油罐及管道强度设计

1、油罐及管道强度设计油罐及管道强度设计Strength Design Of Oil Tanks and Pipes 目录目录 Contents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第三章第三章 立式圆柱形油罐的尺寸选择和罐壁强度设计立式圆柱形油罐的尺寸选择和罐壁强度设计第四章第四章 立式圆柱形油罐罐顶（固定顶）设计立式圆柱形油罐罐顶（固定顶）设计 第五章第五章 浮顶的设计浮顶的设计第六章第六章 立式钢油罐的抗风设计立式钢油罐的抗风设计第七章第七章 立式油罐罐底和油罐基础设计立式油罐罐底和油罐基础设计第八章第

2、八章 立式钢油罐的抗震设计立式钢油罐的抗震设计第十章第十章 地上管道地上管道第十一章第十一章 地下管道地下管道1、油库、油库 定义：定义：油库即收发和储存油品的独立的或油库即收发和储存油品的独立的或企业附属的仓库或设施。企业附属的仓库或设施。组成组成：收发油系统和储存单元。收发油系统和储存单元。油库油库收发油系统的收发油系统的主要设备主要设备泵、阀门和管线泵、阀门和管线各类仪表各类仪表储存单元储存单元各种油罐各种油罐2、本课程的研究对象、本课程的研究对象金属油罐的优点：金属油罐的优点：安全可靠，经久耐用；安全可靠，经久耐用；不渗漏；不渗漏； 结构简单，施工方便、速度快，可以拆结构简单，施工方便

3、、速度快，可以拆迁再使用；迁再使用；造价低，占地面积少，适用范围广。造价低，占地面积少，适用范围广。一、教学内容一、教学内容第一章第一章 钢油罐设计的基本知识钢油罐设计的基本知识1-1 钢油罐的发展趋势及面临的新课题钢油罐的发展趋势及面临的新课题1-2 钢油罐的种类、结构特点和适用范围钢油罐的种类、结构特点和适用范围1-3 钢油罐的基本要求钢油罐的基本要求1-4 钢油罐材料的选择钢油罐材料的选择二、教学目标二、教学目标 1、了解金属油罐的发展趋势及需要面临的、了解金属油罐的发展趋势及需要面临的若干新课题；若干新课题； 2、熟悉钢油罐的各种类型划分、各类型的、熟悉钢油罐的各种类型划分、各类型的结

4、构特点及其适用范围；结构特点及其适用范围； 3、理解对钢油罐的五个基本要求；、理解对钢油罐的五个基本要求； 4、熟悉各个国家对油罐钢材的不同要求。、熟悉各个国家对油罐钢材的不同要求。 第一章第一章 钢油罐设计的钢油罐设计的基本知识基本知识1-1 钢油罐的发展趋势及面临的新课题钢油罐的发展趋势及面临的新课题钢油罐发展的总趋势是：钢油罐发展的总趋势是：大型化大型化操作管理自动化操作管理自动化、油罐大型化的优点、油罐大型化的优点u节省钢材节省钢材、油罐大型化的优点、油罐大型化的优点u减少投资减少投资我国鲇鱼湾油库提供我国鲇鱼湾油库提供日本提供日本提供、油罐大型化的优点、油罐大型化的优点u占地面积少；

5、占地面积少；u节省管线及配件；节省管线及配件；u便于操作管理。便于操作管理。、油罐大型化带来的新课题、油罐大型化带来的新课题 钢材的强度越高，断裂韧性越低，即越钢材的强度越高，断裂韧性越低，即越容易产生断裂。容易产生断裂。 钢板越厚，钢板越厚，在焊缝或热影在焊缝或热影响区附近越易响区附近越易于产生裂纹，于产生裂纹，从而增加了断从而增加了断裂的危险性。裂的危险性。、油罐大型化带来的新课题、油罐大型化带来的新课题 钢板强度等级越高，其可焊性越低，这钢板强度等级越高，其可焊性越低，这要求设计者选材时注意其可焊性，同时采要求设计者选材时注意其可焊性，同时采取合适的焊接工艺。取合适的焊接工艺。 随着油罐

6、的大型化，壁厚随着油罐的大型化，壁厚t与直径与直径D之比之比t/D降低，油罐钢性降低，导致油罐抵抗降低，油罐钢性降低，导致油罐抵抗风荷的能力下降。风荷的能力下降。 可焊性：接头焊接的可能性（针对施工而可焊性：接头焊接的可能性（针对施工而言）和使用时的可靠性（针对使用而言）。言）和使用时的可靠性（针对使用而言）。、油罐大型化带来的新课题、油罐大型化带来的新课题 随着油罐的大型化，地震破坏造成的损随着油罐的大型化，地震破坏造成的损失也随之增加。失也随之增加。 大型油罐基础的设计、如何恰当地提出大型油罐基础的设计、如何恰当地提出对于沉陷的要求，以及采用何种结构以增对于沉陷的要求，以及采用何种结构以增

7、加油罐抵抗不均匀沉陷的能力等。加油罐抵抗不均匀沉陷的能力等。操作管理自动化的优点：操作管理自动化的优点：省力；省力；计量程度高，便于监测和控制。计量程度高，便于监测和控制。 油品在收发时都要计量，而影响计量油品在收发时都要计量，而影响计量精度的主要有以下三个方面的误差：即精度的主要有以下三个方面的误差：即系系统误差统误差、偶然误差和过失性误差。目前我、偶然误差和过失性误差。目前我国的计量精度为国的计量精度为5。系统误差系统误差 具有一定规律性的误差，可以消除和具有一定规律性的误差，可以消除和计算出。其原因主要有：仪器不良；周围计算出。其原因主要有：仪器不良；周围环境如环境如T、湿度、湿度、P、

8、磁场、电场等的改变，、磁场、电场等的改变，测量的方法和理论上的错误；操作人员的测量的方法和理论上的错误；操作人员的习惯与偏向等引起的误差。习惯与偏向等引起的误差。偶然误差偶然误差 产生原因无规律性，但与测量的次数产生原因无规律性，但与测量的次数有关。当其测量次数足够多时，偶然误差有关。当其测量次数足够多时，偶然误差完全服从统计规律。完全服从统计规律。过失性误差过失性误差 主要由操作人员的过失产生。如业务主要由操作人员的过失产生。如业务技术不熟、操作不正确或工作作风马虎或技术不熟、操作不正确或工作作风马虎或过度疲劳、神智不清、或读错示值。过度疲劳、神智不清、或读错示值。1-2 钢油罐的种类、结构

