大型立式储油罐的结构设计

摘要本设计的题目是大型立式储油罐的机构设计。顾名思义，大型立式储油罐的作用便是用来大规模储藏油类原材料的封闭容器。本设计的尺寸大小为直径15m，长度10.5m，材质16Mn，壁厚10mm的大型立式储罐。本文的目的是对大型储油罐依据国内以及国际的现状和发展趋势对大型立式储油罐进行的结构设计。使我国的大型立式储油罐的结构设计方案更符合我国的国情和满足国内的对于大型储罐的需求。液化油体等具有易燃易爆的特点，大型立式储油罐属于具有较大危险的储存容器。针对液化石油气储罐的危险特性，结合本专业《过程设备与压力容器设计》所学的知识，在设计上充分考虑液大型立式储油罐各项参数，确保大型立式储油罐能安全运行，对化工行业具有重要的现实意义。目前，全世界公认的储罐大型话的优点有：占地总面积相对较小；节省建造罐体的总体资金（包括管网和配件等） ；节省钢材的消耗量和工程中的材料等；使储藏和运输过程变得更加便捷。但是储罐大型化发展而产生的新问题也有很多，例如：对管板壁材料的要求提高了。在储罐大型化的同时，对焊接的技术也变得具有更高的要求；事故产生危险的可能性大大增加，消防安全措施也要随之增强 [3]。本次设计有以下过程：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。本次设计的有以下设计任务： 1.罐体经济尺寸的选择； 2.罐壁的设计；包括罐壁的强度计算，罐体风力的稳定计算，罐体的抗震设计,罐壁的结构设计等。3.储罐罐底的设计；4.储罐罐顶的设计；5.贮罐附件的设计及选用；6。焊接工艺等内容。经过设计后的大型立式储油罐具有建造时间段，施工方式简单，储油量大，抗腐蚀能力强，保养维护便捷，降低了安全事故发生的概率，使用时间更长等优点。关键词:结构设计；强度计算； 设计优点AbstractThetopicofthisdesignisalargeverticalstoragetanksofmechanismdesign.Asthenameimplies,largeverticalstoragetanksistoformlarge-scalestorageoilclosedcontainerofrawmaterials.Thedesignofthesizefor15mindiameter,lengthis10.5m,16Mn,materialthicknessof10mmlargeverticalstoragetanks.Thepurposeofthisarticleistolargeoiltanksonthebasisofthestatusquoanddevelopmenttrendofdomesticandinternationalforthestructuredesignoflargeverticalstoragetanks.ThestructuredesignschemeoflargeverticalstoragetanksinChinaconformstoChina'snationalconditionsandmeetthedomesticdemandforlargestoragetank.Liquefiedoilbodyhasthecharacteristicsofflammableandexplosive,suchaslargeverticalstoragetankswithlargerdangerbelongstostoragecontainers.Basedonthedangerouscharacteristicsofliquefiedpetroleumgasstoragetank,andcombinedwiththeprofessionalprocessequipmentandpressurevesseldesignknowledge,onthedesignfullyconsiderfluidlargeverticalstoragetanksofvariousparameters,ensurethesafeoperationoflargevertical storagetanks,the chemicalindustry hasimportant practicalsignificance.Atpresent,theworldrecognizedtheadvantagesoflargestoragetankwordsare:coveringatotalareaofrelativelysmall;Savetobuildtankstotalcapital(includingpipeandfittings,etc.);Savetheconsumptionofsteelandengineeringofmaterials,etc.;Thestorageandtransportationbecomemoreconvenient.However,thedevelopmentoflarge-scalestoragetank,andalsohasalotofnewproblems,suchas:therequirementofpipewallmaterialsincreased.Inlarge-scalestoragetankatthesametime,thetechnologyhasbecomeahigherrequirementsforwelding;Accidentshavegreatlyincreasesthepossibilityofdanger,firesafetymeasureswillalsogrow.Thisdesignhasthefollowingprocess:1.Towritethestructureofseveralkindsofdesignscheme.2.Thestrengthcalculationandsizeselection.3.Drawthestructuredesign.4.Writethemaintechnologicalprocess.5.Writethedesignspecification.Thisdesignhasthefollowingdesigntask:1.Theeconomyoftanksizechoice;2.Thedesignofthetankwall;Includingthetankwallstrengthcalculation,windstabilitycalculationoftank,seismicdesignofthetanks,tankwallstructuredesign,etc.3.