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足球直播5000立方米储罐设计doc

发布时间:2021-06-08 00:17

  PAGE 36 PAGE 1 绪论 大型储罐的意义 有“工业血液”之称的原油作为国家重要的战略物资,是支撑国民经济发展和国家安全的重要支柱。随着我国国民经济的快速发展,石油短缺问题越来越严重。自1993年开始,我国已成为纯石油进口国,2000年我国原油、成品油进口总量约为七千万吨,2001年的进口总量约为六千万吨[1]刘庆成. 中国石油安全现状及未来对策分析[J]. 宏观经济管理,2004,(7): 25- [1]刘庆成. 中国石油安全现状及未来对策分析[J]. 宏观经济管理,2004,(7): 25-27. [2]韩文秀,裴建军.建立国家石油储备的国际经验和启示[J].宏观经济研究,2001,(12):54-59. 设计目的及要求 设计一个5000m3成品油储罐。设计压力:1.8KPa,容积:5000 m3,设计温度:0-45℃,设计风压:750Pa,地震烈度:7度。 国内外研究现状及发展趋势 国内大型储罐设计建造技术发展可分为四个阶段。第一阶段为整体技术引进,包括材料、设计技术及施工技术,如20世纪80年代中期在大庆、秦皇岛建设的10×104m3储罐;第二阶段实现了设计技术及施工技术国产化,仅高强度材料进口,如20世纪90年代在上海、镇海、兰州、黄岛等地建设的10×104m3储罐储罐;第三阶段全面实现了国产化,从高强度材料、设计技术及施工技术,如在北京燕山建设的4台10×104m3储罐。第四阶段是大型储罐的设计跨入世界先进行列,国内已设计建成15×104m3储罐,如在江苏仪征和甘肃兰州建设的15×104m3储罐。大型储罐在国外的发展起步较早,1962年美国首先建成10×104m3大型储罐;1967年委内瑞拉建成了15× [3]于清,王一军,许跃新,杨烈武.大型储罐设计技术的发展[J]. 新疆石油天然气,2006,(04):73-79,92. 设计理论、规范的选用 目前,在国外油罐工程建设项目中,使用的主要规范有美国的API650、英国的BS2654、日本的JISB8501等。其中广泛采用美国石油学会标准API650。事实上,API650标准已经成为国际上设计建造油罐的通用标准。通过对建成的大型油罐罐壁应力分析结果来看,采用API650标准进行设计,罐壁应力分布比较平缓,有利于提高油罐的安全性。鉴于上述原因,大型油罐采用美国石油学会标准API650进行设计比较合理。在以上几个国家储罐的设计标准中,罐壁强度的计算公式和系数的选取上有所不同,但基本理论都是根据储液的静压力作用在罐壁上所产生的环向应力,用定点法或变点法计算罐壁的厚度。 而在规范中的焊缝系数,则反映了一个国家的技术政策和技术水平,合理地确定焊缝系数关系到储罐的安全以及经济。在规范中,各国在焊缝系数选择上的差异比较大。储罐上的焊缝是储罐受力的薄弱环节,分析国内外大量的储罐破坏事故,多发生在焊缝或焊缝热影响区的金属部分。在一般情况下,焊缝金属强度和母材金属强度相等,足球直播甚至超过它。但由于焊缝和焊缝热影响区受高温影响强度削弱,因此,必须采用焊缝系数补偿焊接时可能产生的强度削弱,焊缝系数与无损探伤的技术水平也是直接相关的。世界上工业发达的国家,如美国和英国取的焊缝系数是φ=l。 依据我国的大型储罐的制造、施工水平和无损检验水平,储罐的设计标准中取焊缝系数φ=0.9还是比较符合中国的实际情况。但在设计容量大于5×104m3容积以上的大型油罐,我国的储罐设计标准,具有一定的局限性。应借鉴国外的设计规范,罐壁焊缝系数取φ=l比较符合中国的实际。大型储罐没计时,罐壁焊缝系数取φ=1在技术上是可行的。规范中各国罐壁高度H的选取,在SH3046标准中H为罐壁高度或溢流口高度,对于浮顶罐和拱顶罐在罐壁上无溢流口,因此计算罐壁时H取罐壁的实际高度。而在API650标准中H为储液高度,拱顶罐和浮顶罐的罐壁实际高度要高于储液高度l~1.5米,在其它参数相同时,按SH3046标准计算比按API650标准计算,每层罐壁约增加厚度1~4mm。因此按API650标准设计大型储罐可节省投资。 材料的发展 随着油罐的大型化而产生的主要问题之一就是对材料的要求更高。为了避免底层罐壁过厚带来的整体热处理问题和解决焊接问题,对于大型油罐的设计,均采用高强度钢。