9、特点和适用范围钢油罐的种类、结构特点和适用范围一、种类一、种类按几何形按几何形状分状分卧式圆柱形油罐卧式圆柱形油罐立式圆柱形油罐立式圆柱形油罐双曲率油罐双曲率油罐拱顶拱顶浮顶浮顶内浮顶内浮顶锥顶锥顶悬链式悬链式自支承式自支承式桁架式桁架式梁式梁式二、结构特点和适用范围二、结构特点和适用范围l卧式圆柱形油罐卧式圆柱形油罐人孔人孔筒体板圈筒体板圈三角支撑三角支撑碟形封头碟形封头（1）结构特点）结构特点 V100m3的卧式油罐一般在工厂内造好的卧式油罐一般在工厂内造好运到现场即可使用；而运到现场即可使用；而V 100m3的油罐的油罐都在现场组装和验收。都在现场组装和验收。 罐体一般由钢板搭接而成，罐

10、圈交互式排罐体一般由钢板搭接而成，罐圈交互式排列，并取单数，使两个封头直径相同。列，并取单数，使两个封头直径相同。卧式圆柱形油罐卧式圆柱形油罐（2）优点：）优点：承压能力高；承压能力高； V100m3的可在工厂批量生产；的可在工厂批量生产；搬迁安装方便。搬迁安装方便。卧式圆柱形油罐卧式圆柱形油罐卧式圆柱形油罐卧式圆柱形油罐 （3）缺点：）缺点： 耗钢量大，一般为耗钢量大，一般为4050kg/m3。 罐容小，占地面积大。罐容小，占地面积大。 （4）适用范围：）适用范围： 一般用于高架罐、放空罐、计量罐或用于一般用于高架罐、放空罐、计量罐或用于储存品种多、数量少的油品，也用于贮存储存品种多、数量少

11、的油品，也用于贮存液化石油气。液化石油气。 二、结构特点和适用范围二、结构特点和适用范围l立式圆柱形油罐立式圆柱形油罐组成：组成：平底、圆柱形罐壁和罐顶。平底由平底、圆柱形罐壁和罐顶。平底由钢板搭接而成；罐壁由薄钢板对接或搭接钢板搭接而成；罐壁由薄钢板对接或搭接而成；罐顶由薄钢板搭接而成。而成；罐顶由薄钢板搭接而成。特点：特点：结构简单、容量范围大，应用范围结构简单、容量范围大，应用范围广，但承压能力低。广，但承压能力低。拱顶油罐拱顶油罐 Dome Roof Tanks拱顶油罐拱顶油罐结构特点：结构特点：顶由顶由46mm的薄钢板和加强筋的薄钢板和加强筋（通常用扁钢）组成，形如球面，拱顶载（通常

12、用扁钢）组成，形如球面，拱顶载荷靠拱顶板周边支承于罐壁包边角钢上，荷靠拱顶板周边支承于罐壁包边角钢上，球面由中心盖板和瓜皮搭接而成。球面由中心盖板和瓜皮搭接而成。优点：优点：结构简单，备料和施工方便，造价低。结构简单，备料和施工方便，造价低。拱顶油罐拱顶油罐 缺点：缺点： a）蒸发损耗较大；）蒸发损耗较大； b）罐容有一定的限制。）罐容有一定的限制。适用范围：适用范围：广泛用作容积在广泛用作容积在10000 m3以下以下的成品油储罐，目前国内最大的已达的成品油储罐，目前国内最大的已达5万方。万方。抗风圈抗风圈伸缩吊架伸缩吊架人孔人孔浮船支柱浮船支柱罐顶平台罐顶平台量油管量油管浮梯浮梯轨道轨道底

13、板底板浮船浮船单盘单盘罐壁罐壁盘梯盘梯密封板密封板集液管集液管折叠排水管折叠排水管浮顶油罐浮顶油罐Floating-Roof Tanks 浮顶油罐浮顶油罐结构特点：结构特点：由薄钢板组成的圆盘（单盘或双由薄钢板组成的圆盘（单盘或双盘）可随油面的升降而上下自由移动。盘）可随油面的升降而上下自由移动。优点：优点：a）油品呼吸损耗小；）油品呼吸损耗小；b）浮顶受力状况良好，结构设计容易；）浮顶受力状况良好，结构设计容易； c）环境污染小，火灾危害性小。）环境污染小，火灾危害性小。浮顶油罐浮顶油罐缺点：缺点：对于单盘式浮顶罐，顶在浮力的稳定对于单盘式浮顶罐，顶在浮力的稳定性方面欠佳，且顶易被雨水腐蚀而

14、积水难于性方面欠佳，且顶易被雨水腐蚀而积水难于排除。而双盘式价格较贵。排除。而双盘式价格较贵。适用范围：适用范围：单盘式浮顶罐多用于单盘式浮顶罐多用于5000 m3以以上的原油或汽油油罐；双盘式多用于上的原油或汽油油罐；双盘式多用于5000m3以下的轻质油油罐。以下的轻质油油罐。 国外已建成国外已建成24万万m3的浮顶罐，我国已的浮顶罐，我国已建成建成10万万m3的。的。内浮顶油罐内浮顶油罐Enclosed Floating-Roof Tanks 罐顶罐顶罐顶通气孔罐顶通气孔罐顶支柱罐顶支柱自动通气孔自动通气孔单盘人孔单盘人孔罐壁通气孔罐壁通气孔内浮顶内浮顶密封装置密封装置导向板导向板浮顶支柱

15、浮顶支柱内浮顶油罐内浮顶油罐结构特点：结构特点：兼有拱顶罐和浮顶罐的结构特点。兼有拱顶罐和浮顶罐的结构特点。优点：优点：a）蒸发损失大大减少；）蒸发损失大大减少；b）空气污染很小，油品质量易保证；）空气污染很小，油品质量易保证； c）罐顶和罐壁腐蚀小，罐寿命长；）罐顶和罐壁腐蚀小，罐寿命长；d）附件减少；）附件减少；e）现存的拱顶罐易改造为内浮顶罐，投资）现存的拱顶罐易改造为内浮顶罐，投资少，见效快。少，见效快。内浮顶油罐内浮顶油罐缺点：缺点：a）与拱顶罐相比，造价高，施工技术要求高；）与拱顶罐相比，造价高，施工技术要求高；b）与浮顶罐相比，密封结构检查维修不便；）与浮顶罐相比，密封结构检查维

