第六章_储罐

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3m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理论考虑应力0xxpxR0xpxR壁厚确定罐壁厚度需要考虑的因素•每层罐壁板的厚度不同；•每层罐壁板中的应力分布不均匀：–定点法：罐壁中最大应力发生在距下端300mm（1英尺）处；–变点法：按罐壁板中的最大应力考虑；•焊缝系数；•腐蚀裕量。6.1.1确定罐壁厚度的几种标准•中国SH3046标准（定点法）•日本JISB8501标准（定点法）•英国BS2654标准（定点法）•美国API650标准（变点法）1、中国SH3046标准（定点法）t1—储存预定介质时的设计厚度，mm；ρ—储液密度，t/m3；H—计算的罐壁板底边至设计储液高度的距离，m；D—储罐内直径，m；[σ]—常温下罐壁钢板的许用应力，MPa；Φ—焊缝系数，一般取0.9；C1—钢板厚度负偏差，mm；C2—腐蚀裕量，mm。1124.90.3[]HDtCC2、日本JISB8501标准（定点法）t—最小板厚，mm；ρ—储液比重（当小于1时，取1）；H—由该段壁板的下端至设计液位的高度，m；D—储罐内直径，m；fm—母材的许用应力，MPa；Φ—焊缝效率，一般取1.0，其中第一层取0.85；C—腐蚀裕量，mm。CfHDtm2.03.03、英国BS2654标准定点法计算t—最小板厚，mm；w—储液密度，g/ml（取值不得小于1）；H—由该段壁板的下端至设计液位的高度，m；D—储罐内直径，m；S—设计许用应力，MPa；P—设计压力，mbar(对无压储罐可忽略不计)；C—腐蚀裕量，mm。CPHwSDt])3.0(98[204、美国API650标准（变点法）底圈罐壁板计算厚度CCtt200两者之中取最小值底圈罐壁板设计厚度腐蚀裕量。钢板厚度允许负偏差；罐壁计算厚度；罐壁的设计厚度；,,,,00CCttHDHHDt9.40696.006.101DHt)3.0(9.401第二圈及其以上各圈壁厚的变点计算法hi-1——计算圈的下面一圈的圈板高，m；r——油罐半径，m；t0i——所需计算的第i圈的罐壁计算厚度，mm；tai——根据变点位置求得的第i圈的壁厚值，mm。100)1(01375.1iiiittrth时，当aiiiittrth0)1(01625.2时，当)1(01)1(00)1(0125.11.2)(625.2375.1iiaiiaiiiirthttttrth时，当式中：min2[]iaiHXDt100.610.32aiixrtCH2ixCH0322.1airtxaiittKkkkkC10,11三式之中取最小值定点法初步计算Xmin=0.300.32[]iaiHDt00,aiaiaiaitttt若则计算结束；否则＝，重复执行。例1已知50000m3储罐直径D=60m，罐壁高H=19.35m，最高液位18.35m，每圈壁板高度为1.93m。试水时的许用应力[σ]=21.43kgf/mm2，焊缝系数η=0.9。要求用变点设计法计算在充水条件下最下面3圈壁板的计算厚度。答案：第一圈第二圈第三圈壁板的计算厚度28.07mm25.76mm21.07mm例2试以变点法确定在试水情况下的储罐底部三圈壁板厚度。已知储罐直径D=85.34m，高度H=19.51m，底部三圈高度均为2.438m。试水时的许用应力[σ]=21.09kgf/mm2，焊缝系数η=1.0。第一圈第二圈第三圈变点法定点法38.19mm38.87mm35.96mm33.93mm31.68mm29.00mm答案：6.1.2立式圆柱形油罐直径和高度的选择设计油罐时首先接触到的问题便是油罐的基本尺寸即油罐的直径和高度。在一定容积条件下，如何确定直径和高度使油罐的用钢量最小？规范规定罐壁最小壁厚设计习惯罐顶板和罐地板厚度为罐壁最小壁厚优化目标：费用最小或金属用量最小。金属用量的计算与油罐的大小有关：当时，，则取，建造等壁厚罐；当时，必须建造变壁厚罐。crVVmin0sttminsttcrVV油罐罐壁厚度关系图材料最省的油罐直径和高度1.等壁厚油罐设罐壁的最小厚度为；罐顶的厚度为罐底的厚度为，则油罐的罐壁、罐顶、罐底各部分的金属材料用量分别为：罐壁：罐顶：罐底：min2ssRHtQrtminstbtrrtRQ2bbtRQ2油罐的用钢量：令：，则条件：brsQQQQ)(22minbrsttRRHtbrtt2min2RRHtQsHRV2用拉格朗日乘数法求极值构造函数则：)(222minVHRmRRHtfs000mfRfHfHRVmRHRHtmRRtss2min2min022202HRVmRHRHtmRtss2minmin002HRVHtRs2min0HRVtRHs2min32min23minsstVHVtR结论：2minminminmin,2)2()1(RQQRHtQHtRQtRHrbssss代入将32minmin3VtQsmin21QQQQsrb有：等壁厚油罐的最大容积crVmin2min332min1342minsssscrHRtVtVRHttV其中：＝罐。时，则应建造变壁厚油当容积大于，最大容积约为由此可知：等壁油罐的代入上式得：将333min231000100011770.1,4,1600,001.0mmmVmmtttcmkgfcmkgfcrbrs2.变壁油罐为了方便推导，忽略罐内气压的影响，壁厚计算式取（1）金属用量的计算a:罐顶与罐底的金属用量sHRtHVRQ21b:为满足液压载荷罐壁所必需的金属用量c:上部定壁部分无益消耗的金属d:以下之变壁部分无益消耗的金属HVHHRHRHRHtRQs22222minminminmin1322sssstRtRttHRQ1H4Q设变壁部分各圈的高度均为h，相邻两圈壁板的高度差为e，则变壁部分的圈数hHHn14112()()2hehRQRnRHHeRHHhRHhV1相似三角形1minHhtes所以油罐的总金属用量油罐金属用量最小时有即：4321QQQQQhHRhVtHVHVs122min012VHVdHdQH因此，变壁厚油罐的经济高度与容积无关。实际上，油罐的容积越大，越大，因而H也越大。不过，随着罐容的增大，其罐壁高度的增加是缓慢的。6.1.3罐壁的开孔补强•由于使用要求，必须在罐壁上开孔并接管；•开孔后的罐壁将在孔的附近产生应力集中，导致孔口疲劳破坏或脆性裂口，使孔口撕裂；•补强办法：在开孔的周围焊上补强钢板，增大开孔周围的壁厚；•“等截面”补强方法。补强板形状开孔直径不超过250mm开孔直径超过250mm6.2立式钢油罐的抗风设计•油罐抗风稳定性差——直径大、敞口、薄壁结构•抗风措施——罐顶设抗风圈；中间设加强圈（一圈或数圈）。6.2.1风载荷的分布和计算一.风压的计算•风以一定速度吹在构筑物上，产生风压；•驻点两侧200弧长的风压值最高，风压根据风速计算。•标准风速以一般平坦地区，离地面10m高，30年一遇的10分钟平均最大风速为依据。•风速与风压的关系可按牛顿公式计算：162220VgVW;;;mkgf2255.115mmHg760;23020