在日本,10×l04m3、12×l04m3、l6×l04m3大型油罐普遍使用屈服强度490MPa级的调质钢,例如spv490Q、WEL—TEN62等。这类材料强度高、韧性好、碳当量较低、焊接性能较好。事实上,这类材料的发展和推广促进了油罐的大型化。因此,大型油罐一般采用屈服强度490MPa 油罐用国产高强度钢板目前国内钢铁企业也在开发,其中武汉钢铁(集团)公司等单位研制的WH610D2钢板在燕山石化公司建造的4座10×l04m3浮顶油罐得到工业化应用。武钢联合有关单位自主研制的WH610D2钢板不仅具有高强度、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10×l04m3原油储罐长期依赖进口的历史局面。 对于强度级别更高的材料,如屈服强度在490MPa以上的材料,在国内外油罐建设上很少使用,没有成熟的经验。因此,目前大型油罐用材料不宜使用屈服强度超过490MPa以上的材料。 结构的发展 罐壁方面,油罐大型化的主要限制是罐壁钢板最大允许使用厚度的限制。目前国内外主要油罐规范允许的罐壁钢板最大使用厚度为45mm,按此计算,使用屈服强度490MPa的高强度材料所能够建造的油罐最大容量在20万立方米以下。如何能够在不突破最大允许使用厚度的前提下增大油罐的容量,解决这一问题的途径之一就是采用双壁(或多壁)油罐。这种双壁(或多壁)油罐称为液力平衡式油罐,采用液力平衡原理,在内层罐壁(亦称主罐壁)的下部外侧施加一个反向的力,从而降低内层罐壁所受的液压力,降低内层罐壁厚度。液力平衡式油罐是今后超大型油罐的发展方向之一,但其细节结构有待进一步探讨研究。 罐顶方面,大型油罐罐顶主要有浮顶、自支撑拱顶和柱支撑锥顶等。柱支撑锥顶的直径在理论上可以做的很大,可以满足大型油罐的要求。但其结构复杂,耗钢量大,对基础沉降的要求高,容易发生腐蚀等问题,往往会带来经济性差的问题。另外,柱支撑锥顶油罐很难设置浮盘,不宜用作储存易挥发的油品。由此看来柱支撑锥顶不是大型油罐的理想顶盖。自支撑拱顶具有结构简单,耗钢量小,对基础沉降的要求低等特点,在油罐上应用普遍。自支撑拱顶主要包括带肋壳拱顶、网壳式拱顶(包括子午线网壳、短程线网壳)、网架式拱顶、桁架式拱顶。网架式拱顶和桁架式拱顶由于材料消耗高、经济性差等原因,很少在油罐上使用。带肋壳拱顶适用于直径小于40米的油罐,不适合用于大型油罐。网壳式拱顶最适合用于大型油罐罐顶,具有结构简单、耗钢量小、施工简单等特点。钢制网壳式拱顶技术在国内得到了比较快的发展,计算理论和计算程序都比较成熟。目前国内已经建成5万立方米的钢制网壳式拱顶油罐(直径6O米)。铝制网壳式拱顶是一项新的技术,具有结构简单、安装方便、耐腐蚀、免维护、整体成本低等特点,在发达国家得到了广泛的使用,其设计技术、制造技术、安装都比较成熟,是大型拱顶的发展方向之一。国内此项技术处于起步阶段。目前大型油罐大多数采用外浮顶结构,主要原因是外浮顶油罐最经济,易于施工。外浮顶油罐主要用于储存原油,浮顶结构主要有单盘式和双盘式两种。 设计计算中面临的问题 大型立式储罐的分类 目前国内常用并有较成熟设计、制造和使用经验的大型立式储罐主要有以下几种。按压力分类有常压罐、低压罐、高压罐;按温度分类有低温罐(

  90℃)和高温罐(90~250℃)。按罐顶形式分有固定顶及浮顶储罐,对于浮顶储罐又有外浮顶、内浮顶、单浮盘、双浮盘等形式。 储罐大型化给设计、制造、使用带来的问题 储罐的容积增大,其危险性也增大,无论是储存油品还是储存化工原料,容积大了,一旦出了事故,所造成的危害也相应增大。储罐的容积增大,其罐底占地面积大,对储罐的基础沉陷要求就要提高。 (1)储罐基础的沉陷状况直接影响到储罐的安全,如果基础沉陷过大,就有可能造成罐底板变形,若罐底板变形所造成的应力过大,储罐底板焊缝就可能会出现裂缝。 (2)储罐基础沉降出现严重不均匀时会造成储罐罐壁倾斜,这种倾斜达到一定程度时,会对前面所提到的浮顶罐的操作造成影响,即由于罐壁的垂直度的原因,可能使在储罐内上下运行的浮盘出现卡盘现象。 (3)储罐基础周边沉降不均匀,危害最大。由于罐壁底圈板与罐底板的连接处属高应力区,如果基础周边沉降的不均匀量过大,会造成罐壁与底板的角焊缝及罐底边缘应力增大,可能会出现罐壁底圈板与罐底板间的焊缝撕裂[4]朱萍,石建明.大型立式圆筒形储罐设计中几个问题的探讨 [4]朱萍,石建明.大型立式圆筒形储罐设计中几个问题的探讨[j].化工装备技术, 2006,(04):16-21. 