16、修不便；适用范围：适用范围：V1万万m3的内浮顶罐多用来储存的内浮顶罐多用来储存轻质油品，目前正在推广。轻质油品，目前正在推广。c）不易大型化（因为拱顶受到限制）。）不易大型化（因为拱顶受到限制）。锥顶油罐锥顶油罐Cone Roof Tanks 中心立柱中心立柱外立柱外立柱内立柱内立柱罐壁罐壁内外檩内外檩lin椽椽chuan顶板顶板底板底板锥顶油罐锥顶油罐结构特点：结构特点：a）自支承式：顶为圆锥形，载荷由罐顶自）自支承式：顶为圆锥形，载荷由罐顶自承，并且传递到罐壁。承，并且传递到罐壁。b）桁架式：载荷由桁架承担并传递到罐壁，）桁架式：载荷由桁架承担并传递到罐壁，为了防止因横向载荷所产生的旋转

17、，需要为了防止因横向载荷所产生的旋转，需要采用装入斜支承等措施。采用装入斜支承等措施。锥顶油罐锥顶油罐结构特点：结构特点：c）梁柱式：罐顶载荷由梁柱承担并传递到）梁柱式：罐顶载荷由梁柱承担并传递到罐壁。梁柱按梁的弯曲理论设计。罐顶坡罐壁。梁柱按梁的弯曲理论设计。罐顶坡度一般为度一般为1/16。在易地震的罐区，为了防止。在易地震的罐区，为了防止顶板支承构件旋转，需要采用拉杆将外围顶板支承构件旋转，需要采用拉杆将外围支柱相互连接等措施。支柱相互连接等措施。锥顶油罐锥顶油罐优点：优点：不受雨水尘土的影响，易保证油品不受雨水尘土的影响，易保证油品质量。质量。缺点：缺点：结构复杂，施工难，造价高，而且梁

18、结构复杂，施工难，造价高，而且梁柱式对地基要求较高。柱式对地基要求较高。锥顶油罐锥顶油罐适用范围：适用范围：b）桁架式：）桁架式： V1000m3，内径多为，内径多为35m左左右；右；c）梁柱式：）梁柱式： 地基好的地方可选地基好的地方可选67万万m3的，的，一般为一般为4万万m3的。不适用于有不均匀沉降的。不适用于有不均匀沉降的地基上或地震载荷较大的地区。的地基上或地震载荷较大的地区。a）自支承式：）自支承式： V 100m3；悬链式油罐悬链式油罐Suspending Roof Tanks 悬链式罐顶悬链式罐顶（由薄钢板组成，（由薄钢板组成，只有拉力而无弯曲应力，故只有拉力而无弯曲应力，故称

19、无力矩罐）称无力矩罐）中心柱中心柱悬链最低点易积水、悬链最低点易积水、生锈生锈二、结构特点和适用范围二、结构特点和适用范围l双曲率油罐双曲率油罐 双曲率油罐可分为双曲率油罐可分为滴状油罐滴状油罐和和球形油球形油罐罐。滴状油罐可承受。滴状油罐可承受0.41.2kgf/cm2的剩余的剩余压力，可消除小呼吸损耗，适用于储存挥压力，可消除小呼吸损耗，适用于储存挥发性大的油品，但这种油罐结构复杂，施发性大的油品，但这种油罐结构复杂，施工困难，建设费用高，故一般不采用。球工困难，建设费用高，故一般不采用。球罐用于储存液化气，其设计一般划在受压罐用于储存液化气，其设计一般划在受压容器范围内。容器范围内。滴状

20、油罐滴状油罐球形油罐球形油罐球罐的分类球罐的分类a）按球罐的）按球罐的用途分用途分在高、中压，常温下使用的球罐，如在高、中压，常温下使用的球罐，如贮存液化石油气、天然气等，贮存液化石油气、天然气等，P=13MPa，T=常温常温在中、低压，低温下使用的球罐，如在中、低压，低温下使用的球罐，如贮存液氨、乙烯、丙烯等，贮存液氨、乙烯、丙烯等，P=0.42MPa，T=-20-100在低压，深冷下使用的球罐，如贮存在低压，深冷下使用的球罐，如贮存-100以下的液化气，以下的液化气，P极低，极低，T -100，为保冷多采用双重球罐。，为保冷多采用双重球罐。球罐的分类球罐的分类b）按外观形状分）按外观形状分

21、圆球形圆球形椭球形椭球形c）从球壳板组合）从球壳板组合情况分情况分足球瓣形足球瓣形瓜瓣形瓜瓣形混合形混合形球罐的优点球罐的优点a）与同容积的圆柱形罐相比，球罐的表面）与同容积的圆柱形罐相比，球罐的表面积小，故球罐板面积小。积小，故球罐板面积小。b）球罐受力均匀。在相同直径和工作压力）球罐受力均匀。在相同直径和工作压力下，其薄壁应力仅为圆柱形罐的法向应力下，其薄壁应力仅为圆柱形罐的法向应力的的1/2，故球罐板厚仅约需后者的，故球罐板厚仅约需后者的1/2，使得，使得球罐用料省，造价低。球罐用料省，造价低。球罐的优点球罐的优点c）对风载荷而言，球罐比圆柱形罐更安）对风载荷而言，球罐比圆柱形罐更安全，

22、因为顶风面积小。全，因为顶风面积小。d）球罐基础简单，工程量小，且建造费）球罐基础简单，工程量小，且建造费用低。用低。e）由于球罐容积）由于球罐容积V大，在大，在V总总一定时，球一定时，球罐质量大大减少，给管理带来方便。罐质量大大减少，给管理带来方便。球罐的缺点球罐的缺点a）受国家原材料供应（包括板材厚度、）受国家原材料供应（包括板材厚度、规格尺寸及性能等）的限制程度严格。规格尺寸及性能等）的限制程度严格。b）与圆柱形罐相比，球罐的制造、安装）与圆柱形罐相比，球罐的制造、安装均较困难。均较困难。c）球罐几乎全是现场组装和焊接，条件差，）球罐几乎全是现场组装和焊接，条件差，技术要求高。技术要求高

