管道第六章之油罐的应力

第6章油罐的应力分析油罐是油品储存的主要设施；所有的石油产品都将在储罐中存放一段时间。浮顶储罐沿海油库

日本所用石油的99.8％靠进口。1992年石油储备8000万吨(111天),1994年至今,保持在150天的石油消费量。

美国是世界上最大的石油储备国，1992年其石油储备20170万吨，达到了93天的石油消费量。

要想达到这一要求需建造大量的大型储油罐，由于单罐的容量越大，其材料，占用的场地也越省，因而近30年来储罐向大型化迅速发展。

国外油罐建设现状

1962年美国首先建成10万方大型浮顶罐；

1967年在委内瑞拉建成15万方浮顶油罐。

1971年日本建成16万方浮顶油罐，储罐直径达109米，高17.8米；

沙特阿拉伯已建成20万方巨型油罐，直径达110米，高22.5米。

目前发达国家仍在不断研究更大型的储罐技术(拱顶铝网壳顶，玻璃钢内浮顶，外浮顶浮船)。而柱支撑锥顶罐由于建罐成本低，罐顶板腐蚀易更换，在腐蚀严重的沿海地区很受欢迎。我国油罐建设现状

我国每年进口1.5亿吨（占45％）

70年代国内首台5万方浮顶罐在上海陈山码头建成。

80年代中后期，国内开始建造10万方大型浮顶油罐

到目前为止，国内建成并投入使用的大型浮顶油罐最大容量为15万方大型浮顶油罐。

地下储油气库油罐的分类油罐分为：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。2万的浮顶油罐国内80年代建造了4座10m3罐（2）拱顶油罐罐顶为球面的一部分，由4~6mm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，罐顶直径受到限制；（3）内浮顶油罐拱顶与浮顶的结合，储存贵重油品。（4）锥顶油罐顶部为自支承式、梁柱式等。（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。油罐设计规范英国BS2654日本JISB8501美国API650中国

SH3046-92《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》

GB6654-1996《压力容器用钢板》

SH3048-1999《石油化工钢制设备抗震设计规范》

GBJ128-90《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》

GB985-95《焊接接头的基本形式与尺寸》油罐的选材大型油罐均采用高强度钢。这类材料强度高、韧性好、碳当量较低、焊接性能较好。国内10万方以上浮顶油罐大都采用490MPa级的高强度钢材。小罐用16MnR。日本SPV490Q

武钢WH610D2具有高强度、高韧性，而且具有优良的焊接性能，尤其是能够适用于大线能量焊接工艺条件。此钢板的研制成功，结束了我国建造原油储罐长期依赖进口的历史。舞阳钢铁12MnNiVR与进口SPV490Q钢板相差不大。6.1

立式油罐的罐壁强度设计一、几个基本知识点1

板间的焊接方式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；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；6.1

立式油罐的罐壁强度设计一、几个基本知识点2

最小壁厚对于油罐上部的罐壁，由于考虑到安装和使用的稳定性要求，因而有最小厚度要求。油罐的稳定性与D/t有关，所以油罐越大，所用钢板的最小厚度越厚。3

最大壁厚罐壁钢板越厚，越难保证焊缝质量。由于施工现场难以对焊缝进行热处理，故须限制储罐的最大壁厚。最大许用壁厚与材质和许用最低温度有关，同时也与一个国家的整体焊接工艺水平有关。油罐的建造罐壁承受的储液静压力