以上这些都会给设计、制造、使用大型立式储罐带来困难,在设计中应引起足够的重视。 储罐的罐壁设计 罐壁厚度 第一层罐壁厚度初计算 根据设计要求及具体分析,对于5000m3成品油储罐,由于储罐不是超大型的且设计压力不高,因此可以考虑罐壁材料初选为q235-a。对于成品油,考虑密度较大的柴油,其密度为833kg/m3。由于容积为5000m 罐壁的计算厚度按下列公式计算[5]gb50341-2003.立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范 [5]gb50341-2003.立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[s]. (3.1) (3.2) 式中 ——储存介质条件下罐壁板的计算厚度(mm); ——试水条件下罐壁板的计算厚度(mm); ——油罐内径(m); ——计算液位高度(m),从所计算的那圈罐壁板底端到罐壁包边角钢顶部的高度,或到溢流口下沿(有溢流口时)的高度; ——储液相对密度(取储液与水密度之比); ——设计温度下钢板的许用应力(mpa); ——常温下钢板的许用应力(mpa); ——焊接接头系数取;当标准规定的最低屈服强度大于390mpa时,底圈罐壁板取。 按国家标准,各种钢板的许用应力值如表3.1[6] [6]gb/t-3274.碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带[s]. 表3.1 钢板许用应力值 钢号 使用状态 板厚 (mm) 在下列温度(℃)下 的许用应力(mpa) ≤20 100 150 200 250 q235-a.f 热轧 ≤16 157 157 137 130 121 q235-a 热轧 ≤16 157 157 137 130 121 >16~40 150 150 130 124 114 q235-b 热轧 ≤16 157 157 137 130 121 >16~40 150 150 130 124 1 4 按板厚经过计算得: ,符合; 按板厚经过计算得: ,符合。 厚度附加量应按下式计算 (3.3) 式中 ——厚度附加量(mm); ——钢材厚度负偏差(mm);按钢材标准或订货要求确定;当钢板的负偏差不大于0.25mm时可忽略不计。 ——腐蚀裕量(mm);应根据使用环境、腐蚀特性、防护措施等因素确定。 根据gb709-2006规定,负偏差如表3.2[7] [7]gb709-2006.热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差[s]. 表3.2 钢板的厚度允许偏差 公称厚度 (mm) 下列公称宽度的厚度允许偏差(mm) ≤1500 >1500~2500 >2500~4000 3.0~5.0 ±0.45 ±0.55 ±0.65 >5.0~8.0 ±0.50 ±0.60 ±0.75 >8.0~15.0 ±0.55 ±0.65 ±0.80 >15.0~25.0 ±0.65 ±0.75 ±0.90 罐壁材料选为q235-a 根据gb150,在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢,不小于1mm;对于不锈钢,当介质的腐蚀性很微小时,可取[8]gb150.钢制压力容器[s] [8]gb150.钢制压力容器[s]. 综上所述,取,。故,所以储存介质条件下: ,圆整后得 试水条件下: ,圆整后得 罐壁板最小公称厚度规定 罐壁板的最小公称厚度不得小于(3.1)式与(3.2)式的计算厚度分别加各自壁厚附加量的较大值。 根据gb50341-2003规定,罐壁板的最小公称厚度不得小于表3.3。 表3.3 罐壁最小公称厚度 油罐内径(m) 罐壁最小公称厚度(mm) d