23、。球罐的缺点球罐的缺点d）由于国内钢材品种少，规格尺寸偏小，）由于国内钢材品种少，规格尺寸偏小，球罐板幅小，焊缝较多，从而增加了工球罐板幅小，焊缝较多，从而增加了工作量。作量。e）现行规范多而且不统一，检验工作量）现行规范多而且不统一，检验工作量大，要求严格。大，要求严格。使用范围使用范围球罐大多用于储存液化石油气（球罐大多用于储存液化石油气（LPG）、）、液化天然气（液化天然气（LNG）、液态烃、乙烯、）、液态烃、乙烯、丙烯以及丙烯以及O2、N2、H2等易燃易爆和有毒等易燃易爆和有毒的液体、气体介质。的液体、气体介质。1-3 钢油罐的基本要求钢油罐的基本要求思路：思路：Vt理论上：可解决强度

24、问题理论上：可解决强度问题实际上：施工是否可行？板实际上：施工是否可行？板厚了，焊接和热处理都比较厚了，焊接和热处理都比较难。难。1-3 钢油罐的基本要求钢油罐的基本要求 1、具有足够的强度：不产生塑性变形（卸、具有足够的强度：不产生塑性变形（卸载后）。载后）。 2、具有足够的韧性：在水压试验或操作状、具有足够的韧性：在水压试验或操作状态下，油罐不产生断裂破坏。态下，油罐不产生断裂破坏。 衡量韧性的指标是：冲韧值（一般采用衡量韧性的指标是：冲韧值（一般采用“V”型试件测定），即试件型试件测定），即试件“V”型缺口储存的型缺口储存的能量，焦耳（能量，焦耳（J）。）。1-3 钢油罐的基本要求钢油罐

25、的基本要求 3、具有良好的刚性：整体稳定，有良好的、具有良好的刚性：整体稳定，有良好的抗风能力。抗风能力。 4、具有一定的抗地震能力：在罐区最大地、具有一定的抗地震能力：在罐区最大地震烈度下不产生破坏。震烈度下不产生破坏。 5、罐基础均匀稳固：罐基础的不均匀沉陷、罐基础均匀稳固：罐基础的不均匀沉陷要在允许范围内，否则，贮罐产生的应力要在允许范围内，否则，贮罐产生的应力将远远超过水压试验时的应力。将远远超过水压试验时的应力。1-4 钢油罐材料的选择钢油罐材料的选择 1、对于罐壁用钢材有三项主要要求：、对于罐壁用钢材有三项主要要求：（1）强度要求强度要求；（2）可焊性要求；）可焊性要求；（3）冲击

26、韧性要求。）冲击韧性要求。（1）强度要求）强度要求 近年来，对于作为罐壁用的钢材（不包近年来，对于作为罐壁用的钢材（不包括由刚性决定的部分），选用的强度值越来括由刚性决定的部分），选用的强度值越来越高。这一状况主要由两种因素造成，一是越高。这一状况主要由两种因素造成，一是采用高强度钢比较经济。另一因素是各国规采用高强度钢比较经济。另一因素是各国规范均对罐壁的允许最大厚度做了限制。因此，范均对罐壁的允许最大厚度做了限制。因此，为建设更大的油罐，必须在保证可焊性和冲为建设更大的油罐，必须在保证可焊性和冲击韧性的前提下，提高钢板的强度。击韧性的前提下，提高钢板的强度。（2）可焊性要求）可焊性要求对钢

27、板的可焊性一般用两种指标控制：对钢板的可焊性一般用两种指标控制： 一是碳的当量含量一是碳的当量含量；二是热影响区的硬度。二是热影响区的硬度。可焊性：是指钢在一定的焊接材料、工艺可焊性：是指钢在一定的焊接材料、工艺和结构条件下，经焊接后能获得一定焊接和结构条件下，经焊接后能获得一定焊接接头性能的能力。接头性能的能力。碳的当量含量碳的当量含量 英国油罐规范英国油罐规范BS2654对碳当量含量的要求比较严对碳当量含量的要求比较严格，该规范规定碳当量含量按下式计算：格，该规范规定碳当量含量按下式计算：1556CuNiVMoCrMnCCeq 上式为热分析值。上式为热分析值。Ceq的限制与钢板厚度有关，当

28、厚的限制与钢板厚度有关，当厚度为度为2025mm时，时， Ceq 0.43；当厚度大于；当厚度大于25mm时，时， Ceq 0.42。 当采用复核分析时，碳当量按下式计算，当采用复核分析时，碳当量按下式计算， Ceq 0.43， 日本对日本对Ceq的要求比英国宽，例如的要求比英国宽，例如HW50的的Ceq值按值按下式计算，下式计算， Ceq 0.46，144540246VMoCrNiSiMnCCeq6MnCCeq热影响区的硬度热影响区的硬度 热影响区的硬度与热影响区的硬度与Ceq及冷却速度有关。及冷却速度有关。 Ceq越高、冷却速度越快，则热影响区的硬越高、冷却速度越快，则热影响区的硬度越高，

29、当把热影响区的硬度做为可焊性的度越高，当把热影响区的硬度做为可焊性的指标时，国际焊按学会指标时，国际焊按学会IIW（International Institute of Welding）对冷却速度规定为：）对冷却速度规定为：工件由工件由800至至500的冷却时间为的冷却时间为7秒。对秒。对HW50钢板规定：热影响区的硬度不大于钢板规定：热影响区的硬度不大于390Hv(测试载荷为测试载荷为10kgf)。（3）冲击韧性要求）冲击韧性要求 冲击韧性要求是为防止油罐产生脆性断裂破坏冲击韧性要求是为防止油罐产生脆性断裂破坏的一个重要指标。影响油罐脆性断裂的因素如下：的一个重要指标。影响油罐脆性断裂的因素

