油罐及管道强度设计

油罐及管道强度设计

StrengthDesignOfOilTanksandPipes

目录

Contents

第一章钢油罐设计的基本知识

第二章轴对称回转薄壳的内力及位移分析

第三章立式圆柱形油罐的尺寸选择和罐壁强度设计

第四章立式圆柱形油罐罐顶（固定顶）设计

第五章浮顶的设计

第六章立式钢油罐的抗风设计

第七章立式油罐罐底和油罐基础设计

第八章立式钢油罐的抗震设计

第十章地上管道

第十一章地下管道1、油库

定义：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。组成：收发油系统和储存单元。油库收发油系统的主要设备泵、阀门和管线各类仪表储存单元——各种油罐2、本课程的研究对象金属油罐的优点：①安全可靠，经久耐用；②不渗漏；

③结构简单，施工方便、速度快，可以拆迁再使用；④造价低，占地面积少，适用范围广。一、教学内容第一章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§1-2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§1-4钢油罐材料的选择二、教学目标

1、了解金属油罐的发展趋势及需要面临的若干新课题；2、熟悉钢油罐的各种类型划分、各类型的结构特点及其适用范围；3、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。

第一章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发展的总趋势是：⑴大型化⑵操作管理自动化Ⅰ、油罐大型化的优点节省钢材Ⅰ、油罐大型化的优点减少投资我国鲇鱼湾油库提供日本提供Ⅰ、油罐大型化的优点占地面积少；节省管线及配件；便于操作管理。Ⅱ、油罐大型化带来的新课题

①钢材的强度越高，断裂韧性越低，即越容易产生断裂。

②钢板越厚，在焊缝或热影响区附近越易于产生裂纹，从而增加了断裂的危险性。Ⅱ、油罐大型化带来的新课题

③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，同时采取合适的焊接工艺。

④随着油罐的大型化，壁厚t与直径D之比t/D降低，油罐钢性降低，导致油罐抵抗风荷的能力下降。

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）。Ⅱ、油罐大型化带来的新课题

⑤随着油罐的大型化，地震破坏造成的损失也随之增加。

⑥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加油罐抵抗不均匀沉陷的能力等。操作管理自动化的优点：①省力；②计量程度高，便于监测和控制。

油品在收发时都要计量，而影响计量精度的主要有以下三个方面的误差：即系统误差、偶然误差和过失性误差。目前我国的计量精度为5‰。系统误差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；周围环境如T、湿度、P、磁场、电场等的改变，测量的方法和理论上的错误；操作人员的习惯与偏向等引起的误差。偶然误差产生原因无规律性，但与测量的次数有关。当其测量次数足够多时，偶然误差完全服从统计规律。过失性误差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过度疲劳、神智不清、或读错示值。§1-2钢油罐的种类、结构特点和适用范围一、种类按几何形状分卧式圆柱形油罐立式圆柱形油罐双曲率油罐拱顶浮顶内浮顶锥顶悬链式自支承式桁架式梁式二、结构特点和适用范围卧式圆柱形油罐人孔筒体板圈三角支撑碟形封头（1）结构特点

V≤100m3的卧式油罐一般在工厂内造好运到现场即可使用；而V＞100m3的油罐都在现场组装和验收。

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。卧式圆柱形油罐（2）优点：①承压能力高；②V≤100m3的可在工厂批量生产；③搬迁安装方便。卧式圆柱形油罐卧式圆柱形油罐

（3）缺点：

①耗钢量大，一般为40~50kg/m3。②罐容小，占地面积大。

（4）适用范围：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，也用于贮存液化石油气。二、结构特点和适用范围立式圆柱形油罐组成：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而成；罐顶由薄钢板搭接而成。特点：结构简单、容量范围大，应用范围广，但承压能力低。拱顶油罐DomeRoofTanks①拱顶油罐结构特点：顶由4~6mm的薄钢板和加强筋（通常用扁钢）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，球面由中心盖板和瓜皮搭接而成。优点：结构简单，备料和施工方便，造价低。①拱顶油罐

缺点：

a）蒸发损耗较大；

b）罐容有一定的限制。适用范围：广泛用作容积在10000m3以下的成品油储罐，目前国内最大的已达5万方。抗风圈伸缩吊架人孔浮船支柱罐顶平台量油管浮梯轨道底板浮船单盘罐壁盘梯密封板集液管折叠排水管浮顶油罐

Floating-RoofTanks

②浮顶油罐结构特点：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。优点：a）油品呼吸损耗小；b）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。②浮顶油罐缺点：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积水难于排除。而双盘式价格较贵。适用范围：单盘式浮顶罐多用于5000m3以上的原油或汽油油罐；双盘式多用于5000m3以下的轻质油油罐。国外已建成24万m3的浮顶罐，我国已建成10万m3的。内浮顶油罐

EnclosedFloating-RoofTanks

罐顶罐顶通气孔罐顶支柱自动通气孔单盘人孔罐壁通气孔内浮顶密封装置导向板浮顶支柱③内浮顶油罐结构特点：兼有拱顶罐和浮顶罐的结构特点。优点：a）蒸发损失大大减少；b）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；d）附件减少；e）现存的拱顶罐易改造为内浮顶罐，投资少，见效快。③内浮顶油罐缺点：a）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；适用范围：V＜1万m3的内浮顶罐多用来储存轻质油品，目前正在推广。c）不易大型化（因为拱顶受到限制）。锥顶油罐

ConeRoofTanks

中心立柱外立柱内立柱罐壁内外檩lin椽chuan顶板底板④锥顶油罐结构特点：a）自支承式：顶为圆锥形，载荷由罐顶自承，并且传递到罐壁。b）桁架式：载荷由桁架承担并传递到罐壁，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。④锥顶油罐结构特点：c）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。罐顶坡度一般为1/16。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支柱相互连接等措施。④锥顶油罐优点：不受雨水尘土的影响，易保证油品质量。缺点：结构复杂，施工难，造价高，而且梁柱式对地基要求较高。④锥顶油罐适用范围：b）桁架式：V≥1000m3，内径多为35m左右；c）梁柱式：地基好的地方可选6~7万m3的，一般为4万m3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。a）自支承式：V≯100m3；悬链式油罐

