管道与储罐强度-油罐的应力分析

• 正对着风的一 点称为驻点， 驻点的风压值 最高； • 迎风面上大约 600范围受压， 其它部分是吸 力。
风压根据风速计算
V W0 2g 16
V
2
2
式中 W0 — —标准风压（基本风压 ）， kgf / m 2；
— —空气容重， 以1个大气压， 气温15 0 C ， 绝对干燥
时的数值为准。此时 1.2255 kgf / m 3 ; V — —标准风速，m / s； g — —重力加速度，m / s 2；
t1 — 储存预定介质时的设计厚度，mm； ρ — 储液密度，kg/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；
2、日本JIS B8501标准（定点法）
层号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
API650 29.14 25.949 20.703 17.426 13.802 10.258 8.111 5.088 0.864
壁厚比较
厚度 35 30 25 20 15 10 5 0 层号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 SH3036 API650 JIS B8501 BS2654
结构——抗风圈的扶梯穿过孔
SH3046
WZ 0.082 D H
2
WZ——截面模数 D——油罐内径； H——罐顶高度；
基本风压值取700Pa，距地面15m。
假设迎风面风压分布范围所对应的抗风圈区段为两端饺 支的圆拱，沿拱铀线的风呈正弦曲线分布，圆拱所对应 的圆心角为60度，并假设罐壁上半部分的迎风面风压由 抗风圈承担
D H 0.3 t C 0 .2 f m
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。
API650和BS2564
Z 0.058 D H 2
2
标准风速取45m/s，距地面9m。
JIS B8501
V Z 0.042 D H 1 45
2 2
标准风速取70m/s，距地面15m。
5.2.3 加强圈的设计和计算
• 抗风圈以下的罐壁，仍有可能被吹 扁，需设置加强圈。 • 风压失稳由不均匀分布外压造成，和 均匀外压失稳的临界压力相比，低 13.6%。罐壁失稳按均匀外压考虑。
解： （1）求设计压力P
P K 1 K 2 K zW 0
K 1 — —体型系数， 可取 1.5; K 2 — —转换系数， 可取 2.5; K z — —高度变化系数，查表， 并用线性插值法 1.25 1.15 Kz 18 15 1.15 1.21 20 15
四种标准计算的罐壁总重量比较（ kg）
820000 800000 780000 760000 740000 720000 700000 680000 660000 640000
SH3046 API650 JIS B8501 BS2654
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； • 补强的办法是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。
（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。
4、美国API650标准（变设计点法）
底圈罐壁板计算厚度
4.9 D H 0.3G t pt St
0 . 0696 D 1 . 06 t1t H
H St
DH S t
两者之中取最小值
各圈壁厚的变点计算法
hi 1 hi 1 当 1 .375时， t 0 i t 0 i 1 当 2 . 625 时， t 0 i t ai rt i 1 rt i 1 hi 1 h 2 . 625 时， t 0 i t ai t 0 i 1 t ai 2 . 1 i 1 当1 . 375 rt i 1 rt i 1
第5章
油罐的应力分析
• 油罐是油品储存的主要设施； • 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：
当量高度
• 油罐是阶梯形变断面圆筒，按当量高度 折算； • 将壁厚不同的各筒节折算成直径相同、 稳定性相同的等壁厚圆筒，折算后的筒 节高度称为当量高度； • 按折算后的等壁厚圆筒设计加强圈。
当量高度计算
5
t min He h t
式中 h ——折算前圈板的实际高 度，m； 壁厚，mm; t ——所计算的那层圈板的 tmin ——罐壁的最小厚度， mm； 厚度为tmin H e ——所计算的那层圈板在 时的当量高度， m。
x
壁厚
p x x R x
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。
罐体 结构 示意 图
• 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。
对于敞口油罐，设计风压按下式计算
P K 1 K 2 K zW 0
式中 P — —设计风压， kgf / m 2； K 1 — —体型系数， 可取 1.5; K 2 — —转换系数， 可取 2.5; K z — —高度变化系数，见下表 ; W0 — —标准风压， kgf / m 。
补强板形状
开孔直径不超 过250mm
开孔直径超 过250mm
5.2 立式钢油罐的抗风设计
• 油罐的抗风设计和计算很重要，国内外均 发生过在风力作用下罐壁产生局部失稳的 现象； • 抗风设计的主要措施是在罐顶加设抗风 圈，对大型油罐，除抗风圈外，在抗风圈 的下面还需加设一圈或数圈加强圈。
5.2.1 风载荷的分布和计算
hi-1——计算圈的下面一圈的圈板高，m； r——油罐半径，m； ti——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。
变点法到计算圈板底边的距离
x1 0.61 rt ai 320CH
x 2 100CH
式中
x3 1.22 rt ai
k k 1 C , 1 k k K
SH3046推荐方法 • 该方法以薄壁短圆筒在外压作用下的临界压力 计算公式为基础，参照当量高度的概念得出：
Pcr 1680
D
2 .5 min 1 .5
t
HE
kgf / m2； 式中 Pcr ——罐壁许用临界压力， tmin ——罐壁的最小厚度， mm； D ——油罐内径， m H E ——当量高度， m。
三式之中取最小值
t0i 1 t ai
变点法需反复试算迭代，计算工作量大
四种标准计算结果的比较（10万方罐）
遵循的标准规范 SH3046 JIS B8501 BS2654 32.43 30.49 29.31 28.38 22.68 25.65 24.33 19.44 21.98 20.27 16.2 18.32 16.22 12.96 14.65 12.16 9.72 10.99 8.95 9 8.09 6.45 6.48 6.07 0.81 0.81 0.76
5.1
立式油罐的罐壁强度设计
• 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；
罐壁承受的储液静压力
罐壁受力图
由于罐壁厚度较小，可忽略弯曲应力，按薄膜理论考 虑。
应力
p x x R x
P 1 .5 2 .25 1 .21 70 285 .9 kgf / m 2
（2）求[Pcr]
2 .5 t min Pcr 1680 1 .5 D HE
t min 10 mm ； D 60 m H E H e
各圈的He值，列表如下：
层次 1 2 3 4 5 6 7 8 9
– 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m3的浮顶油罐
最大储罐24万m3 ，国内80年代建造了4座10 m3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；