30、如下：1）脆性破坏的产生主要与材料本身的性质有关。）脆性破坏的产生主要与材料本身的性质有关。2）脆性破坏的发生与裂纹所在部位的应力水平有）脆性破坏的发生与裂纹所在部位的应力水平有关，应力越高则越容易产生脆性破坏。关，应力越高则越容易产生脆性破坏。3）与裂纹的尺寸和形状有关，裂纹尖而长则易于）与裂纹的尺寸和形状有关，裂纹尖而长则易于产生脆性破坏。产生脆性破坏。（3）冲击韧性要求）冲击韧性要求 4）与罐壁的温度有关，温度越低，钢材的）与罐壁的温度有关，温度越低，钢材的韧性越差，越容易产生脆性破坏。韧性越差，越容易产生脆性破坏。 5）与钢板的厚度有关，钢板越厚越容易产）与钢板的厚度有关，钢板越厚越容

31、易产生脆性破坏。生脆性破坏。1-4 钢油罐材料的选择钢油罐材料的选择 2、选材原则和选材时应考虑的主要因素：、选材原则和选材时应考虑的主要因素： 原则：原则：安全可靠、经济合理安全可靠、经济合理 考虑因素：考虑因素： 1）油罐的设计条件：设计压力（针对封闭式）油罐的设计条件：设计压力（针对封闭式贮罐如拱顶罐而言，指罐体强度和稳定性所贮罐如拱顶罐而言，指罐体强度和稳定性所能承受的压力）、设计温度（指罐体金属温能承受的压力）、设计温度（指罐体金属温度）、介质的化学性质特别是腐蚀性以及材度）、介质的化学性质特别是腐蚀性以及材料的使用部位等。料的使用部位等。1-4 钢油罐材料的选择钢油罐材料的选择 考

32、虑因素：考虑因素： 2）材料的机械性能、化学成分、焊接性能）材料的机械性能、化学成分、焊接性能和抗腐蚀性能等。和抗腐蚀性能等。 3）价格合理。）价格合理。1-4 钢油罐材料的选择钢油罐材料的选择 3、钢油罐常用材料及其性能：、钢油罐常用材料及其性能： 对于这些普通低碳钢，其强度较低，焊对于这些普通低碳钢，其强度较低，焊接性能好。钢板越薄，韧性越好。只有在罐区接性能好。钢板越薄，韧性越好。只有在罐区最低日平均温度低于最低日平均温度低于-20时，才对时，才对t12mm的钢板进行冲击韧性试验。的钢板进行冲击韧性试验。 1） A3，A3F16Mn，16MnR，15MnVR普通碳素钢普通碳素钢普通低合金

33、钢普通低合金钢容器用钢容器用钢3、钢油罐常用材料及其性能：、钢油罐常用材料及其性能：1）近年来，贮罐用高强度钢有很大发展。它）近年来，贮罐用高强度钢有很大发展。它可分为可分为细晶粒正火钢，细晶粒正火钢，调质钢（经淬火调质钢（经淬火加回火而成），其共同特点是，由于加回火而成），其共同特点是，由于Ceq超过超过一定值，对缺口韧性和可焊性产生有害作用，一定值，对缺口韧性和可焊性产生有害作用，这可以通过控制碳含量来改善现场的焊接性这可以通过控制碳含量来改善现场的焊接性能，两种钢中能，两种钢中C都不应都不应0.2%（ Ceq正火钢正火钢Ceq调质钢），通过严格控制夏比调质钢），通过严格控制夏比V型冲击型

34、冲击韧性值，来保证厚板有足够的缺口韧性。韧性值，来保证厚板有足够的缺口韧性。3、钢油罐常用材料及其性能：、钢油罐常用材料及其性能： 1）我国钢材的各项性能指标可查阅）我国钢材的各项性能指标可查阅SYJ1016-82或或QB700-65。国外钢材型号及性能指标可查阅各国的规范。国外钢材型号及性能指标可查阅各国的规范。日本日本JIS（Japanese Industrial Standards）美国美国ASTM（American Society for Testing Material）或或API（American Petroleum Institute）英国英国BS（British Standar

35、ds）3、钢油罐常用材料及其性能：、钢油罐常用材料及其性能：2）对于小型油罐（）对于小型油罐（10001万万m3），我国一），我国一般用般用A3和和A3F。A3F最低使用温度最低使用温度tmin=-10，在，在 -10则用则用 A3F，反之用，反之用A3；并在；并在tmin下作水压试下作水压试验。验。日t3、钢油罐常用材料及其性能：、钢油罐常用材料及其性能：3）对于中型油罐（）对于中型油罐（ 2万万m3、3万万m3和和5万万m3）：）：罐壁下部，我国一般用罐壁下部，我国一般用16MnR，按强度条，按强度条件设计壁厚。件设计壁厚。罐壁上部，我国一般用罐壁上部，我国一般用A3F ，按刚度条件，按刚

36、度条件设计壁厚。设计壁厚。4）在我国，对于）在我国，对于7万和万和10万万m3的大型油罐可的大型油罐可供选用的钢板为供选用的钢板为16MnR 或或15MnVR。对于。对于更大的油罐则需发展高强度的新钢种。更大的油罐则需发展高强度的新钢种。自学内容：自学内容：1 美国石油学会美国石油学会API650对油罐钢材冲击韧性的要求；对油罐钢材冲击韧性的要求；2 沸腾钢的缺点和应用限制条件。沸腾钢的缺点和应用限制条件。思考题：思考题：1 为什么钢油罐的发展日趋大型化？为什么钢油罐的发展日趋大型化？2 为什么立式油罐的高度随罐容积的增加略有降低？为什么立式油罐的高度随罐容积的增加略有降低？3 什么原因导致沸

37、腾钢的冷脆敏感性强？什么原因导致沸腾钢的冷脆敏感性强？课后要求课后要求油油 罐罐 及及 管管 道道 强强 度度 设设 计计 Strength Design Of Oil Tanks and Pipes 教学内容教学内容第二章第二章 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 2-1 回转薄壳的基本概念和几何特征回转薄壳的基本概念和几何特征 2-2 轴对称回转薄壳的内力分析轴对称回转薄壳的内力分析 1、单元体力平衡方程、单元体力平衡方程 2、轴对称回转薄壳的无力矩理论、轴对称回转薄壳的无力矩理论 3、轴对称回转薄壳的区域平衡方程、轴对称回转薄壳的区域平衡方程教学目标教学目标1、