Thedesignofthetankbottom;4.Thedesignofthetankroof;5.Thedesignoftankaccessoriesandselection;6.Weldingtechnologyandsoon.Afterthedesignoflargeverticalstoragetankswithconstructionperiod,constructionsimple,bigoil,corrosionresistanceisstrong,themaintenanceisconvenient,reducetheprobabilityofsafetyaccidents,advantagesofusingtimeislonger.keywords:Thestructuredesign;Strengthcalculation; Designadvantages目录第一章绪论.............................................................................................11.1储罐的发展概况................................................................................3第二章设计方案.....................................................................................42.1各种设计方法....................................................................................42.1.1正装法...........................................................................................42.1.2倒装法...........................................................................................42.2各种方法优缺点比较........................................................................72.2.1正装法...........................................................................................72.2.2倒装法...........................................................................................82.3油罐的基础........................................................................................8第三章罐壁设计...................................................................................103.1罐壁的强度计算..............................................................................103.1.1罐壁厚的计算.............................................................................103.1.2罐壁的应力校核.......................................................................123.2储罐的风力稳定计算......................................................................123.2.1抗风圈.........................................................................................123.2.2抗风圈所需要的最小截面系数WZ.........................................133.2.3加强圈计算.................................................................................153.3储罐的抗震计算................................................................................173.3.1地震载荷的计算...........................................................................173.3.2抗震验算.......................................................................................193.3.3液面晃动波高计算.......................................................................213.3.4地震对储罐的破坏.......................................................................223.3.5储罐抗震加固措施.......................................................................223.4罐壁结构............................................................................................223.4.1截面与连接形式...........................................................................223.4.2罐壁的开孔补强...........................