SuspendingRoofTanks

悬链式罐顶（由薄钢板组成，只有拉力而无弯曲应力，故称无力矩罐）中心柱悬链最低点易积水、生锈二、结构特点和适用范围双曲率油罐

双曲率油罐可分为滴状油罐和球形油罐。滴状油罐可承受0.4~1.2kgf/cm2的剩余压力，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容器范围内。滴状油罐球形油罐Ⅰ球罐的分类a）按球罐的用途分在高、中压，常温下使用的球罐，如贮存液化石油气、天然气等，P=1~3MPa，T=常温在中、低压，低温下使用的球罐，如贮存液氨、乙烯、丙烯等，P=0.4~2MPa，T=-20~-100℃在低压，深冷下使用的球罐，如贮存-100℃以下的液化气，P极低，T＜-100℃，为保冷多采用双重球罐。Ⅰ球罐的分类b）按外观形状分圆球形椭球形c）从球壳板组合情况分足球瓣形瓜瓣形混合形Ⅱ球罐的优点a）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。b）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的1/2，故球罐板厚仅约需后者的1/2，使得球罐用料省，造价低。Ⅱ球罐的优点c）对风载荷而言，球罐比圆柱形罐更安全，因为顶风面积小。d）球罐基础简单，工程量小，且建造费用低。e）由于球罐容积V大，在V总一定时，球罐质量大大减少，给管理带来方便。Ⅲ球罐的缺点a）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。b）与圆柱形罐相比，球罐的制造、安装均较困难。c）球罐几乎全是现场组装和焊接，条件差，技术要求高。Ⅲ球罐的缺点d）由于国内钢材品种少，规格尺寸偏小，球罐板幅小，焊缝较多，从而增加了工作量。e）现行规范多而且不统一，检验工作量大，要求严格。Ⅳ使用范围球罐大多用于储存液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）、液态烃、乙烯、丙烯以及O2、N2、H2等易燃易爆和有毒的液体、气体介质。§1-3钢油罐的基本要求思路：Vt理论上：可解决强度问题实际上：施工是否可行？板厚了，焊接和热处理都比较难。§1-3钢油罐的基本要求1、具有足够的强度：不产生塑性变形（卸载后）。2、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。衡量韧性的指标是：冲韧值（一般采用“V”型试件测定），即试件“V”型缺口储存的能量，焦耳（J）。§1-3钢油罐的基本要求3、具有良好的刚性：整体稳定，有良好的抗风能力。4、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。5、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，贮罐产生的应力将远远超过水压试验时的应力。§1-4钢油罐材料的选择

1、对于罐壁用钢材有三项主要要求：（1）强度要求；（2）可焊性要求；（3）冲击韧性要求。（1）强度要求

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击韧性的前提下，提高钢板的强度。（2）可焊性要求对钢板的可焊性一般用两种指标控制：

一是碳的当量含量；二是热影响区的硬度。可焊性：是指钢在一定的焊接材料、工艺和结构条件下，经焊接后能获得一定焊接接头性能的能力。碳的当量含量英国油罐规范BS2654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：上式为热分析值。Ceq的限制与钢板厚度有关，当厚度为20～25mm时，Ceq≤0.43％；当厚度大于25mm时，Ceq≤0.42％。当采用复核分析时，碳当量按下式计算，Ceq≤0.43％，日本对Ceq的要求比英国宽，例如HW50的Ceq值按下式计算，Ceq≤0.46％，热影响区的硬度

热影响区的硬度与Ceq及冷却速度有关。Ceq越高、冷却速度越快，则热影响区的硬度越高，当把热影响区的硬度做为可焊性的指标时，国际焊按学会IIW（InternationalInstituteofWelding）对冷却速度规定为：工件由800℃至500℃的冷却时间为7秒。对HW50钢板规定：热影响区的硬度不大于390Hv(测试载荷为10kgf)。（3）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的一个重要指标。影响油罐脆性断裂的因素如下：1）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，裂纹尖而长则易于产生脆性破坏。（3）冲击韧性要求4）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。5）与钢板的厚度有关，钢板越厚越容易产生脆性破坏。§1-4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：

原则：安全可靠、经济合理

考虑因素：1）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料的使用部位等。§1-4钢油罐材料的选择考虑因素：2）材料的机械性能、化学成分、焊接性能和抗腐蚀性能等。3）价格合理。§1-4钢油罐材料的选择3、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-20℃时，才对t≥12mm的钢板进行冲击韧性试验。1）A3，A3F16Mn，16MnR，15MnVR普通碳素钢普通低合金钢容器用钢3、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。它可分为①细晶粒正火钢，②调质钢（经淬火加回火而成），其共同特点是，由于Ceq超过一定值，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能，两种钢中C都不应＞0.2%（Ceq正火钢＞Ceq调质钢），通过严格控制夏比V型冲击韧性值，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：

1）我国钢材的各项性能指标可查阅SYJ1016-82或QB700-65。国外钢材型号及性能指标可查阅各国的规范。日本——JIS（JapaneseIndustrialStandards）美国——ASTM（AmericanSocietyforTestingMaterial）或API（AmericanPetroleumInstitute）英国——BS（BritishStandards）3、钢油罐常用材料及其性能：2）对于小型油罐（1000~1万m3），我国一般用A3和A3F。A3F最低使用温度tmin=-10℃，在＞-10℃则用A3F，反之用A3；并在tmin下作水压试验。3、钢油罐常用材料及其性能：3）对于中型油罐（2万m3、3万m3和5万m3）：①罐壁下部，我国一般用16MnR，按强度条件设计壁厚。②罐壁上部，我国一般用A3F，按刚度条件设计壁厚。4）在我国，对于7万和10万m3的大型油罐可供选用的钢板为16MnR或15MnVR。对于更大的油罐则需发展高强度的新钢种。自学内容：1美国石油学会API650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。思考题：1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？3什么原因导致沸腾钢的冷脆敏感性强？课后要求油罐及管道强度设计

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教学内容第二章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§2-2轴对称回转薄壳的内力分析1、单元体力平衡方程2、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教学目标1、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；2、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；3、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；4、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

●壳体：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。

●中面：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。

●壁厚：壳体内外表面间的法向距离。一、基本概念●薄壳：壳体厚度t远小于壳体中面的最小曲率半径R。设计上限定t/R＜1/20或t/D＜1/10（D为壳体内径）。对于薄壳，一般用中面表示其几何特征。●回转面：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、基本概念●回转薄壳：以回转面为中面的薄壳。●轴对称回转薄壳：几何形状、载荷和约束条件都对称于回转轴的回转薄壳。一、基本概念●回转薄壳及几何特征母线经线经线曲率半径rφ纬线平行圆θ基准子午面φdφ法线rφdsφdsθrθ经线曲率中心纬线曲率中心纬线曲率半径rθ经线曲率半径rφ纬线曲率半径rθ平行圆θφdφrφdsφdsθrθrh经线曲率中心纬线曲率中心壳体平行圆半径：经线的线素长度：●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：故中面面素为：●rφ意义：决定壳体的几何形状；●rθ意义：决定壳体的大小；●位置及长度：任一点处的rφ和rθ位于同一直线上，但除球壳外，其它长度均不同。二、几何特征§2-1回转薄壳的基本概念和几何特征②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计算出rφ