38、掌握回转薄壳的基本概念、几何特征以及、掌握回转薄壳的基本概念、几何特征以及研究薄壳问题的基本假设；研究薄壳问题的基本假设；2、学会分析单元体的受力情况，并能列出相、学会分析单元体的受力情况，并能列出相应的单元体力平衡方程；应的单元体力平衡方程；3、掌握轴对称回转薄壳的无力矩理论平衡方、掌握轴对称回转薄壳的无力矩理论平衡方程及其适用范围；程及其适用范围；4、掌握轴对称回转薄壳的区域平衡方程。、掌握轴对称回转薄壳的区域平衡方程。 2-1 回转薄壳的基本概念和几何特征回转薄壳的基本概念和几何特征 壳体：壳体：两个曲面所限定的物体，且两曲两个曲面所限定的物体，且两曲面间距比物体的其它几何尺寸都小。面间

39、距比物体的其它几何尺寸都小。 中面：中面：壳体厚度的中点所构成的面，即壳体厚度的中点所构成的面，即距壳体内、外表面有同等距离的面。距壳体内、外表面有同等距离的面。 壁厚：壁厚：壳体内外表面间的法向距离。壳体内外表面间的法向距离。一、基本概念一、基本概念 薄壳：薄壳：壳体厚度壳体厚度t远小于壳体中面的最小远小于壳体中面的最小曲率半径曲率半径R。设计上限定。设计上限定t/R1/20或或t/D1/10（D为壳体内径）。对于薄壳，一般用为壳体内径）。对于薄壳，一般用中面表示其几何特征。中面表示其几何特征。 回转面：回转面：由一条平面曲线环绕该平面内某由一条平面曲线环绕该平面内某一轴线旋转而成的曲面。一

40、轴线旋转而成的曲面。一、基本概念一、基本概念 回转薄壳：回转薄壳：以回转面为中面的薄壳。以回转面为中面的薄壳。 轴对称回转薄壳：轴对称回转薄壳：几何形状、载荷和约几何形状、载荷和约束条件都对称于回转轴的回转薄壳。束条件都对称于回转轴的回转薄壳。一、基本概念一、基本概念 回转薄壳及几何特征回转薄壳及几何特征母线母线经线经线经线曲率经线曲率半径半径r纬线纬线平行圆平行圆基准基准子午面子午面d法线法线rdsdsr经线曲经线曲率中心率中心纬线曲纬线曲率中心率中心纬线曲率纬线曲率半径半径r kyyk112/32 曲曲率率半半径径：曲曲率率：经线曲率半经线曲率半径径r纬线曲率半纬线曲率半径径r平行圆平行圆

41、drdsdsrrh经线曲经线曲率中心率中心纬线曲纬线曲率中心率中心壳体平行圆半径壳体平行圆半径：sinrr 经线的线素长度：经线的线素长度：drds 中面微元线素长度及面素中面微元线素长度及面素 中面微元线素长度及面素中面微元线素长度及面素平行圆的线素长度：平行圆的线素长度：drrddssin故中面面素为：故中面面素为：ddrrdsdsdAsin r意义：意义：决定壳体的几何形状；决定壳体的几何形状； r意义：意义：决定壳体的大小；决定壳体的大小； 位置及长度：位置及长度：任一点处的任一点处的r和和r位于同位于同一直线上，但除球壳外，其它长度均不同。一直线上，但除球壳外，其它长度均不同。二、几

42、何特征二、几何特征2-1 回转薄壳的基本概念和几何特征回转薄壳的基本概念和几何特征 对于几何形状较复杂的壳体，如椭球形壳，对于几何形状较复杂的壳体，如椭球形壳，一般根据经线的曲线方程和高等数学的知识一般根据经线的曲线方程和高等数学的知识计算出计算出r ，然后根据几何关系计算出，然后根据几何关系计算出r 。 kyyk112/32 曲曲率率半半径径：曲曲率率： r和和r的确定的确定 对于几何形状简单的壳体，如球壳和圆柱对于几何形状简单的壳体，如球壳和圆柱形壳等的形壳等的r和和r一般可由作图法确定。一般可由作图法确定。二、几何特征二、几何特征常见壳体的常见壳体的r 、 r 圆锥壳圆锥壳rcosRr式

43、中，式中，R为壳体上任一点的平行圆半径，为壳体上任一点的平行圆半径，为为经线与回转轴的夹角。经线与回转轴的夹角。二、几何特征二、几何特征 其中，其中，R为圆柱壳横截面半径。为圆柱壳横截面半径。 圆柱壳圆柱壳rRr 球壳球壳 其中，其中，R为球壳半径。为球壳半径。Rrr二、几何特征二、几何特征三、研究薄壳问题的基本假设三、研究薄壳问题的基本假设完全弹性体：完全弹性体：和和符合虎克定律，且材料连续、符合虎克定律，且材料连续、均匀和各向同性。均匀和各向同性。小位移：小位移：壳体受力后各点的位移都远小于壁厚。壳体受力后各点的位移都远小于壁厚。直线法：直线法：中面的法线变形前后保持为直线且中中面的法线变

44、形前后保持为直线且中面法线及其垂直线段之间的直角保持不变，即面法线及其垂直线段之间的直角保持不变，即该二方向的剪应变为零。该二方向的剪应变为零。不挤压：不挤压：壳体各层纤维变形前后互不挤压。壳体各层纤维变形前后互不挤压。2-2 轴对称回转薄壳的内力分析轴对称回转薄壳的内力分析 取微单元体；取微单元体； 受力分析（外力和内力）；受力分析（外力和内力）； 由经、纬向及微元中心法向的静力平衡条由经、纬向及微元中心法向的静力平衡条件列方程；件列方程； 整理简化。整理简化。一、有力矩理论基本方程的建立一、有力矩理论基本方程的建立yxzMMNNNN+ dNM+ dMMQQ+ dQrddP体素中心点体素中心