................................................253.4.3罐壁保温结构...............................................................................25第四章罐底设计.....................................................................................264.1罐底结构设计....................................................................................264.1.1罐底的结构形式和特点...............................................................264.1.2罐底的排板形式与节点...............................................................264.2.1中幅板的薄膜力...........................................................................28第五章罐顶设计...................................................................................325.1拱顶结构及主要的几何尺寸............................................................325.2扇形顶板尺寸....................................................................................335.3包边角钢............................................................................................34第六章贮罐附件及其选用.....................................................................376.1人孔....................................................................................................376.2通气孔 386.3量液孔 396.4贮罐进出液口 396.5法兰和垫片 39第七章 焊接工艺 407.1板材检验 407.2 钢材的矫形：净化与板加工 407.3焊接材料的选用 407.4贮罐底板、壁板、顶板制造、组装与焊接 417.5壁板的制造与安装 427.6 顶盖的组装与焊接 427.7 焊缝的检验和总体试验 43参考文献 44致谢 45沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论1沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论2沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1储罐的发展概况油品和各种液体化学品的储存设备 —大型储罐是石油化工装置和储运系统设施中非常重要的部分。由于大型储罐的容积大、使用寿命长。设计规范制造的费用相比较低，使用的材料较少，很节约。自从 20世纪70年代以来，发展比较快的是内浮顶储油罐和大型浮顶油罐。法国是第一个发展油罐内部覆盖层的。 美国在此后也开始建造此种储罐。一些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， 对储罐进行动态以及静态的技术分析， 同时关于储罐的重要理论问题，如对大型储罐 T形焊缝部位的疲劳进行分析，，以及关于抗震分析等，以试验分析为基础深入的进行研究，大量的数据都来源于实验， 进而验证了理论的准确性，从而使研究变得更加具有使用价值和发展前景。近几十年来，世界各国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。3沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 设计方案第二章 设计方案2.1各种设计方法2.1.1正装法正装法施工时大型储罐的常规采用的施工方法， 原理为：罐底施工完成后，施工最下面一层管壁按照从下至上的顺序依次施工到顶层， 先整圈壁组对焊接后成为一个筒体，然后与罐底板组焊大角焊缝，之后在第一圈上安装第二圈壁板， 逐层向上施工，直至最顶层。2.1.2倒装法大型储罐倒装法施工工艺作为新型的大型福鼎储罐施工工艺，施工优势明显，存在的主要风险是提升过程中罐体倾斜。某工程中通过重新设计液压顶装置并计算分析承载力，限制其施工载荷来最大限度地使罐体在顶升过程中保持平稳，保障施工过程的安全质量。现场达到了标准化、制度化、规范化的安全施工。大型储罐倒装法施工工艺在施工上优势明显；减少了大量的高空作业时间、人员操作方便、施工的效率比较高、施工质量能在控制范围之内、安全性大大提高。大型储罐倒装法施工工艺采用倒装法组装壁板，液压缸作为提升工具，从最顶层壁板开始一次逐层提升，并随壁板的提升安装各层附件（抗风圈、加强圈、包边角钢等）。4沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 设计方案倒装法防倾斜安全技术措施1）液压提升系统2）液压缸的数量参照公式n＝k·p／T式中n为液压缸数量；k为安全系数；p为提升总重；T为液压缸吨位。液压缸提升系统设计：⑴在新的液压缸提升系统中，采用泵站控制液压缸，一个泵站控制 4个液压缸，60个液压缸由 15个泵站控制，15个泵站由一个总控制系统控制。采用分级控制系统可以精确地控制每个液压缸提升的高度，如若出现某一边的液压缸上升高度过快或者过慢，可以通过液压缸控制系统停止提升某一边液压缸来达到同步提升的效果。⑵液压缸提升示意如图 2-1所示。在液压缸提升系统中，在液压杆上加上一个带滚轮的撑杆，可以利用液压缸基座起到撑护的作用，避免因提升高度出现罐体的倾斜。5沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 设计方案图2.1液压缸提升抗风装置采用倒装法施工，上层罐壁提升后，需要悬空较长时间进行下层围板、立缝组对焊接作业。由于在提升过程中和提升到位后的围板过程中， 罐壁抵抗横向风能力较差，为保证安全施工，设计了抗风装置。该装置专为罐体抗风安全性考虑设计，立柱上下接头均采取铰链形式， 套管与胀圈焊接连接，套管侧面采用铰链结构，既满足受力结构，又便于安装拆除 (为组对、焊接、打磨工序提供操作空间 )。抗风装置的立柱在罐体提升前安装，提升到位后用方销子销在立柱与套管的间隙。 随罐体的提升高度和储罐容积确定安装数量，均匀布置 [4]。通过采用上述安全技术措施之后，倒装法施工大型储罐罐体倾斜得到有效的控制，在实际生产过程中未出现储罐倾斜， 储罐中心线垂直度的检查完全符合国家及行业标准。大型储罐制作安装施工属于高危作业， 为保证施工质量，安全快速地完成施6沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 设计方案工任务，采用倒装法施工安全可靠， 随着科学技术的不断发展和进步， 倒装法施工大型储罐将得到越来越广泛的应用。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。2.2各种方法优缺点比较2.2.1正装法优点：这种装焊方法充分利用了大型吊装设备的各种作用，能加大预置得深度，便于掌握，易于推广储罐的自动焊接技术，对于50000m3~100000m3浮顶罐比较试用。缺点：对施工场地的要求为场地宽阔， 技术上存在一定的难度难度， 高空操作任务较多，存在安全隐患。需要多种设备和夹具的配合，一般情况下都要搭脚手架，此外，装配工作在吊架吊台上工作，第一、操作不方便，焊接质量会比较差，需要花费的时间也会很多，第二、高空焊接薄钢很容易受到影响从而使材料产生形变， 工序较为烦琐，工种之间可能会相互制约，从而使施工期延迟，存在安全隐患，因此在大型储罐中很少人在设计中采用正装法。7沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 设计方案2.2.2倒装法优点：（1）施工速度快，工作效率高。（2）这种方法不用搭脚手架，避免了高空作业，安全增加，有利于提高工程质量。（3）所需的起重设备及其施工工具比较简单。但相比于卷装法来说，由于倒装法也是在工地作用，因此劳动强度还是比较大，而卷装法生产效率和产品质量上都比前两中大有提高。 z综上所述，采用卷装法。2.3油罐的基础为了确保有一个稳定性，排水良好，具有足够承载能力，必须建造油罐基础或底座，大的油罐常需带有混淋土的基础，以便把整个基础封闭起来，增加稳定性。油罐基础座，根据油罐的类型，容易满足生产使用要求，地形、地貌、地基条件，以及施工技术条件的因素。合理选用的油罐基础有以下常见几种： [7](1)护坡型基础:一般用于地基较好时的拱顶式钢油罐或容积小于10000立方米的浮顶式钢油罐。(2)环梁式基础:一般用于地基较差时的浮顶式钢油罐或容积大于5000m3的大型拱顶式钢制油罐。高座式基础:一般用于容积小于1000m3,用于储存强腐蚀性介质材料或不需要利用油泵的自流卸钢油罐。8沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 设计方案环台式基础一般用于大型容积为5000m3及其以上的浮顶式钢油罐。图2-2油罐的各种基础9沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计第三章 罐壁设计3.1罐壁的强度计算3.1.1罐壁厚的计算PPiC(mm)（3-1）2[]tP式中：P—设计压力：0.2（Mpa）；Pi—罐的内径：15000（mm）；[ ]t—设计温度下材料的许用应力 230（Mpa）；—焊缝系数：查表得 0.9；C1—钢板的负偏差0.8（mm）；C2—腐蚀裕度C2 KB；K—腐蚀，轻微腐蚀 1.0（mm）；B—容器的使用寿命 10年；C3—壁厚减薄量0（mm）；0.2 150001.8 9.04 10mm2 230 0.9 0.2取10mm大型储罐的圆筒形罐壁承受储液的静压， 此静液压是按照三角形分布， 由上至下逐渐增大，故罐壁厚度也由上至下逐渐增厚。但是，在实际工程中不可能釆用连续变化截面厚度的钢板去制造储罐，故在设计中只能根据钢板规格，釆用逐级增厚的阶梯形变截面壁。10沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计装储液时：[p0液（h30）]Rc1液[][0.0180.00082（h30）]1563.4=20.10.1141480.000645(h30)11700.85P0—剩余压力30）R=0.001（h30）1563.4试水时：水20.000771(h30)水（h[]11700.85由此计算出各圈板的厚度，按储液及试水时两者较大者作为计算壁厚， 计算结果见表。（圈板号由上至下排列）表计算壁厚（单位：cm）hh-30最小计算厚圈板号液水度11701400.204480.107940.2123403100.3140980.239010.3235104800.4237480.370080.4346806500.5333980.501150.5458508200.6430480.632220.65610209900.7526980.763290.777119011600.8623480.894360.9081303.01273.00.9352330.9814830.99计算出最小壁厚后，罐壁的取值尚须考虑以下几个方面。①钢板负公差：钢板出厂时允许存在一定的厚度偏差，见参考文献 [1]第55页表3-2，各层圈板的实际厚度为：11沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计2.4; 3.5; 4.7; 5.9; 7.1; 8.4; 9.7; 10.6 (单位：mm)②考虑到钢板的规格和最小壁厚要求等因素最终确定钢板的名义厚度为： （见参考文献[1]第56页表3-3和表3-4)6; 6; 6; 6; 8; 9; 10; 11 (单位：mm）3.1.2 罐壁的应力校核tpDi(c)0.215000(101.8)（3-2）2(c)203.36MPa230MPa2(101.8)0.9因此该结论满足材料要求按照试验应力公式校核TPT[Di(c)]0.9s（3-3）2(c)式中：s—为材料的屈服极限s345MPa,PT0.2MPa0.25[15000(101.8)T2(101.8)254.2MPa0.90.9s0.9345MPa310.5MPaT254.2MPa0.9s310.5MPa故满足要求。