，然后根据几何关系计算出rθ

。●rφ和rθ的确定

①对于几何形状简单的壳体，如球壳和圆柱形壳等的rφ和rθ一般可由作图法确定。二、几何特征③常见壳体的rφ

、rθ●圆锥壳式中，R为壳体上任一点的平行圆半径，α为经线与回转轴的夹角。二、几何特征其中，R为圆柱壳横截面半径。●圆柱壳●球壳其中，R为球壳半径。二、几何特征三、研究薄壳问题的基本假设●完全弹性体：σ和ε符合虎克定律，且材料连续、均匀和各向同性。●小位移：壳体受力后各点的位移都远小于壁厚。●直线法：中面的法线变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，即该二方向的剪应变为零。●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①取微单元体；②受力分析（外力和内力）；③由经、纬向及微元中心法向的静力平衡条件列方程；④整理简化。一、有力矩理论基本方程的建立yxzMθMθNθNθNφNφ+dNφMφ+dMφMφQφQφ+dQφrφdφdθP体素中心点P为原点x-φ角增大切向为正y-θ角增大切向为正z-P点内法向为正∵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●内力分析（单位长度）●法向力Nφ和Nθ：若使单元体受拉，取为正；反之若使单元体受压，则为负。●弯矩Mφ和Mθ：若使单元体向外挠曲（即增加曲率半径），则为正；反之为负。内力的正负规定●剪力Qφ：若指向z轴正方向而其所作用截面的外法线指向x轴的正方向，或Qφ指向z轴的负方向，而其所作用截面的外法线亦指向x轴的负方向时，则Qφ为正。yxzMθMθNθNθNφNφ+dNφMφ+dMφMφQφQφ+dQφrφdφdθP●σZ＝0●同一纬线上各点位移相同，单元体上无扭剪力。●σθ纬向应力（kgf/cm2）：取决于Nθ（kgf/cm）●σφ经向应力（kgf/cm2）

：取决于Nφ（kgf/cm）●τφz法向剪应力：取决于Qφ主要内力相应的应力●abcd和efgh截面上体素截面上的内力●adeh截面上剪力：弯矩：法向力：弯矩：法向力：●bcfg截面上剪力：体素截面上的内力弯矩：法向力：●外力q：单位面积上的外载面力：气、液压体力：重力●外力的分解qx(沿x轴正向)、qy(沿y轴正向)、qz(沿z轴正向)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kimn上的载荷q可分解为沿x轴上的载荷qx和垂直于面素即z轴上的载荷qz。x轴分力：z轴分力：体素上的外力分解（1）外力q在z轴方向的分力z轴方向上的受力分析dSθ（2）经线力Nφ在z轴方向的分力dSφ（3）圆周力Nθ在z轴方向的分力z轴方向上的受力分析（4）剪力Qφ在z轴方向的分力

bcfg截面与adeh截面上的剪力在z轴上的投影，即分别乘以cos(dφ/2)≈1，亦即：体素经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据∑Fz=0，可得单元体在z轴上的平衡方程：（2-9）方程两端同时除以得：单元体的力平衡方程

同理，据∑Fx=0与∑Fy=0，可得单元体在x轴与y轴上的平衡方程：

式（2-11~13）即为壳体内力分析的基本方程，含5个未知数，尚需补充两个位移方程才能求解。

注意：qx与qz均为外载（自重）q沿X轴与y轴正向的分力，若二者实际方向相反，则必须带“－”号。二、无力矩区域平衡方程的建立②取隔离体；③隔离体在回转轴方向上的受力分析；④由回转轴方向上的静力平衡条件列方程；⑤整理简化。①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，忽略后可以使壳体的应力分析大大简化。忽略弯矩的壳体理论称为无力矩理论，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膜解。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都没有弯矩，即Mφ=Mθ=0，故Qφ＝0（如果Qφ≠0，则Qφ和Qφ＋dQφ一定会产生弯矩）。轴对称回转薄壳的无力矩假设

沿壳体上任意平行圆（半径为R）正截壳体，取其中一部分作为研究对象，如右图所示。取隔离体及其受力分析RQ1Q2假设以回转轴oz为正方向，则：（1）外载在oz方向上的合力为：式中：Q1——壳体自重在oz方向的投影；Q2——载荷在oz方向的投影。外力在回转轴上的合力在隔离体上取dl长的一个微元环，其半径为r，则：∴dQ2′在oz上的投影为：对于Q2的计算：外力在回转轴上的合力①如果载荷为气体，即p=Constant，则：②如果载荷为液体，如图所示，则：∴∴外力在回转轴上的合力③当壳体为开式，如图所示，则：外力在回转轴上的合力（2）内力Nφ在oz方向的投影为：而∴内力在回转轴上的合力据，即，则：∴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。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①取微单元体dsφ×dsθ；②微元体外法线方向上的外力分析；③经、纬向力在微元体外法线方向上的分力；④由微元体外法线方向上的静力整理简化。dφ●内力分析（单位长度）●abcd和efgh截面上体素截面上的内力●adeh截面上●bcfg截面上（1）外力q在z轴方向的分力（外法线方向为正）z轴方向上的受力分析dSθ（2-6）dSφ（2-2）（2）经线力Nφ在z轴方向的分力（3）圆周力Nθ在z轴方向的分力单元体的力平衡方程据∑Fz=0，可得单元体在z轴上的平衡方程：方程两端同时除以得：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本方程中式（2-12）：（2-28）请问两式右端为何存在“±”的差异？不难得出：整理得：无力矩理论的体素平衡方程（2-28′）

式（2-28′）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的平衡。

然而，轴对称回转薄壳沿外法线方向上的外载多用p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●p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。●σφ表示经向应力，σθ表示纬向应力，亦称周向应力或环向应力。若rφ＝∞，则σθ恒大于σφ，于是可直接由式（2-28′）计算出σθ，并以此作强度设计或强度校核。●几何形状：薄壳应具有连续曲面，壳体形状如曲率和壁厚无突变。●加载方式：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。无力矩体素平衡方程的适用条件●边界条件：壳体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足壳体几何形状、材料和载荷的连续性，同时须保证壳体具有自由边界。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受力情况。无力矩体素平衡方程的适用条件①计算壳体几何特征rφ、rθ；②取隔离体建立区域平衡方程，求σφ,p；③由体素平衡方程求σθ。四、应用薄壳基本平衡方程解题步骤已知：厚度为t，半径为R的球罐，内装满密度为ρ的液体。如考虑支柱端部作为球壳的支承带，试求在支承带以上即α0角以内的球壳φ处由于液压产生的薄膜应力σφ，σθ。薄壳基本平衡方程的应用实例1α0β0φ支承带σφφαdQzdQzdQoσφRr解：①rφ＝rθ＝R②取隔离体（正切），其受力分析如下所示。则：i.内力在oz方向的合力薄壳基本平衡方程的应用实例1ii.隔离体上φ处的外载荷σφφαdQzdQzdQoσφRriii.外力在oz方向的合力