45、点P为原点为原点x-角增大切向为正角增大切向为正y-角增大切向为正角增大切向为正z-P点内法向为正点内法向为正薄壳几何形状与载荷的轴对称薄壳几何形状与载荷的轴对称四个截面上无扭矩、经线截面上无剪力四个截面上无扭矩、经线截面上无剪力 内力分析（单位长度）内力分析（单位长度）法向力法向力N和和N：若使单元体受拉，取为正；若使单元体受拉，取为正；反之若使单元体受压，则为负。反之若使单元体受压，则为负。弯矩弯矩M和和M：若使单元体向外挠曲（即增若使单元体向外挠曲（即增加曲率半径），则为正；反之为负。加曲率半径），则为正；反之为负。内力的正负规定内力的正负规定剪力剪力Q：若指向若指向z轴正方向而其所作用

46、截面的轴正方向而其所作用截面的外法线指向外法线指向x轴的正方向，或轴的正方向，或Q指向指向z轴的负轴的负方向，而其所作用截面的外法线亦指向方向，而其所作用截面的外法线亦指向x轴的轴的负方向时，则负方向时，则Q为正。为正。yxzMMNNNN+ dNM+ dMMQQ+ dQrddPZ0同一纬线上各点位移相同，单元体上无扭剪力。同一纬线上各点位移相同，单元体上无扭剪力。纬向应力（纬向应力（kgf/cm2）：取决于）：取决于N（kgf /cm）经向应力（经向应力（kgf/cm2） ：取决于：取决于N （kgf /cm）z法向剪应力：取决于法向剪应力：取决于Q主要内力相应的应力主要内力相应的应力 abc

47、d和和efgh截面上截面上drNdSNdrMdSM体素截面上的内力体素截面上的内力 adeh截面上截面上drNrdNdSNsindrQrdQdSQsindrMrdMdSMsin剪剪 力：力：弯弯 矩：矩：法向力：法向力：弯弯 矩：矩：法向力：法向力： bcfg截面上截面上dddrNddrNdSNddSNsinsinddrNdrNsinsin剪力：剪力：ddrQdrQsinsin体素截面上的内力体素截面上的内力ddrMdrMsinsin弯矩：弯矩：法向力：法向力： 外力外力q：单位面积上的外载：单位面积上的外载 面力：气、液压面力：气、液压 体力：重力体力：重力 外力的分解外力的分解 qx(沿沿

48、x轴正向轴正向)、qy(沿沿y轴正向轴正向)、 qz(沿沿z轴轴正向正向)轴对称薄壳体素的外力分析轴对称薄壳体素的外力分析 当薄壳受自重作用时，作用在中面当薄壳受自重作用时，作用在中面kimn上的载上的载荷荷q可分解为沿可分解为沿x轴上的载荷轴上的载荷qx和垂直于面素即和垂直于面素即z轴上的载荷轴上的载荷qz。x轴分力：轴分力：ddrrqdSdSqdAqxxxsinz轴分力：轴分力：ddrrqdSdSqdAqzzzsin体素上的外力分解体素上的外力分解（1）外力）外力q在在z轴方向的分力轴方向的分力ddrrqdAqzzsinz轴方向上的受力分析轴方向上的受力分析ddrNdrdNsinsin22

49、dS（2）经线力）经线力N在在z轴方向的分力轴方向的分力drdNsin dS（3）圆周力）圆周力N在在z轴方向的分力轴方向的分力ddrQdrQdrQsinsinsinddrQsinz轴方向上的受力分析轴方向上的受力分析（4）剪力）剪力Q在在z轴方向的分力轴方向的分力 bcfg截面与截面与adeh截面上的剪力在截面上的剪力在z轴上的轴上的投影，即分别乘以投影，即分别乘以cos(d/2)1，亦即：，亦即：体素经线截面上的内力分解体素经线截面上的内力分解z体素纬线截面上的内力分解体素纬线截面上的内力分解单元体的力平衡方程单元体的力平衡方程 据据Fz=0，可得单元体在，可得单元体在z轴上的平衡方程：轴

50、上的平衡方程：ddrNddrQsinsin0sinsinddrrqddrNz（2-9）1220sinsinsinsinrrqrNrNrQz 方程两端同时除以方程两端同时除以 得：得：dd单元体的力平衡方程单元体的力平衡方程1120sinsincossinrrqrQrNrNx 同理，据同理，据Fx=0与与Fy=0 ，可得单元体在，可得单元体在x轴与轴与y轴上轴上的平衡方程：的平衡方程：1320sincossinrrQrMrM 式（式（2-1113）即为壳体内力分析的基本方程，含）即为壳体内力分析的基本方程，含5个个未知数，尚需补充两个位移方程才能求解。未知数，尚需补充两个位移方程才能求解。 注意

51、：注意：qx与与qz均为外载（自重）均为外载（自重）q沿沿X轴与轴与y轴正向的轴正向的分力，若二者实际方向相反，则必须带分力，若二者实际方向相反，则必须带“”号。号。二、无力矩区域平衡方程的建立二、无力矩区域平衡方程的建立 取隔离体；取隔离体； 隔离体在回转轴方向上的受力分析；隔离体在回转轴方向上的受力分析； 由回转轴方向上的静力平衡条件列方程；由回转轴方向上的静力平衡条件列方程； 整理简化。整理简化。 无力矩理论的引入及其假定；无力矩理论的引入及其假定； 轴对称回转薄壳中的弯矩很小，忽略后可轴对称回转薄壳中的弯矩很小，忽略后可以使壳体的应力分析大大简化。忽略弯矩的以使壳体的应力分析大大简化。

52、忽略弯矩的壳体理论称为壳体理论称为无力矩理论无力矩理论，亦称薄膜理论。，亦称薄膜理论。壳体问题按无力矩理论所得到的解答称为薄壳体问题按无力矩理论所得到的解答称为薄膜解。膜解。轴对称回转薄壳的无力矩理论轴对称回转薄壳的无力矩理论 基本假设：假定整个薄壳的所有横截面上基本假设：假定整个薄壳的所有横截面上都没有弯矩，即都没有弯矩，即M=M=0，故，故Q0（如果（如果Q0，则，则 Q和和QdQ一定会产生弯矩）。一定会产生弯矩）。轴对称回转薄壳的无力矩假设轴对称回转薄壳的无力矩假设 沿壳体上任沿壳体上任意平行圆（半意平行圆（半径为径为R）正截）正截壳体，取其中壳体，取其中一部分作为研一部分作为研究对象，