3.2储罐的风力稳定计算3.2.1抗风圈[8]浮顶储罐没有固定顶盖，敞口的油罐应设置抗风圈以保持油罐受风载荷时的圆12沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计度。以维持储罐整体形状，故需在储罐的顶部设置抗风圈， 我国通常将抗风圈置于包边角钢以下的一米的位置上。抗风圈的外形有圆形的，也有多边形的，它是由钢板和型钢拼装组成的组合断面结构。3.2.2 抗风圈所需要的最小截面系数 WZ假定作用月储罐外壁还风面的风后按正弦曲线分布。 风取分布范围所对应的抗风圈区段为两段较的圆拱，如图 3.1[4]所示，圆拱所对应的圆心角为 60°图3.1抗风圈区段储罐上半部罐壁所承受的风载荷有抗风圈承担ZMmzx（3-4）[]式中Z—抗风圈所必须的最小截面系数（m3）；[]—材料许用应力（Mpa）；13沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计且 s 345MPa [ ] 0.9 345 310.5MPaMmzx—圆拱的跨中弯矩（N·m）；P0R2（3-5）Mmax21式中R—储罐半径.（m）；—圆拱对应的圆心角601.047弧度；P0—罐壁驻点线上单位弧长的风载荷（ N·m）；由风洞实验得出P00.5（0.8P10.8H）0.32P1H（3-6）H—罐壁全高（m）；P1—设计风速（N/m2）；P1K1K10其中体形系数K1=H0.7,风速高度变化，系数K21.15(取离地15m高处的值)D则有Z0.07D2HW0（3-7）式中D—储罐直径（m）；0—建罐地区的基本风速（N/m2）；查表得550（N/m2）；Z—抗风圈所必须的最小截面系数（mm3）；在选择抗风圈截面时，应满足使抗风圈的截面系数则有:

min ZP10.71.15550442.75N/m2P00.32P1H0.32442.7510.51487.64N/m14沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计MmaxP07.523.14210467.47N/m11.0472Mmax10467.47107mm3Z]3.37[310.5取min3.5104mm3抗风圈的外周边可以是圆形或多边型， 它可以采用型钢或型钢与钢板的组合件制成。所用的钢板最小厚度为 5mm。角钢的最小尺寸为 63×6，如图所示抗风圈形式。为满足强度条件，抗风圈本身的接头必须采用全焊透的对接焊缝， 抗风圈与罐壁之间的焊接，上表面采用连续满角焊，下面可采用断焊。3.2.3 加强圈计算[12]设置加强圈的目的就是为了防止油罐下部筒体被吹瘪， 加强圈的功能是在罐壁上形成节线圈。当两个节线圈之间的罐壁许用临界压力大于设计外压时， 我们可以判定该罐体具有一定的抗风能力。判定储罐的侧压稳定条件为：PcrP0(3-8)式中Pcr—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2.59E2.5Pcr1.5L（3-9）D15沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计式中Pcr—临界压力（Pa）；9E—圆筒材料的弹性模量：192×10（Pa）；—圆筒壁厚（m）；D—圆筒直径（m）；L—圆角长度（m）；Pcr2.59192109(10103)2.50.82104Pa151.510.5罐壁设计外压计算罐壁设计外压用下式表示，即P02.25SZw0q（3-10）式中P0—罐壁设计外压（Pa）；—风载荷体形系数；—风压高度变化系数；w0 —基本风压（Pa）；—罐内负压（Pa）；对固定顶储罐，罐壁的设计外压计算公式为：0P02.25Zw0q（3-11）w0—基本风压（Pa）；—风载荷体形系数；P0 2.25 1.0 550 1.2 800 0.03 1266.3Pa PCr故满足要求。16沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计加强圈数量及间距由于 Pcr>P0，所以在罐壁上不需要设置加强圈。3.3储罐的抗震计算3.3.1地震载荷的计算关于自震周期的计算储罐的罐液耦连震动基本自震周期是：HwHw]DDT17.743105[eD0.7147（3-12）D3式中T1—储罐的罐液耦连震动基本自震周期（s）；e—自然对数的底：2.718；Hw—储罐底面到储液面的高度： 10.5m；D—储罐的内直径：15mm3—位于罐壁高度 1/3处的罐壁名义厚度：10×10-3m10.50.714710.5]1515则T17.743105[(2.718)15101.131102(s)15103水平地震作用几效应计算FHKZmeqg（3-14）meqmL（3-15）式中 FH—储罐的水平地震作用（N）；—水平地震影响系数，按罐液耦连震动基本自震周期确定meq—等效质量（Kg）；17沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计mL—储液质量（Kg）；g—重力加速度取9.81m/s2—动液系数；KZ—综合影响系数取KZ；=0.4mLV油800Kg/m3D2H80015210.51483650kg44meq0.017148365025222.05KgFH0.40.8225222.059.8181156.49N水平地震作用对罐底的倾覆力矩M1=0.45 FHHW 0.45 81156.49 10.5 383464.42N/m罐壁竖向稳定许用临界应力计算第一周罐壁的竖向稳定临界应力crKCE1（3-16）D1KCHD1]（3-17）0.0915[10.0429][10.17061H第一周罐壁稳定许用临界应力[cr]cr（3-18）1.5式中E—罐壁材料的弹性模量（Pa）；D1—第一圈罐壁的平均直径（ m）；1—第一圈罐壁的有效厚度（ m）；H—罐壁的高度（m）； KC—系数； —设备重要度差别；18沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计KC0.0915[10.042910.5][10.170615.030]0.1650.01010.5KCE10.1651921060.010107PacrD12.1115.030[cr]cr2.111071.41107Pa1.51.51.003.3.2抗震验算罐底周边单位长度上的提离力4M1Ft （3-19）D12FL0byHWSg（3-20）式中 Ft—罐底周边单位长度上的提离力（ N/m）；FL0—储液和罐底的最大提离反抗力（ N/m）；当其值大于0.02HwD1Sg时，取0.02HwD1Sg；y—罐底环形边缘板的屈服点（ Pa）；罐底环形边缘的有效厚度（m)PX—储液密度（Kg/m3）；(P0gy)D[(1013251.259.8110.5)]15.03076.24Pay[]1062b10620.010Ft4383464.422.16103N/m15.032FL00.01076.2410.58009.8125.06N/m0.02HWD1Sg0.0210.58009.8115.0302.48104N/m19沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计FL0 0.02HWD1 Sg FL0 25.06N/m罐底周边单位长度上的提离反抗力FLFL0N1（3-21）D1式中FL—罐底周遍单位长度上的提离反抗力（ N/m）；N1—第一圈罐壁底部所承受的重力（ N）；N1mLg14836509.811.46106NFL25.061.461073.09105N/m3.1415.03无锚固储罐应满足的条件罐底部压应力CN1M1（3-22）A1Z1式中C—罐壁底部的竖向压应力（Pa）；A1—第一圈罐壁的截面积，A1D11(m);Z1—第一圈罐壁的截面抵抗矩，Z10.785D121（m）；c1.461070.785383464.423.12107Pa3.1415.030.01015.0320.010由于ccr所以采取用锚固螺栓通过螺栓座把储罐锚固在基储上。锚固螺栓应力[4M1N1]Dr（3-23）btnAbt20沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计bt [ bt]式中 bt—地脚螺栓的拉应力，若 bt 0，则地脚螺栓的拉应力为 0（Pa）；n—地脚螺栓的个数（20个）；Abt—个地脚螺栓的有效截面积（ m3）；Dr—地脚螺栓的中心圆直径（m）；[bt]—地脚螺栓抗震设计的许用应力（Pa）；[0]；[0]1.2[t]；[t]；[bt]230MPa[1.2230bt]276MPa1.00bt12[4383464.421.46106]2.32108Pa[bt]d0.07204故满足要求3.3.3液面晃动波高计算罐内液面晃动波高hV12R；21.850.08TW；式中 1—浮顶影响系数，取0.85；2—阻尼修正系数，当TW大于10s时，取 2=1.05；—地震影响系数，取 0.82；TW2Dch(3.68HW)18.87s10s（3-24）3.68gD故取2=1.05；21沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计hV 0.85 1.05 0.82 7.5 5.49m3.3.4地震对储罐的破坏相关实践表明，在水平地震作用下，储油罐会因为罐底提高而引起油罐的损坏，从而造成储油罐可靠度大幅度的下降。 因为大型立式储油罐的戒指多存在易燃、 易爆等特性，若其遭受到地震灾害，极易引起次生火灾，其后果不言而喻，随着大型立式储油罐的大范围使用，立式储油罐防震减灾能力也一次变得尤为重要。3.3.5储罐抗震加固措施当验算核实罐壁的厚度达不到抗震要求时， 必须增加添设补强板，加强环，支撑等加固措施。⑴加强板在最下层壁板圆孔以下罐内外沿罐壁圆周增设宽度不小于 300mm，并且厚度不可以小于 4mm的钢板加强，壁板底板要与加强板焊接牢固，并且焊接的质量一定要保证。⑵同时可在罐内或罐外设置加强环，加强环距离罐的水平焊缝，不得小于150mm。罐壁与加强环相互连接成型，储罐的直径决定了其截面的尺寸大小。3.4罐壁结构3.4.1截面与连接形式纵截面是由罐壁上若干个壁板组成，形状是一个阶梯型，由下至上逐级减薄。一般情况下，下壁板厚度要大于上壁板的厚度。22沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计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，这样既增加了焊缝的韧性和强度，还能够加强罐壁的刚性。当有液压作用时，纵向应力在罐壁中占据了主导地位。那么就是说罐壁的流度由罐壁的纵焊缝所决定。所以壁板的纵向焊接接头需要进行全焊透的对接类型。 我们平时常用的关于罐壁纵向焊接的接头如图 3-2所示。图3-2 罐底纵向焊接接头形式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。以内径为基准的对接如图 3.3。23沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计图3-3以内径为基准的环向对接接头形式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K2=K1[3]。图3-4 底层壁板与边缘板的焊接24沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 罐壁设计3.4.2罐壁的开孔补强储罐罐壁上的开孔，可以开为圆形或者椭圆形，当开控的形状为椭圆形时，孔的长径与短径之比需要不小于 2.0，椭圆形开孔的长轴方向为环形是最好的。开孔补强的计算方法采用等面积法，当圆孔的直径 D≤100mm时，可以不用考虑补强设计。3.4.3罐壁保温结构和罐壁相互焊接的保温结构在与罐壁电焊联接时， 应用罐壁焊缝施焊的焊接工艺和与罐壁材料相对应的焊接材料。从而避免对焊接过程对罐壁造成伤害。保温支撑件可以使用型钢或用扁钢焊接成型， 支撑件承面宽度小于保温层厚度大约10-20mm。支撑件间距，高温介质时小于等于2-3m，中低温的介质不大于3-5m。支撑件位置应设在阀门或者法兰上方，其位置不能影响未来进行螺栓拆卸工作25沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 罐底设计第四章 罐底设计4.1罐底结构设计4.1.1罐底的结构形式和特点采用倒圆锥形罐底。这种罐底及其基础特别像一个倒圆锥形。因此而命名，中间低四周高，罐底的坡度有 2%—5%。随排除污泥杂质，水分的要求高低而定。在罐底中央需要焊接一个集液槽，将沉降的污泥和存液在这个地方集中起来， 从而傍边由弯管自上或由下引出排放。这种罐底形式有以下特点：⑴液体放净口处于罐底中央。不管日后罐底如何变形，放净口总是处于罐底的最低点，这对排净沉降的杂质，水分，提高储存液体的质量十分有利。