●微元环（阴影）上的外力薄壳基本平衡方程的应用实例1●外力在oz上的分力薄壳基本平衡方程的应用实例1●外力在oz上的合力由，即得：iv.建立隔离体的区域平衡方程

薄壳基本平衡方程的应用实例1则薄壳基本平衡方程的应用实例1③由体素平衡方程得：解得：薄壳基本平衡方程的应用实例1故薄壳基本平衡方程的应用实例1习题一已知：厚度为t，半径为R的球罐，内装密度为ρ的液体。如考虑支柱端部作为球壳的支承带，试求在支承带以下即β0角以外的球壳φ处由于液压产生的薄膜应力σφ，σθ。β0φ支承带答案：习题一已知：一有顶圆柱形罐，罐壁直径为D，罐壁高度为H0，顶是半径为R的球壳。球壳和圆柱形壳采用半径为r的环壳光滑连接。罐内装有密度为ρ的油品。液面上的油品蒸气压力为p0，液位高度为H。壁厚均为t，不计自重。试计算罐壁的σφ，σθ。HH0薄壳基本平衡方程的应用实例2解：①rφ＝∞，rθ＝D/2②建立区域平衡方程取隔离体，对其进行受力分析，如右所示：薄壳基本平衡方程的应用实例2外力在y方向投影为：外力：薄壳基本平衡方程的应用实例2内力在y方向投影：由得：薄壳基本平衡方程的应用实例2③由体素平衡方程得：∴可见薄壳基本平衡方程的应用实例2习题二HH0已知：一有顶圆柱形罐，罐壁直径为D，罐壁高度为H0，顶是半径为R的球壳。球壳和圆柱形壳采用半径为r的环壳光滑连接。罐内装有密度为ρ的油品。液面上的油品蒸气压力为p0，液位高度为H。壁厚均为t，不计自重。试计算球壳和环壳的σφ，σθ。答案：1）对于球壳部分：2）对于环壳部分：习题二油罐及管道强度设计

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教学内容第三章立式圆柱形油罐的尺寸选择和罐壁强度设计§3-1罐壁结构

§3-2罐壁钢板厚度计算§3-3立式圆柱形油罐直径和高度的选择*

§3-4

罐壁边缘应力计算（下节点计算）

§3-5罐壁的开孔补强教学目标1、了解罐壁结构，熟练掌握罐壁厚度的定点设计法;会用变点设计法来计算罐壁厚度。2、学会结合油罐结构特点，并按材料最省和投资费用最低两种类型来确定油罐的基本尺寸——油罐的直径和高度。3、掌握罐壁边缘应力的计算（下节点计算）。4、了解罐壁开孔补强的原因，掌握补强的方法及相关的计算公式。§3-1罐壁结构

●罐壁排板罐壁的纵截面一般为由下至上的逐级减薄的阶梯形，是由不同厚度的钢板焊接而成的。各相邻圈板的厚度，可根据计算取相等，但上圈板的厚度不得大于下圈板的厚度，即ti≥ti+1。焊接接头设计一般按国家现行的《焊接接头的基本型式与尺寸》GB985~986/20的规定。●连接形式——对接①所有纵焊缝均采用对接，且必须全焊透。原因：由于罐壁纵焊缝直接承受液压产生的环向拉应力，且σθ>σφ。§3-1罐壁结构②为减少焊接影响和变形，相邻两圈板的纵向焊缝宜错开1/3板长（向同一方向），焊缝间距≥500mm。③浮顶油罐各圈板之间的连接必须采用对接，且内壁齐平。否则，浮顶难以随液面升降而上下移动。§3-1罐壁结构●连接形式—搭接（即套筒式）拱顶罐相邻上下圈板的连接可用套筒式搭接，如右图所示。圈板间的搭接长度常取为35～60mm或(6～8)t（t为壁厚），但L搭≮30mm。§3-1罐壁结构§3-1罐壁结构大型立式油罐如果不是浮顶罐，下部＞16mm的圈板之间也采用对接，以保证焊接质量，而上部较薄的圈板仍可采用套筒式搭接，这样就变成了对接—搭接的混合式连接，如右图所示。●连接形式——混合式§3-1罐壁结构①若对接钢板厚度＞6mm，则必须开坡口；②罐壁上下圈板采用套筒式搭接时，罐壁外侧角焊缝采用连续焊，其焊脚高度≮焊缝上侧壁厚的2/3，且≮4mm，罐壁内侧角焊缝常采用间断焊；但对腐蚀性介质，仍采用连续焊，以避免搭接缝隙的腐蚀。

●连接注意事项§3-1罐壁结构①圈板宽度越小，阶梯形折线越趋近于理论计算直线，材料也就越省，但环焊缝数就越多，增加了制造安装工作量。●圈板宽度hi②若底层圈板太窄，则由边缘力所引起的最大环向应力有可能落在上层圈板的下部，从而造成上圈板比底圈板厚的不合理现象。故圈板宽度不宜太窄！

§3-1罐壁结构根据API650推荐，圈板hmin≮1.83米，而根据我国实际，钢板宽度下限为：D＞16.5m，h≥1mD＜16.5m，h≥0.5m§3-2罐壁钢板厚度计算●理论基础：轴对称回转薄壳的无力矩理论和第一强度理论。第一强度理论认为：不论材料处于何种应力状态，只要材料最大拉应力σ1达到材料单向拉伸断裂时的最大拉应力即强度极限σb，材料将发生断裂。故材料的断裂条件为：当该理论应用于构件的强度计算时，其强度条件为：油罐在接近常压的条件下贮存油品时，罐壁沿高度所受内压力主要是液体静压和较低的蒸汽压力。在液面以上罐壁仅受蒸汽压力p0的影响，而距罐底y处的压力为py=p0+(H-y)ρg。一、罐壁强度条件一、罐壁强度条件业已导出罐壁经向与环向应力σφ和σθ分别为：显然：D一、罐壁强度条件故按液面以下即H≥y＞0处的最大环向应力进行罐壁强度设计。∴由第一强度理论得：最大环向应力所在处！①靠近罐底部的圈板按强度条件计算，靠近罐顶部的圈板按刚度条件设计；②按强度条件设计的圈板应以该圈板上的最大环向应力计算；③储存油品密度（即容重）比水小，则按静水压考虑；反之，按油品实际密度计算。二、罐壁钢板厚度设计原则④中小型油罐的壁厚计算可采用定点法，而大型油罐多采用变点法。①定点设计：按距各圈板下端相同位置的环向应力计算各圈板的壁厚。三、中小型油罐壁厚的定点设计②壁厚计算：据理论分析和实验测定，对于中小型罐，各圈板环向应力最大的点不一定在圈板的最下端，而在圈板下端以上约0.3m的位置，则：注意各量意义及单位！（3-2）上式中：H—计算圈板底边至罐壁顶端（当设有溢流口时，应至溢流口下沿）的垂直高度，m；D

—油罐直径，m；t0—由强度条件计算的壁厚，mm；[σ]—设计温度下罐壁钢板的许用应力，kgf/mm2；ρ—储液容重，当γ储液＞1t/m3时，取储液实际容重；当γ储液≤1t/m3时，取1t/m3；η—焊缝系数，取0.9。三、中小型油罐壁厚的定点设计

