需设盘梯。7焊接结构设计7.1焊缝的布置焊缝布置原则：1焊缝位置应尽量对称，尽量分散2焊缝应尽量避开应力集中和最大应力位置3焊缝应避开机械加工面4焊缝要能够焊接、便于焊接、并能保证质量5焊缝的布置还应照顾到其他工序的方便与安全罐壁焊缝的布置：每块钢板的规格为3000X50000mm,罐的直径为21.68m,高度为8.13m,罐的周长为68m,所以可根据板长条件设计纵焊缝的数量，2条环焊缝，为减少焊接影响和变形，相邻两壁板的纵向焊缝宜向同一方向逐圈错开1/3板长，焊缝最小间距不小于1000mm。罐底的焊缝布置：罐底的中幅板大部分是用整块钢板拼接而成。四周