按薄膜宅理论考只虑应力壁厚确定溪罐壁要厚度疯需要梅考虑颜的因纲素每层英罐壁普板的屡厚度还不同潜；每层忍罐壁毒板中奥的应学力分贝布不争均匀嚷：定点涌法：炊罐壁陕中最谈大应耐力发础生在抵距下保端30们0m断m（1英尺构）处油；变点掌法：货按罐慕壁板桐中的脂最大胁应力鸡考虑独；焊缝系眯数；腐蚀渣裕量鸣。6.1谣.1确定罐采壁厚度斥的几种是标准中国SH剪30乱46标准稿（定跪点法暴）日本JI鹅S兔B8纳50缴1标准对（定劣点法岩）英国BS2妥654标准茶（定棵点法筹）美国API君650标准醉（变砍点法听）1、中国SH3乡丰046标准浊（定使点法屋）t1—储存孙预定估介质裁时的许设计画厚度总，mm；ρ—储液密鹅度，t/m3；H—计算朋的罐桃壁板躬底边蔑至设孝计储正液高语度的识距离错，m；D—储罐内挑直径，m；[σ]紫—常温下设罐壁钢窄板的许课用应力顾，MPa；Φ—焊缝系妄数，一顷般取0.9；C1—钢板折厚度归负偏备差，mm；C2—腐蚀裕麻量，mm。2、日本JI脖S毫B8朋50指1标准颜（定垮点法撑）t—最小板犁厚，mm；ρ—储液比毙重（当江小于1时，政取1）；H—由该驻段壁歇板的牙下端徒至设怕计液燃位的跪高度禾，m；D—储罐内脚直径，m；fm—母材的苹许用应射力，MPa；Φ—焊缝效榨率，一引般取1.0，其右中第漂一层舰取0.蜂85；C—腐蚀京裕量拐，mm。3、英国BS2得654标准定非点法计塑算t—最小板使厚，mm；w—储液战密度虏，g/战ml（取值不角得小于1）；H—由该座段壁才板的脸下端地至设顾计液仆位的菜高度榆，m；D—储罐内食直径，m；S—设计侨许用推应力枕，MPa；P—设计压俊力，mb接ar(对无压蚁储罐可翼忽略不结计)；C—腐蚀裕驾量，mm。4、美稻国AP箱I6哪50标准（叶变点法表）底圈自罐壁管板计画算厚谦度两者之您中取最棋小值底圈罐敲壁板设厉计厚度第二圈么及其以宾上各圈狮壁厚的惊变点计复算法hi-1——计算仰圈的猎下面涝一圈萄的圈响板高舟，m；r——油罐界半径床，m；t0i——所需袭计算腥的第i圈的祖罐壁非计算既厚度盼，mm；tai——根据变物点位置渣求得的供第i圈的候壁厚星值，mm。式中航：三式菜之中池取最犹小值定点法君初步计暗算Xmi谋n=0.医3例1已知500皱00m3储罐黎直径D=示60迅m，罐壁识高H=1贷9.3声5m，最高获液位18悼.3焦5m，每卖圈壁栽板高特度为1.9津3m。试柱水时烫的许勒用应槐力[σ]草=2约1.勤43锄kg彩f/狭mm2，焊县缝系皇数η=已0.个9。要得求用吨变点当设计颜法计响算在登充水乔条件射下最蔽下面3圈壁怜板的鸡计算满厚度唤。答案：

第一圈

第二圈

第三圈

壁板的计算厚度

28.07mm

25.76mm

21.07mm

例2试以剥变点话法确厚定在朵试水呈情况邮下的挖储罐文底部水三圈拴壁板削厚度怒。已龟知储烘罐直拜径D=推85浮.3论4m，高库度H=1锁9.5挥1m，底庙部三拾圈高舅度均抹为2.网43跃8m。试水竟时的许胸用应力[σ]虑=2戏1.透09捡kg森f/流mm2，焊芬缝系消数η=1汉.0。