式中：t—罐壁设计厚度，mm；t0—罐壁计算厚度，mm；C0—钢板厚度允许负偏差（P49表3-4），mm；C—腐蚀裕量，mm，根据油品腐蚀性能和对油罐使用年限的要求确定。（3-1）考虑到钢板的负偏差和储存介质的腐蚀性，则罐壁设计厚度为：三、中小型油罐壁厚的定点设计●钢板规格（P49表3-3）由式（3-1）计算的壁厚须按钢板规格选取，故需将其向上圆整。四、中小型油罐壁厚选用注意事项

鉴于大型油罐进行焊后热处理（为消除残余应力）十分困难，故需要限制油罐的最大壁厚。各国规定最大壁厚一般不超过38mm，高强度钢可取到45mm（日本JISB8501及API650附录G规定）；国内罐壁钢板的最大厚度可按P49表3-2选取。●最大壁厚要求●最小壁厚要求按式（3-1）算得的油罐上部壁厚较薄，这容易造成施工变形过大，安装后圆度不易保证，抗风能力不足，使用寿命也会受到影响。四、中小型油罐壁厚选用注意事项为了满足油罐安装和使用的稳定要求，壁厚应符合最小壁厚的规定，详见P48表3-1。五、罐壁厚度的变点设计●变点设计概念：据各圈板下端不同位置的环向应力计算各圈板壁厚的方法。●设计思路：考虑到罐壁相邻圈板之间的相互影响，确定各圈板最大环向应力的位置，并以此计算各圈板的壁厚。

●变点设计优点：①比定点设计更符合罐壁应力的实际情况；②对大容量罐，可减少某些圈板的壁厚，从而节省钢材；③在tmax范围内可选更大直径的罐。五、罐壁厚度的变点设计StartInput：H,D,γ,hi,n,σb,σsγ=1？YNP50表3-5P50表3-5六、罐壁厚变点设计的程序框图Fori=2tonYN式中Hi为第i圈板底部距最高液面的高度六、罐壁厚变点设计的程序框图F≤1.375？YNNextiF＞2.625？YEndN注意单位统一式中tai用tai’替代六、罐壁厚变点设计的程序框图●所用公式中各量的物理意义及单位；●上述变点设计法是API650推荐的：七、罐壁厚变点设计注意事项①分别按设计条件（储液实际容重）和充水试验条件（水容重1t/m3）计算；②t0i=max((toi+C)设计，(t0i)水)，并向上圆整；③toi≥to（i+1），且对于D＞60m的罐toi≥9。§3-3立式圆柱形油罐直径和高度的选择*●设计油罐的首要问题：油罐的基本尺寸——直径D和高度H。●设计原则：材料最省、建设费用最低。●基本思想：在V设＝C时，可从D和H的无数组合中找到一组最佳的，以满足设计原则。●方法：建立数模Q＝f(D，H)，令Df/DH＝0即可得到D，H。一、等壁厚罐材料最省的直径和高度设罐半径为R，高为H，容积为V，壁厚为tsmin，底板厚为tb，顶板厚为tr，且假设罐底和罐顶为圆板，则罐各部分的材料用量为：罐壁：罐顶：罐底：总材料用量：∵∴一、等壁厚罐材料最省的直径和高度一、等壁厚罐材料最省的直径和高度则：（3-10）顶底用量罐壁用量上式两端对H求导，并令dQ/dH＝0，即：一、等壁厚罐材料最省的直径和高度∴当，即，亦即顶底用量＝1/2罐壁用量时，油罐金属用量最省，即：（对封口罐）一、等壁厚罐材料最省的直径和高度由得：∴故（3-15）∴一、等壁厚罐材料最省的直径和高度讨论:1）对于无顶敞口罐，tr＝0，则：（3-16）故：一、等壁厚罐材料最省的直径和高度2）对于顶、底、壁等厚的罐，即tb＝tsmin＝tr，由式（3-15）可得：H＝2R（3-17）∴当H＝2R时，最省用材量为：一、等壁厚罐材料最省的直径和高度3）等壁厚油罐由于受到壁厚tsmin的限制，因此只能用于一定容积范围内，这个容积取决于钢板的机械性能和所规定的罐壁、罐顶厚度。实例对于A3钢，[σ]=1600kgf/cm2，钢板最小厚度为4mm，以此板材焊制成等壁厚罐即tb＝tsmin＝tr＝4mm。假设焊缝系数η＝0.9，γ＝0.001kgf/cm3。计算材料最省的等壁厚罐的容积。①解：②据等壁厚闭口罐材料最省条件式（3-17），即：H＝2R③据壁厚计算公式（3-2），且假设罐底部环向应力最大，即y＝0处，得：式中：∴则实例∴结论：等壁厚油罐的容积约为1000m3，当V＞1000m3时应采用变壁厚罐。实例理论截面二、变壁厚罐材料最省的直径和高度可能存在下部变壁上部等壁全部变壁D或p0大二、变壁厚罐材料最省的直径和高度●罐壁承受液压所需金属量（图中阴影部分的三角形环体积）：●罐顶、底金属用量：∵∴二、变壁厚罐材料最省的直径和高度●上部等壁厚各圈板不承受液压部分H1的无益耗钢量（图中abc部分）：∵∴式中：二、变壁厚罐材料最省的直径和高度●H1以下变壁厚部分的无益耗钢量（各三角形环体积之和，三角形数目n＝（H－H1）/h）：

式中：h—变壁厚部分各圈板的高度；e—相邻圈板的厚度差。二、变壁厚罐材料最省的直径和高度则二、变壁厚罐材料最省的直径和高度故油罐的总金属用量为：将Q对H取一阶导数，并令其为零，即：∴当即时，Q有最小值。Q1Q2二、变壁厚罐材料最省的直径和高度由此可得结论：①变壁厚罐用材最省的条件是：顶底用材量之和等于按强度条件的罐壁用材量（即罐壁理论用材量）；由得：（3-29）③变壁厚罐的经济H取决于tb、tr和罐材强度。②变壁厚罐的经济H与V无关（∵α=[σ]η/γ，且罐材强度实际上相差不大，∴对于V大的罐，其H相差不多，而D较悬殊）；二、变壁厚罐材料最省的直径和高度∴当时：二、变壁厚罐材料最省的直径和高度同理求得在较大剩余压力下的经济高度仍为：此时：式中：Hp——相应于剩余压力的液柱高度，等于p/γ；p——油罐内的剩余压力；γ——所储液体的容重。三、立式圆柱形油罐费用最省的经济尺寸●基本思想：把罐壁、顶、底、基础的造价和土地费用，用单位面积年平均费用来衡量，以贮罐年总平均费用最少为原则导出贮罐的经济尺寸。●主要结论：按费用最省原则的推导过程及其主要结果，与上述材料最省原则雷同；况且我国石油部通用图与浮顶罐系列一般按材料最省原则决定油罐的经济尺寸，故“油罐费用最省的经济尺寸”在此就不多叙了。油罐型式材料最省的高度费用最低的高度等壁厚无顶罐H≌RH≌R等壁厚有顶罐H≌2RH≌2R变壁厚有顶罐H≌H≌四、油罐经济高度和直径选择的分析表中C1、C2、C3分别为罐壁、顶、底单位面积的年平均费用，￥/a.m2小罐大罐总之，油罐的经济尺寸应和地基条件相联系，特别是大型油罐，由于投资大，因此应结合地基条件通过多方案比较，以便获得较大的经济效益。只有总的工程造价和材料消耗最低，才能得到真正的油罐经济尺寸。四、油罐经济高度和直径选择的分析§3-4