⑵因易于清洗，对于燃料油罐可以不再设置清扫孔。⑶倒圆锥形罐底可以增加储罐容量，储罐直径越大，罐底坡度越陡，可增加的容量越多。⑷因较少形成凹凸变形和较少沉积，可以改善罐底腐蚀状况。⑸罐底受力比较复杂，储罐基础设计，施工要求比正圆锥形罐底更加严格。4.1.2罐底的排板形式与节点罐底的排板形式根据储罐大小，控制焊接变形等制造工艺决定。对于直径大于12.5m的储罐，罐底外缘受罐作用力及边缘力较大，故底板的外周比中部厚。易采用26沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 罐底设计如下排板方法。如图 4.1[1]图4-1罐底排版图在边缘板与边缘板，边缘板与和幅板之间，以及中幅板之间的焊接可以采用搭接焊结构，也可以采用对接焊结构，例如：如图 4.2的焊接方式，选择对的接焊工艺。图4-2加垫板的V型破口图27沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 罐底设计罐底的排板模式选择带垫板的单面焊接的对接结构。 这种方法与采用传统的搭接焊接方式相比较，对接焊的焊接强度很高，能保持罐底的平整与稳定，节省罐底材料。但设计和施工过程要求严格，总的来说方法不如搭接焊方便。罐壁底圈与罐底的内外交焊缝都采用连续焊的方式， 焊接高度等同于罐底的边缘板厚度。当边缘板的厚度大于等于 10mm时，为改善受力的情况，从而避免应力的集中。4.2罐底的应力计算4.2.1中幅板的薄膜力2ML02M01（4-1）N1(1)21Rt0罐壁与边缘板之间的约束弯矩11(1)3l344(212L0M)1)240t1211(1Rt0M0（4-2）1117l(1)31211(1M)40tRt0式中t—边缘板厚（mm）；1—罐壁第一圈壁板特征系数，13(12)42；R21—泊松比，0.3；R—储罐半径，7.5m；28沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 罐底设计1—储罐第一圈厚度，10mm；t0—中幅板的平均厚度，6mm；L0—底板上的液压高度，10.5m；P—作用在罐底上的储液压力，P=gL0；—储液密度，800Kg/m3；L—边缘板弯曲刚度，14.03m；D—边缘板弯曲刚度DEt3；12(1M2)K—弹性地基系数（一般取为400KN/m2）；β—罐壁边缘板特征系数，3(1M2)4R2t2；P8.24104Pa；D192109831090.9104；12(10.32)43(10.32)5.25；143(10.32)4.58；222250.0150.00911(10)39.2010414.0330.3[24.58210.51]240844.58424.58(0.0100.7)M07.50.006111714.03(10)30.74.5824.580.0104087.50.0061.38106N/mNP212(8.2410421.38106)1.64105Pa514.032边缘板上表面的径向应力分布为边缘板上表面的环向应力分布为

N6x（4-3）xt2tN6Mx（4-4）yt2t29沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 罐底设计式中 x-边缘板受弯区域内任一点的弯矩 如图4-3所示的力的平衡关系图4-3力的平衡关系图再分别求出0xl及lxl的弯矩Mx222(pl3M0)xM0px2(0xl5l2)28pM0)x3117M0)x21pM0)l2l5l(l2(p12l2plx(42(xl)25252l2当x=0时xo1.38106N/m当x=l时2当xl时

xx

38.2410414.03211.381061.91106N/m4020所以当x=l时，x有最大值且x1.91106N/m2所以4.0610761.911064.99MPa2s690MPax8284.0610760.31.911062s690MPay825.02MPa8故均为安全。30沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 罐底设计4.3罐底焊接方式罐底板除弓形边缘板之间对接外，其余的如边缘板与中幅板之间、中幅板与中幅板之间均为搭接。边缘板与中幅板之间搭接宽度应大于 5倍板厚且不小于 25mm。在罐底与罐壁的联接出应用两侧连续角焊， 焊角高度等于边缘板的厚度，内侧的角焊缝应焊接为圆滑的不等边角焊，以此用来避免应力的集中分布。31沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 罐顶设计第五章 罐顶设计5.1拱顶结构及主要的几何尺寸5.1.1拱顶结构拱顶罐是目前立式圆柱形储油罐当中应用最广泛、 使用最多的一种罐顶形式，拱形的主体形状是球体，它本身是非常重要的结构，储罐没有衍架和立柱，结构很简单，刚性优秀，能承受较高的剩余压力（油品耗损非常低） ，钢材耗量少。拱顶盖的拱顶是球的第一部分，他由中心顶板、扇形顶板组成，当罐径比较大、顶板又较薄时，在顶板的内侧还应焊接加强肋。中心顶板又叫中心盖板，扇形顶板又叫瓜皮板。瓜皮板一般做成偶数，对称安排。罐顶的外侧应采用连续焊接，内侧间接焊接。拱顶盖有两种形式：一种是灌顶与罐壁的联接为圆弧过度相焊的结构， 他的边缘应力小，承压能力较高，但需要冲压成型，施工比较困难；另一种是采用包边角钢将拱顶与罐壁分焊接相联的结构，制造较方便，广泛用于承压较低的液体储罐。图5-1罐顶的简单结构32沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 罐顶设计5.1.2 拱顶的曲率半径因为在气体压力作用下，球顶与储罐壁厚度相等时球顶的强度为等直径立式圆柱形罐壁强度的 2倍。为了取得等强度，球顶直径是管壁直径的 2倍，即取球顶的曲率半径与油罐直径的差值不超过 20%[6]⑴拱顶的球面半径一般取 Rn=0.8～1.2D式中D-储罐直径，15m；取Rn=1.0D=15000mm0、、D2、a、b、根据图可知，有sin0=D1510=30°(5-1)2Rn2152sin0=D2(5-2)2Rn式中D2-中小孔直径，查表得D2=2000mmsin0=20000.06670=3.872°215000a-取25mmb-取30mm5.2扇形顶板尺寸扇形顶板的块数 n最好为偶数，扇形顶板小头的弧长 CD不得小于180mm，则瓜边板的展开式状。