53、如右究对象，如右图所示。图所示。取隔离体及其受力分析取隔离体及其受力分析RNdQdrr dlZrpQ1Q2ONN2假设以回转轴假设以回转轴oz为正方向，则：为正方向，则：（1）外载在）外载在oz方向上的合力为：方向上的合力为：式中：式中： Q1壳体自重在壳体自重在oz方向的投影；方向的投影； Q2载荷在载荷在oz方向的投影。方向的投影。21QQQ外力在回转轴上的合力外力在回转轴上的合力在隔离体上取在隔离体上取dl长长的一个微元环，其的一个微元环，其半径为半径为r，则：，则：pdQ2在在oz上的投影为：上的投影为：drrpdldrpdlrQddQ 22cos22对于对于Q2的计算：的计算：pdl

54、rQd22外力在回转轴上的合力外力在回转轴上的合力如果载荷为气体，即如果载荷为气体，即p = Constant，则：，则：pRQ22如果载荷为液体，如图所示，则：如果载荷为液体，如图所示，则：zHgpRdrzHgrQ022RrpdrQ022外力在回转轴上的合力外力在回转轴上的合力当壳体为开式，如图所示，则：当壳体为开式，如图所示，则：RRrpdrQ022外力在回转轴上的合力外力在回转轴上的合力（2）内力）内力N在在oz方向的投影为：方向的投影为：sin2cosNNNRtRtN22sin2 RtN而而内力在回转轴上的合力内力在回转轴上的合力据据 ，即，即 ，则：，则： 0zF0NQ0sin220

55、1RRRtrpdrQsin2sin222110RtQQRtrpdrQRR 此即轴对称回转薄壳的无力矩区域平衡方程，此即轴对称回转薄壳的无力矩区域平衡方程，它反映了外载与内力在回转轴上的平衡。它反映了外载与内力在回转轴上的平衡。轴对称回转薄壳的区域平衡方程轴对称回转薄壳的区域平衡方程三、无力矩体素平衡方程的建立三、无力矩体素平衡方程的建立 取微单元体取微单元体ds ds； 微元体外法线方向上的外力分析；微元体外法线方向上的外力分析； 经、纬向力在微元体外法线方向上的分力；经、纬向力在微元体外法线方向上的分力； 由微元体外法线方向上的静力整理简化。由微元体外法线方向上的静力整理简化。d 内力分析（

56、单位长度）内力分析（单位长度）dsds abcd和和efgh截面上截面上drNdSN体素截面上的内力体素截面上的内力 adeh截面上截面上drNrdNdSNsin bcfg截面上截面上ddrNdrNdddrNddrNdSNddSNsinsinsinsin（1）外力）外力q在在z轴方向的分力（外法线方向为正）轴方向的分力（外法线方向为正）ddrrqdAqzzsinz轴方向上的受力分析轴方向上的受力分析ddrNdrdNsinsin22dS（2-6）drdNsindS（2-2）（2）经线力）经线力N在在z轴方向的分力轴方向的分力（3）圆周力）圆周力N在在z轴方向的分力轴方向的分力单元体的力平衡方程单

57、元体的力平衡方程 据据Fz=0，可得单元体在，可得单元体在z轴上的平衡方程：轴上的平衡方程：0sinsinsinddrrqddrNddrNz0rrqrNrNz 方程两端同时除以方程两端同时除以 得：得：dd无力矩理论的体素平衡方程无力矩理论的体素平衡方程 事实上，根据无力矩假定及有矩理论的壳体基事实上，根据无力矩假定及有矩理论的壳体基本方程中式（本方程中式（2-12）：）：zqrNrN（2-28）zqrNrN请问两式右端为何存在请问两式右端为何存在“”的差异？的差异？1220sinsinsinsinrrqrNrNrQz不难得出：不难得出：整理得：整理得：无力矩理论的体素平衡方程无力矩理论的体素

58、平衡方程（2-28）tprr 式（式（2-28）称为轴对称回转薄壳无力矩理论的体）称为轴对称回转薄壳无力矩理论的体素平衡方程，它表明了外力和内力在壳体法线方向上素平衡方程，它表明了外力和内力在壳体法线方向上的平衡。的平衡。 然而，轴对称回转薄壳沿外法线方向上的外载多然而，轴对称回转薄壳沿外法线方向上的外载多用用p表示，故上列两公式对应的应力方程为：表示，故上列两公式对应的应力方程为：无力矩体素平衡方程的补充说明无力矩体素平衡方程的补充说明 p为连续分布的轴对称载荷，且其方向以沿为连续分布的轴对称载荷，且其方向以沿壳体外法线方向为正，反之为负。壳体外法线方向为正，反之为负。 表示经向应力，表示经

59、向应力，表示纬向应力，亦称周表示纬向应力，亦称周向应力或环向应力。若向应力或环向应力。若r，则，则 恒大于恒大于 ，于是可直接由式（，于是可直接由式（ 2-28 ）计算出）计算出 ，并以此作强度设计或强度校核。并以此作强度设计或强度校核。 几何形状：几何形状：薄壳应具有连续曲面，壳体形状薄壳应具有连续曲面，壳体形状如曲率和壁厚无突变。如曲率和壁厚无突变。 加载方式：加载方式：薄壳所受载荷应连续分布，且无薄壳所受载荷应连续分布，且无任何突变，更不能有集中载荷。任何突变，更不能有集中载荷。无力矩体素平衡方程的适用条件无力矩体素平衡方程的适用条件 边界条件：边界条件：壳体边界固定形式应是自由支承壳体

60、边界固定形式应是自由支承的（当边界上法向位移和转角受到约束，在的（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）。载荷作用下势必引起壳体弯曲）。 由此可见，薄壳无力矩状态的存在必须满由此可见，薄壳无力矩状态的存在必须满足足壳体几何形状、材料和载荷的连续性壳体几何形状、材料和载荷的连续性，同时，同时须保证须保证壳体具有自由边界壳体具有自由边界。当这些条件之一不。当这些条件之一不能满足时，则不能应用无力矩理论分析壳体的能满足时，则不能应用无力矩理论分析壳体的受力情况。受力情况。无力矩体素平衡方程的适用条件无力矩体素平衡方程的适用条件 计算壳体几何特征计算壳体几何特征r、r； 取隔离