罐壁边缘应力计算（下节点计算）一、罐壁下节点基本概念下节点罐壁因受到静液压的作用，会沿径向发生变形。但因罐底约束，节点处的径向位移将受到阻碍，因而在罐下端的局部范围内将产生纵向弯曲力矩M0和剪力Q0。●边缘效应和边缘应力由于罐底板约束罐壁边缘而产生的边缘力系的现象称为边缘效应。由于罐壁下节点边缘效应产生的应力称为下节点边缘应力。●下节点强度校核的对象：高强度大油罐①对于小油罐（1000m3以下），由于钢板较薄，板的刚性小，边缘应力影响不大，故不进行下节点强度校核；一、罐壁下节点基本概念②变点法设计的油罐，由于已考虑了M0和Q0的影响，可不校核底圈板壁厚，但要校核丁字焊缝和环板的强度；③定点法设计的油罐，需要校核底圈板壁厚；④高强度大油罐，需要校核底圈板壁厚。一、罐壁下节点基本概念二、罐壁下节点受力分析假设将罐壁与罐底从连接处（即下节点）切开，二者之间的联系用M0与Q0替代，如右图所示。因此，M0与Q0、以及罐壁传来的载荷G和液压P(x)都会在下节点处使罐壁与罐底产生位移与转角，而实际上罐壁和罐底并未分开，它们之间无相对位移。据下节点壁、底位移协调条件得力法方程：转角位移（3-42）三、罐壁下节点力法方程

罐壁和罐底因载荷G在i方向上所引起的位移或转角之和。

罐壁和罐底因压力p在i方向上所引起的位移或转角之和。式中：罐壁罐底1→在M0方向上的转角2→在Q0方向的位移ex：

表示罐壁和罐底因单位力Q0＝1在M0方向上所引起的转角之和。

表示罐壁和罐底因单位弯矩M0＝1在Q0方向上所引起的位移之和。表示位移的方向1→在M0方向上的转角2→在Q0方向的位移1→M0＝12→Q0＝1表示产生位移的单位力柔性系数，单位力所产生的位移。

罐壁和罐底因单位力j在i方向所引起的位移或转角之和。由位移互等定理得：三、罐壁下节点力法方程●弹性连接由于罐底水平位移和罐壁位移相比小得多，可近似看作零（罐底为拉伸变形，而罐壁为弯曲变形，显然后者远大于前者），因此可作为弹性连接处理，则：四、罐壁下节点力法方程的求解∴由式（3-42）得：（3-44）（3-43）联解式（3-44）可得：（3-45）四、罐壁下节点力法方程的求解●铰接连接∴由式（3-44）得：（3-46）当罐壁很厚，罐底很薄时，可视其连接为铰接，则M0＝0，且除和不为零外，其余柔性系数皆为零。四、罐壁下节点力法方程的求解●固接连接∵罐底一般安装在专用基础上，与地面无相对滑动。∴可视罐壁与罐底的连接为固接，罐壁（底？）在下节点的转角与位移均为0，则由式（3-44）可得：（3-48）四、罐壁下节点力法方程的求解●对于大中型罐，可按弹性连接计算；对于小型罐，可按铰接计算；对于大型厚壁罐，可按固接计算。●一般地，油库油罐下节点可视为弹性连接，但为了安全，可按固接计算。因为三种连接方式中，固接应力最大，铰接最小，弹性连接居中。五、力法方程求解中的注意事项①分别列出罐壁和罐底的挠曲线微分方程；②解微分方程得挠曲线方程的通解；③据边界条件确定待定常数，即可求出罐壁和罐底的挠曲线方程的特解；④求柔性系数。六、罐壁和罐底柔性系数的计算步骤①取微元体靠近罐底，用两个相邻平行圆与两个相邻经线平面截取。②受力分析∵拱顶罐p蒸汽<200mm水柱，而浮顶罐无p蒸汽∴罐壁上任一点只考虑液压的对称作用七、罐壁柔性系数的计算又∵罐壁变形后各点的曲率不同∴存在dQ与dM取，上式可整理为：（3-50）③据静力平衡条件得：yTT④联系罐壁的变形a)沿罐壁纵向取一单位宽度的微元条研究，可视其为悬臂梁。yxP(x)七、罐壁柔性系数的计算七、罐壁柔性系数的计算其中：D——罐壁筒体的抗弯刚度，t——罐壁厚度；ν——波桑系数。b)由材料力学可得：yP(x)xM+Q+M+Q+七、罐壁柔性系数的计算罐壁环向应变则∴（3-51）c)对式（3-50）中的T、Q作变换得：环向力七、罐壁柔性系数的计算⑤解微分方程为了方便，引入参数：罐壁弹性系数罐壁特征系数则（3-52）解得：（3-53）∵又∵

x↑，↑→y↑∴这和x↑，y↓的实际情况不相符则C1＝C2＝0（3-54）∴罐壁的挠度方程为七、罐壁柔性系数的计算⑥求解柔性系数为便于分析，引入寻墨尔函数、、和，它们都是mx的函数。具体地：则寻墨尔函数对x的一阶导数分别为：七、罐壁柔性系数的计算七、罐壁柔性系数的计算∵液压∴则据下节点的边界条件：，又∵，，，则联解上两式得：七、罐壁柔性系数的计算∴罐壁的挠度方程为：罐壁上任一点的转角为：令，则：（3-55）（3-56）七、罐壁柔性系数的计算由式（3-55）和式（3-56）计算罐壁柔性系数：七、罐壁柔性系数的计算●罐底挠曲方程的建立①假设：罐底基础是弹性的，把罐底当作弹性地基梁处理（据此，基础对梁的连续分布的反力与各点的沉陷量y成正比，即当梁上任一点的挠度为y时，则该点反力为Kby，Kb为地基系数）。八、罐底柔性系数的计算②基本方法：利用弹性地基梁的解法，分别求出罐底在M0、G与液压作用下的挠曲线方程（P68表3-7，Q0对罐底挠曲影响不大，忽略），然后叠加即得罐底的挠曲线方程。八、罐底柔性系数的计算●计算罐底柔性系数（P70表3-8）yxP=HγM0Q0Gc注：将罐壁与罐底柔性系数代入式（3-45）或（3-48）即可求出M0与Q0，若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。①局部性：边缘应力的作用有一定的范围，在远离边缘处，其影响不大。②自限性：发生边缘弯曲的原因是由于下节点处罐底约束罐壁的径向位移，亦即薄膜应力引起的弹性变形不协调，同时当边缘两侧的弹性变形相对约束时，在该处就产生边缘应力。但当边缘处的局部材料发生屈服时，这种约束就趋于缓解，结果边缘应力就自动限制，使变形趋向协调而不再继续发展。九、下节点边缘应力的性质九、下节点边缘应力的性质