第一圈

第二圈

第三圈

变点法

定点法

38.19mm

38.87mm

35.96mm

33.93mm

31.68mm

29.00mm

答案佳：立式抵圆柱选形油蜂罐直俩径和糊高度凶的选剖择设计油扣罐时首饲先接触蒜到的问红题便是抵油罐的苍基本尺清寸即油垄罐的直促径和高衣度。在侧一定容间积条件牢下，如定何确定星直径和棍高度使圾油罐的抚用钢量凑最小？规范规危定罐壁方最小壁损厚设计冬习惯祥罐顶应板和选罐地易板厚币度为榜罐壁艰最小爹壁厚优化目她标：费辉用最小任或金属吴用量最忌小。金属用群量的计望算与油骆罐的大腰小有关悄：当时，题，则港取胖，建帖造等炕壁厚罐；乞当侮时，厌必须妈建造葡变壁忆厚罐纺。油罐罐罩壁厚度俩关系图材料最窑省的油为罐直径胡和高度1.等壁倚厚油衰罐设罐壁送的最小扔厚度为域；罐重顶的厚泄度为淘罐底的踢厚度为林，则油淋罐的罐仙壁、罐柜顶、罐租底各部吉分的金槐属材料酱用量分维别为：罐壁：罐顶：罐底：油罐仆的用貌钢量岸：令：属，则条件浸：用拉虹格朗煤日乘咸数法盲求极该值构造函恶数则：结论：等壁厚费油罐的妹最大容拉积2.变壁油茅罐为了方仍便推导虫，忽略参罐内气竞压的影轧响，壁戴厚计算式塌取（1）金属归用量疏的计致算a:罐顶少与罐罩底的货金属躬用量b:为满足攻液压载哄荷罐壁造所必需圈的金属援用量c:上部定戴壁部分组无益消渐耗的金超属d:以下时之变辣壁部伍分无和益消缎耗的乌金属设变壁霜部分各蠢圈的高访度均为h，相邻径两圈壁筝板的高度珍差为e，则蚕变壁敞部分坑的圈乖数相似三同角形所以损油罐强的总华金属季用量油罐金欢属用量誓最小时等有即：因此煎，变索壁厚礼油罐恐的经位济高盼度与屑容积另无关陵。实挥际上知，油惩罐的国容积各越大酬，电越柴大，障因而H也越大祥。不过扔，随着课罐容的望增大，婆其罐壁覆高度的遥增加是幸缓慢的屿。罐壁的改开孔补移强由于灿使用垦要求匹，必仍须在说罐壁愈上开京孔并友接管治；开孔腾后的舞罐壁麦将在展孔的悄附近誓产生跌应力暖集中阴，导群致孔郊口疲题劳破冬坏或俘脆性碑裂口适，使赠孔口匀撕裂劈燕；补强士办法局：在阻开孔寺的周驱围焊斜上补划强钢防板，封增大煎开孔今周围妥的壁衬厚；“等截指面”补强方李法。补强板名形状开孔直钳径不超宏过25呀0m前m开孔氏直径翁超过25掠0m术m6.2立式婚钢油蚀罐的习抗风判设计油罐宏抗风烫稳定邻性差——直径锻大、贺敞口昼、薄钩壁结漂构抗风联措施——罐顶航设抗迹风圈炼；中芦间设复加强咬圈（呢一圈启或数脏圈）听。风载里荷的啦分布盏和计煮算一.风压惩的计年算风以一莲定速度裤吹在构固筑物上塘，产生晚风压；驻点袄两侧200弧长龄的风狭压值付最高徐，风笛压根颤据风象速计绒算。标准风裹速以一涛般平坦解地区，刊离地面10昼m高，30年一芬遇的10分钟汁平均定最大菠风速日为依战据。风速调与风裙压的帅关系悟可按哲牛顿渔公式恨计算革：二.储罐堤罐壁指的风富压分撑布分复析1.外壁的贸风压分晨布对于固秃定顶罐泄和敞口乳罐在试龟验风压绪为比时，株外壁风办压分布滴是不均抖匀的。从图锯中可密看出湖，只绞有迎飘风面迟中锣心角向所对钉应的进罐壁核是受倍压的精，其宋余罐合壁承旗受的溜是张双力。必最大栏风压残是盲所对主应的庸弧长削上，愚风压仰近似玻为常呈数，枣最大趁风压最发生越在驻冲点，州其值股为醒。罐壁价上风姿压分杨布罐壁棒上风斧压分屋布图2.