R1=Rtg 0=15000tg30°=8660.3mmR2=Rtg =15000tg4.096=1003.4mm33沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 罐顶设计ABD11=(1500040)40238872mmn20AD2R(0)215000(303.278)6889.90mm360360CDD22364mmn图5-2拱顶的几何尺寸及瓜板展开图5.3包边角钢包边角钢通常采用下图给出的 A、B两种形式。A型焊接工作量小，但角钢需要加热后冲压成型，比较麻烦。 B型焊接工作量大，但施工工艺比较简单容易。 B型每隔一段间距需加设筋板，筋板周围间距可取 1.5m左右。34沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 罐顶设计图5-3包角钢的型式表5.1包边角钢最小尺寸储罐内径D1m包边角钢最小尺寸，mm10<D≤20∠75×75×85.4球壳的设计5.4.1顶板厚度的选取拱顶顶板厚度与罐的大小有关。对于 1000m3或者更小的储罐，可采用光面球壳（不加筋），而较大的储罐采用加筋拱顶较为经济，使其在满足拱顶稳定性的情况下拱顶盖的重量是最轻的。35沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 罐顶设计国内拱顶罐的系列非常的多，目前而言并没有统一的标准。拱顶板厚度大致如下：公称容量/m3100100020003000500010000顶板厚度45或5*5*5*6*6*~7*/mm注：表中星号表示加筋5.5罐顶失稳破坏实例（《油气储运》1999年第3期）青岛石油化工厂 507号油罐为5000m3立式圆柱形拱顶钢油罐。灌顶各设一个 DN250机械呼吸阀和液压安全阀，下方均设有波纹型不锈钢丝阻火器；顶板厚度 6mm，顶板和筋板材质均为 Q235-AF。此罐原设计储存柴油，因此罐壁并没有进行保温处理，于 1992年11月29日放生了灌顶凹陷事故，面积超过60㎡，下陷最深处达到了 50cm，罐顶部分焊缝被拉伤，罐壁上部分出现了凹陷现象。原因分析：辣油存储温度为 65℃~75℃，由于油罐没有进行保温处理，需要长时间加热，油气上升时，温降梯度过大，容易导致石蜡油油气凝结在阻火器钢丝网上，是油罐护膝通道阻塞。还有，大流量的付油，使其负压超过了了限制，因此灌顶失稳。36沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第六章 贮罐附件及其选用第六章 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 750㎜，Di〉3000时，人孔直径不小于 500㎜，取600㎜。由于不需补强的最大孔径要满足下述全部要求： ⑴设计压力小于或等于 2.5Mpa；⑵两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的两倍； ⑶接管公称外径小于或等于㎜。由于89〈600，故需要开孔补强，采取密集补强等 :⑴适用范围：①适用于承受内压的圆角的径向单个原形开孔的补强设计。②两相邻开孔边缘的间距不得小于Din)e。③在圆筒上，最大开孔尺寸应在d0.5；④应与壳体焊成整体，2.5(2Di且采用全熔透焊缝，过滤部分打磨圆角。补强设计：d①所需补强面积，有 的大小确定。Di2所以d600=2.190.4Di150001022所以A0.75dmm237沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第六章 贮罐附件及其选用所以A 0.75 600 10 4500mm2②有效补强范围。对于圆筒有：Lc=0.472Pi

2Di

2322 10 3=0.472 1500015000=83.9mm故补强面积为A=4500mm2，补强板取Dg200材料16Mn6.2通气孔用于贮存易挥发介质的固定顶罐上再贮罐顶部靠近顶罐的中心处安装， 目的是起呼吸作用，如图 6-1所示：图6-1通气孔表6.1通气孔规格尺寸（mm）规格dDD1d1EHnDN20027527531520550324438沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第六章 贮罐附件及其选用6.3量液孔使用于安装有通气孔的贮罐，公称直径一般为 DN150安装于固定罐壁附近的顶部，往往在透气孔附近。用来测定液量或取样用。量液孔德正下方应避开加热器或其它设备， 其法兰要求水平，为了使量液孔严密，盖内侧刻有一圈特别的凹槽， 测量时，量液尺沿着导向槽放于罐底， 导向槽或量液孔壳应用有色金属（Al）制成，以免量液尺与其摩擦产生火花，而发生危险。6.4贮罐进出液口罐体的进液口应该开在罐顶位置，据罐壁位置约 750mm，孔径应取为300mm，罐体的出液口必须开在罐壁第一圈的位置，距罐底距离为 200mm，孔径大小取为300mm。6.5法兰和垫片法兰连接应满足的基本要求是： 法兰可靠，选择合理，如在操作压力和温度有浮动，介质有较强的腐蚀的情况下，仍能紧密不漏，保证生产的正常进行，有足够的抵抗所有作用力的强度和刚度；能保证装卸而不影响密封性能。要选择DN200的法兰，法兰材料为16MnR，匹配温度0°-30°，螺母材料为Q235。U型螺栓材料为M12。39沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第七章 焊接工艺第七章 焊接工艺焊接结构生产的一般工艺过程，如图 7.1所示，焊接时整个过程中的核心工序。材料零件装配焊接调整涂漆成品入库加工处理安装质量检验图7-1焊接工艺过程图7.1板材检验[15]首先检测板材是否合格。其次检查板材的质量是否有缺陷。7.2 钢材的矫形：净化与板加工净化常用方法用钢丝刷，砂纸等对刚才表面的锈迹进行清除。 材料在搬运和贮存中容易产生扭曲，弯曲，隆起等一些缺陷，在剪切冷割，焊接中也会容易产生变形，从而妨碍后面工作的进行，因此必须矫正。7.3焊接材料的选用40沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第七章 焊接工艺表7.1 焊接材料选用表焊条 焊剂手工电弧焊 J507或J506 4317.4贮罐底板、壁板、顶板制造、组装与焊接⑴底板制造①为补偿焊接收缩，罐底的排版直径比设计直径达 5-2mm；②罐底边缘板对接应采用机械加工自动或半自动加工③罐底板上任意两个相邻焊接接头之间的距离，以及边缘板对接接头距离底圈壁板纵焊缝的距离，不大于200mm⑵组装①组装底板铺设前，先在基础上，画出十字中线，安排板