据ASME锅炉及受压容器规范：具有自限性的应力属于二次应力，而薄膜应力属于一次应力。因此，在设计中如果薄膜应力取[σ]＝0.6～0.7σs（材料屈服极限），则对边缘应力可取较大的许用应力。比如一些规范规定：一次应力和二次应力之和可以控制在2σs以内（即安定性原理）。对于这种条件下的结构称之为处于安定状态。十、下节点强度校核●下节点钢板的最大弯曲应力应满足：式中t——底圈板壁厚或底板环板厚度。（按纯弯曲）（3-57）●下节点焊缝剪应力应满足：（3-58）式中

A——焊缝面积，A＝2×0.7h；W——焊缝截面系数，W＝0.7h(t＋h)，t为底圈板厚；h——下节点角焊缝直角高度，一般为底板环板厚。①对于罐顶与罐壁连接处，由于两个曲率半径不同的壳体焊在一起，其连接处自由变形不同，故在连接处也将产生边缘力矩和剪力，其求解法可采用下节点类似的计算方法。②对于气体压力接近常压（如200mmH2O）作用下的罐，上节点的边缘力并不大，一般可不作计算。下节点强度校核的补充说明③下节点法以罐基础是弹性基础为前提，实际上它在载荷作用下存在一定的塑性变形，并非完全弹性的。故该法是近似算法。对四周做有环形混凝土圈梁的罐基础，若将其整体视为均匀的、弹性的，则与实际相距甚远，建议采用其它解法，如P74～79所叙。§3-5罐壁的开孔补强一、开孔类型及作用①进出油管孔；②消防管孔；③清扫孔；④人孔二、补强的原因①孔口附近会产生应力集中，削弱罐壁强度；②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。在开孔的周围焊上补强圈板，以增大开孔周围的壁厚，降低孔周围的应力。①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。②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（a.利于焊渣和烟排除；b.若存在焊接质量，试水时将发生泄漏）。三、罐壁开孔补强方法●等截面补强：属经验设计准则，并规定：a)用与罐壁相同（材质与壁厚）的钢板作补强板；b)补强板面积A＝D孔×壁厚＝D纵向×t0s（计算壁厚）。该法偏于保守、较繁，但历史长、可靠、应用广。●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＜2σs，该法只允许采用整体补强结构。四、罐壁开孔补强准则●环形板环形板外径为内径的2倍左右，适用于开孔直径≤Dg250mm。五、罐壁开孔等截面补强形式五、罐壁开孔等截面补强形式●多边形板多边形板的内切圆直径取为补强板内孔直径的2倍左右，适用于开孔直径＞Dg250mm。六、等截面补强的有效范围由于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的局部范围内才能起到有效的补强作用，称此范围为有效范围。接管罐壁tptsdba①有效高度H＝2d＝2×纵向开孔直径接管罐壁tptsdba②有效宽度内侧：（对浮顶罐此项应为零）B1＝2.5ts外侧：B2＝2.5tp+a其中tP—接管的壁厚；

ts—开孔处罐壁的厚度；

a—补强板厚度，一般与罐壁厚相同。六、等截面补强的有效范围●需要补强的金属面积A：式中t0s——开孔处罐壁的计算壁厚●罐壁ts＞t0s的部分可用作补强的截面积A1：式中ts——开孔处罐壁的实际厚度七、等截面补强金属面积的计算●接管上tsP＞top的部分可用作补强的截面积A2：式中B—补强区域内的有效宽度即min(B1，B2)。七、等截面补强金属面积的计算

∵补强板厚度通常采用与罐壁相同的厚度∴根据上式可确定补强板的几何尺寸●补强板金属面积A3：

若，则不需要补强；反之，则需要补强，补强金属面积为：据SYJ1016-82规定：罐壁各种公称直径的开口接管及补强圈板规格可按P81表3-10选用。表中D外指环形补强板的外径或多边形补强板的内切圆直径，D内指补强圈开孔直径。当罐壁开孔接管直径不超过Dg50时，可不进行补强。八、罐壁开孔补强圈板标准系列油罐及管道强度设计

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教学内容第四章立式圆柱形油罐罐顶（固定顶）设计

拱顶结构及几何尺寸的计算；拱顶载荷的计算；包边角钢所需面积；拱顶球壳的稳定性校核。教学目标1、了解拱顶的结构及特点；2、掌握拱顶的设计压力及包边角钢的计算；3、掌握拱顶结构设计及拱顶球壳的稳定校核。●拱顶组成

中心盖板和瓜皮（扇形）板组成，形状近似球面。拱顶的结构●拱顶各部分的连接

①瓜皮板块数一般取为偶数，对称安排。板与板之间可对接或互相搭接，实际搭接宽度≮5倍板厚且≮25mm，一般搭接宽度多采用40mm。搭接的瓜皮板在外侧采用连续焊，内侧用间断焊。

②中心盖板搭在瓜皮板上，搭接宽度一般取50mm。●确定原则

拱顶的结构尺寸当ts＝tr时，在气体内压作用下，应使，否则罐顶与罐壁将在连接处发生相对位移。●球顶曲率半径R（4-6）一般取球顶曲率半径与罐径之差≯20％，即：∵当ts＝tr时，在气体内压p作用下，罐壁顶部与罐顶的环向应力分别为和。∴要使，必使。球顶几何尺寸拱顶的结构尺寸ρDRh●过渡部分曲率半径ρ

当ρ↑时，则拱顶高h↑、气体空间↑、用料量↑；反之，过渡处局部弯曲应力σ↑。一般取ρ＝0.1D，此时h≈0.2D。●瓜皮板几何尺寸

参见《大型贮罐设计》上海科学技术出版社，1986,8●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，承压能力较高，但需冲压加工，施工较难。拱顶与罐壁的连接形式●以包边角钢将罐顶与罐壁相连罐顶传来的横推力由角钢承担，安装制造方便，广泛用于承压较低的液体贮罐。SYJ1016-82第3.4.5条规定：“罐顶与包边角钢间的连接，应采用弱顶结构。外侧用连续焊，焊脚高度≯顶板厚度的3/4，且不得＞4mm，内侧不予焊接”。拱顶与罐壁的连接形式注意：