内壁的湖风压分份布对于绣固定蝴顶储科罐风格载引五起的螺风压反仅存持在罐柴壁外誉部，械不存碎在内昏壁的睛风压篮分布院问题凉。对灾于敞涌口储造罐，迫由于铲风吹沸过时见引起通的抽份力，娘故罐拼内壁袜全部是负战压，相风洞伍试验恶表明当是负淘压值待为寺，挪位于驻点内合侧，而藏其余部瞒分的负尚压值变忍化不大吹，与驻杂点值相棉近。3.罐壁庭在外向压作甩用下滴的屈蔬曲特却征同样的出试验模颈型、实维验表明厕：风压暗的临界魄压力（即驻堆点处的茄最大不立失稳压括力）比弹均匀外作压作用深下的临爆界压力瓶约高冻左右。罐壁的棍外压失葬稳是由悦瞬时外拍压控制校，当外笋压保持闭在比临野界压力辛低一点带时，模括型不会厕出现屈除曲，一袄旦增压友至临界点压力，姨立即发甩生凹瘪惹。另外己，若是格罐壁制坟造时存漏在椭圆翁度或存辛在局部地凹瘪，欲这些部啦位在风宏压下会番提前失众稳。4.储罐温罐壁伙的设距计外魄压储罐的右外压包遮括风压糠和罐内沉负压两蛮部分。雨浮顶储作罐、固腾定顶储礼罐以及经内浮顶稠罐三者冷的外壁恐风压分阿布相同陵，内壁侄各不相岸同，故梳三者的戏设计外稼压是不标同的。对于敞构口油罐螺，设计虾风压按蜡下式计震算转换系异数－由10分钟恒最大肥平均杆风压坦折合昼成瞬垃时风唱压；高度答系数蔬－离疏地面10米高的塞基本风凡压折合输成实际伴高度高度捏系数——离地庙面10米高的够基本风虫压折合播成实际丽高度离地面或海面高度，m陆上海（岛）上510152030400.781.001.151.251.411.540.841.001.101.181.291.37固定神顶油骑罐式中：内浮忧顶油碎罐抗风圈小的设计降和计算抗风圈吗设置在子油罐的亡顶部，每通常位痰于包边赶角钢以颗下1m位置筒。抗风扎圈的青外形凭可以吩是圆果的，饿也可乐以是冷多边指形的拴。抗风圈员是由钢族板和型使钢拼装施成的组冻合断面占结构。抗风耽圈的稳刚度孩由截诊面系禁数确猴定。抗风稠圈的充结构SH3拆046基本丙风压查值取700羊Pa，距地导面15疫m。假设基迎风射面风衔压分捧布范奥围所裤对应华的抗申风圈赖区段干为两三端饺突支的怕圆拱惩，沿复拱铀母线的岩风呈熄正弦饿曲线浙分布粪，圆缩慧拱所穴对应镰的圆边心角狸为60度，并弹假设罐办壁上半童部分的粗迎风面言风压由蕉抗风圈配承担。式中：API回650BS险26拖54式中夏：JI桐S地B8甲50肆1式中：加强早圈的巩设计婶和计读算抗风迁圈以动下罐鸽壁仍栗有可土能被聚吹瘪袜，需歇设置谊加强厨圈。油罐冲是阶宫梯形业变断津面圆着筒，亿按当贿量高群度折寸算；将壁炉厚不歉同的捎各筒拣节折费算成刃直径戚相同过、稳崖定性醋相同孝的等怖壁厚翼圆筒茫，折浇算后论的筒勒节高抽度称结为当台量高货度；按折体算后尺的等云壁厚秒圆筒眉设计丈加强筑圈。当量塘高度凤计算一.SH脉30胸46推荐耗方法以薄壁熔短圆筒黎在外压袭作用下指的临界寄压力计涌算公式致基础，埋参照当检量高度伟的概念搅：加强圈年的数量衬及其位阁置加强圈数加强圈的位置0n例题一台浮疏顶油罐膜内径60m，高18m，罐壁勿由9层2m宽的圈挺板组成去，抗风鸦圈设在业离上口1m处，哪罐壁晴自上尊而下培的厚久度分浙别为10、10、10、12、14、16、18、20、23糊mm，建罐洒地区基蚀本风压龄求加垫强圈的菊个数，暂位置及信尺寸。解：（1）求设班计压候力P（2）求其中组：各圈斥的He值，列迹表如下讲：层次h，m

t，mmHe,m1234567891222222221010101214161820231221.2680.8620.6180.4600.3540.249（3）确定尊加强圈戴的个数纪与位置所以洪需设2个加忧强圈乞。第一个牧加强圈副：在当剂量筒体丝式上距抗圾风圈HE/3处；HE/3=8偿.8醋11冶/3炉=2厌.9轮37钩m，因功位于tm虚in处，故产无需折帐算。第二个猾加强圈教：在当灭量筒体态上距抗忆风圈2/脱3HE处；2/吊3HE=8.降8112/3=俭5.8象74m，因不梦在tmi迫n处，故站需折算跌，其距竟抗风圈竖的实际芹距离为命：（4）加强费圈的尺哲寸参阅略下表积，取毅加强华圈角辟钢为20莫010饿01响2mm。油罐直径Dm角钢圈（或同样截面系数的型钢）mmD2020<D3636<D48D>481006081257581501001020010012加强伐圈数模量和亮位置加强圈个数加强圈位置0n注：规范俊要求切加强割圈与虽环焊登缝之起间的建距离收应不拳少于150熟mm，若合计算晶值不弊满足择此要闻求，纳则需而对加曲强圈残的位皂置进导行调苏整，券要求尺调整谷后的庸两个热加强泪圈之巩间的型距离痰满足聪不大虹于旺或加搭强圈捎之间正节筒含的许咏用临御界压雷力大激于设赠计外蚁压。6.3浮顶的项结构与虚强度浮顶技油罐锯是在谜大中俊型油嫌罐罐盛顶中机最常扁见的爸结构潮形式冒；浮顶有济两种：双盘竖式：芦有上租下两瘦层盖趟板，鬼隔热柜效果盼好，蜘用来匹存放摩轻质阵油等性，多男用于50版00沉m3或更妥小的泉罐；单盘丑式：唐周边饭为环抽形浮覆船，奸中间释为单地盘，意多用座于50捧00沈m3以上的将罐。一.双盘式异浮顶二.单盘坐式浮望顶单盘友式浮龄顶周愚边为涉环形括浮船收，中谋间为议单盘园。单盘由违钢板搭允接而成荐，排板反的形式脆有两种产：单盘驰浮顶躁结构环形浮械船：由悔隔板分好隔成若素干互不枣渗漏的剩舱室；晚舱室的顺数目根溪据需要拍确定。立柱：狭设置若置干立柱红的目的坝有两方擦面：当液碍面处锣于较暖低的甘位置滨时，疲浮顶欺下降喷并支酸承在缠立柱救上，坐避免如与罐败内附蹈件碰夫撞；检修您时的股浮顶锈支于缺立柱云上。浮顶上劫有中央惰排水管遍：由若虑干段钢颠管组成却，管与队管之间竖有活动意接头。自动通旗气阀：匙使罐底理与浮顶种之间的诸空间接洋通大气述。转动扶惜梯：作旱为从罐宫壁盘梯泪的顶平党台到浮耽顶的通被道。导向利装置想：防攀止浮谷顶转驼动或趴偏移损。人孔全：每竿个舱扑室上嚷应