“罐顶与包边角钢间采用弱顶结构”的目的：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，从而避免因罐壁破裂带来更大的损失。拱顶与罐壁的连接形式（a）（b）球壳球壳罐壁罐壁包边角钢包边角钢筋板①拱顶部分存在油气空间；②能承受较高的内压，一般为0.02kgf/cm2，最大可达到0.1kgf/cm2（当阀阻塞时）;③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。拱顶的特点式中qE——作用在球壳上的外载荷，kgf/m2；q1——球壳自重（按投影面积），kgf/m2；q2——罐内设计负压，即操作条件下，罐内可能产生的最大真空度；它是因抽空或气体空间中气体因温降收缩而形成的，一般取1.2倍的吸气阀开启压力或50mmH2O，即50kgf/m2；拱顶的设计压力——单位面积的垂直载荷●设计外压qE（4-7）q3——雪载，可按最新版的《建筑结构载荷规范》（GB50009-2001）中有关章节选取，也可根据建罐地区实际气象统计数据选取，通常取30kgf/m2；q4——活载荷（主要考虑贮罐顶部检修人员及工具的重量等外载荷），通常取40kgf/m2。拱顶的设计压力——单位面积的垂直载荷●设计内压qi式中qi——作用在球壳上的内载荷，kgf/m2；q5——罐内最大正压力，可取呼气阀的开启应力，通常取200mmH2O，即200kgf/m2；K——超载系数，取K＝1.2。拱顶的设计压力——单位面积的垂直载荷（4-8）●注意事项①q2+q3+q4的取值最小不应＜120kgf/m2；

②qE估计不足时，会使球壳受压失稳，也会使包边角钢拉坏；qE估计过高时，会造成材料上的浪费；③qi是由罐内的气体压力产生的，它会使球壳产生薄膜应力，并使包边角钢成为受压环。拱顶的设计压力——单位面积的垂直载荷●作用

加固罐体上部边缘，对固定顶罐还传递罐顶载荷。包边角钢●包边角钢的规格①浮顶罐内径（m）包边角钢最小尺寸（mm）D≤20∠63×6D＞20∠75×8②内浮顶罐和拱顶罐内径（m）包边角钢最小尺寸（mm）D≤20∠63×620＜D≤36∠75×836＜D≤48∠90×8D＞48∠100×10包边角钢●连接方式①自身连接：对接或冲压成型。若对接则必须全焊透、全熔合。②与固定顶的连接：搭接，采用弱顶结构。③与罐壁的连接：对接或搭接，但角钢的水平肢，对于浮顶罐，必须朝外；对于固定顶或内浮顶罐，可朝外或朝内。包边角钢①边缘力系Mf、Qf很小，可忽略；上节点拱顶罐上节点的内力计算罐壁上部②薄膜应力：罐顶拱顶罐上节点的内力计算③包边角钢横截面所受的力FFFT2a、受力分析当qE＞qi时的受力状况T2T1αQ拱顶罐上节点的内力计算b、外力▲罐顶总垂直载荷T2T1αQ（4-9）▲罐顶沿周边单位长度上的经向力（4-11）T1水平分力或横推力（4-12）FFT2拱顶罐上节点的内力计算

式中T2的方向由确定，当qE＞qi即拱顶受外压时，包边角钢受拉，T2背向圆心；反之，包边角钢受压，T2指向圆心。c、包边角钢横截面受力（4-13）●加强区：包边角钢以及包边角钢在罐顶及罐壁两侧的各16倍壁厚范围内的材料共同承受水平力，此区域称为加强区，如右图所示。包边角钢所需面积球壳罐壁包边角钢16ts16tr式中[σ]——许用应力，kgf/cm2，取，其中σs为材料的屈服极限，kgf/cm2，通常包边角钢采用A3F，σs＝2400kgf/cm2；η——焊缝系数，可取η＝0.85。包边角钢所需面积●加强区最小面积（4-14）●包边角钢所需面积式中A——包边角钢的截面积，cm2；ts——与包边角钢相连的壁板厚度，cm；tr——罐顶板厚度，cm。注：日、美、英规范给出了不同的Amin计算式（4-16～4-18）。包边角钢所需面积（4-15）①强度校核：由qi计算薄膜应力，用第一强度理论校核。②稳定性校核：在qE作用下的情况。当稳定性不够时，则采用加强筋。球壳设计●球壳设计的主要内容●球壳类型①光面：V≤1000m3；②加筋：V＞1000m3，在满足拱顶稳定性的情况下，使拱顶重量最轻。●球壳板厚

球壳板厚均有一定的限制，超过该限制是不合理的，对此各个国家均有自己的规定，日、美、英及我国的规定见P89）。球壳设计●必要性：球形拱顶是由薄钢板组成的壳体，在外力作用下可能发生屈曲变形。例如：当呼吸阀失灵，或试水（放水）时吸气阀未打开，或放液速度过快时，会造成罐内真空度过大而使罐顶局部失稳。为此，应进行设计外压下的稳定性校核。拱顶球壳的稳定性校核●光面球壳稳定性校核Ⅰ计算球壳临界载荷式中Pcr——临界载荷，kgf/cm2；t与R——板厚与球壳曲率半径，cm；E——弹性模量，kgf/cm2。拱顶球壳的稳定性校核①古典球壳临界载荷公式（4-20~21）一般取ν＝0.3②krenzke的修正公式（4-22~23）拱顶球壳的稳定性校核③卡门和钱学森公式（4-24）（4-25）Ⅱ计算[Pcr]

国内常用方法：由式（4-21）右端除以稳定安全系数1.2得：III判据

当[Pcr]＞qE时，则稳定，否则应加厚或加筋或更换钢材。拱顶球壳的稳定性校核●带筋拱顶球壳稳定性校核（参见P90～91，自学）油罐及管道强度设计

StrengthDesignOfOilTanksandPipes

第五章浮顶的设计§5-1浮顶的结构§5-2浮顶的设计准则§5-3第一准则的计算和校核§5-4第二准则的计算和校核§5-5第三准则的计算和校核§5-6浮顶的强度及稳定性校核教学内容1、了解油罐浮顶的结构特征以及密封装置的类型和性能；2、掌握浮顶设计的基本原则；3、掌握第一、第二准则的具体应用及有关计算公式的适用条件，掌握第三准则的应用，掌握浮顶的强度和稳定性校核的方法和应用。教学目的●结构类型一、浮顶的结构

①双盘式：耗钢量大、费用高、自重大、操作不便、保温效果好，多用于轻质油的贮存，罐容≤5000m3。舱室（有静止空气）盖板单盘浮船（舱室）②单盘式：耗钢量少、费用省、热损耗大，应用广，罐容≥5000m3。●单盘式浮顶一、浮顶的结构

（1）结构：a）浮舱：浮船由隔板分隔成若干互不渗漏的舱室。b）单盘：钢板搭接（①宽度≮5t且≮25mm；②上（外）侧连续满角焊，下（内）侧间断焊，但刚性较大的构件或立柱周围300mm内须连续满焊）c）单盘-浮船连接：角钢连接一、浮顶的结构

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