  60 10 所有罐层壁厚 按每层罐壁高度为1580mm计算有: 第一层罐壁壁厚:,经圆整后为12 ,经圆整后为11 第二层罐壁壁厚:,经圆整后为11 ,经圆整后为10 第三层罐壁壁厚:,经圆整后为10 ,经圆整后为9 第四层罐壁壁厚:,经圆整后为9 ,经圆整后为7 第五层罐壁壁厚:,经圆整后为7 ,经圆整后为6 第六层罐壁壁厚:,经圆整后为6 ,经圆整后为5 第七层和第八层所计算出的壁厚均小于6mm,由于对于内径为的储罐每层壁厚必须大于等于6mm,所以第七层和第八层的壁厚均为 罐壁排板与连接 ⑴罐壁相邻两层壁板的纵向接头应相互错开,最小距离应大于较厚壁板厚的5倍,且不得小于100mm。 ⑵上圈壁板厚度不得大于下圈壁板厚度。 ⑶罐壁板的纵环焊缝应采用对接内表面对齐。 ⑷对接接头应采用全焊透结构(见图3.1、图3.2),焊接接头的设计应符合现行国家标准《气焊手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》GB985[9]GB985.气焊手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸 [9]GB985.气焊手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸[S]. [10]GB986.埋弧焊焊缝坡口的基本形式与尺寸[S]. 图3.1 罐壁纵向对接接头 图3.2 罐壁环向对接接头 罐壁包边角钢 罐壁上端应设置包边角钢。包边角钢与罐壁的连接,可采用全焊透对接焊结构或搭接结构。包边角钢自身的对接焊缝必须全焊透。浮顶罐罐壁包边角钢的水平肢必须设置在罐壁外侧(图3.3)。 图3.3 包边角钢与罐壁连接接头 根据GB50341-2003规定,油罐罐壁上端包边角钢的最小尺寸,应符合表3.4、表3.5 NOTEREF _Ref294545219 \h \* MERGEFORMAT [5]。 表3.4 固定顶罐包边角钢的最小尺寸 油罐内径(m) 包边角钢尺寸(mm) D≤10 ┕ 50×5 10

  60 ┕ 90×10 表3.5 浮顶罐包边角钢的最小尺寸(mm) 最上圈罐壁公称厚度 包边角钢尺寸 5 ┕ 65×6 >5 ┕ 75×6 罐壁应力校核 对于此储罐罐壁,其罐壁厚度与直径之比很大,属于薄壁容器,所受弯曲力矩较小,故目前国内外大多按薄膜理论计算应力。由于罐壁为圆柱形壳体,其第一曲率半径为无穷,第二曲率半径为储罐内径,故应力计算式为[11]徐英,杨一凡 [11]徐英,杨一凡,朱萍.化工设备设计全书-球罐和大型储罐[M].北京:化学工业出版社,2004. 式中:——经向薄膜应力, ——周向薄膜应力, ——设计压力, 对于最小壁厚处有: 选取罐壁材料为Q235-A,在设计温度下0-45℃下的许用应力,故材料安全。 在罐壁与罐底连接处,罐壁受到静液压的作用,会沿径向发生变形,但受罐底约束,节点处的径向位移受到阻碍,因而在罐壁下端的局部范围内将产生纵向弯曲力矩和剪力,这种由边缘效应所产生的应力即为边缘应力。但对一般的储罐(10000m3以下),由于钢板较薄,刚性较小,边缘应力影响区域不大,数值也在安全范围之内,故目前大多就按薄膜应力修正公式计算而不进行下节点校验。由于本设计的储罐为5000m3,所以本设计中也不进行下节点校验。 储罐的风力稳定计算 抗风圈设计 由于浮顶储罐没有固定顶盖,为使储罐在风载荷作用下保持上口圆度,以维持储罐整体形状,故需在储罐上部整个圆周上设置一个抗风圈。但对于有固定顶盖的拱顶储罐,可考虑不设置顶部抗风圈。本设计中,在顶部采用了包边角钢的形式,故本设计中不设计顶部抗风圈。 加强圈设计 加强圈是在罐壁上形成节线圈,以提高储罐的抗外压能力。当两个加强圈之间(或加强圈与抗风圈、包边角钢。罐底等加强截面之间)的罐壁许用临界压力大于设计外压时,就可以认为罐壁具备了足够的抗风能力。换言之,罐壁的侧压稳定条件为[12]SH3046-92.石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范 [12]SH3046-92.石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范[S]. 式中:——罐壁的许用临界压力,Pa; ——设计外压,Pa; 固定顶储罐罐壁的设计外压: 式中:——体形系数,由于固定顶罐在风力作用下外壁的最大风压为1.0倍,内壁没有风的吸力,所以取; ——主要考虑到罐壁作用临界压力公式与英国标准(BS2654)相仿,英国标准公式中风速是采用50年一遇的3秒钟瞬时风速,而TJ9-74中的风速是30年一遇10分钟平均风速,时距越小最大平均风速越高。为时10分钟与3秒钟平均风速相对应,应乘以风速转换系数近似取1.5,由于基本风压与风速的平方成正比,所以10分钟最大平均风压折合成瞬时风压要乘以转换系数; ——风压高度变化系数见表3.6; 表3.6 风压高度变化系数表 离地面或海面高度(m) ≤5 10 15 20 30 风压高度变化系数(Kz) 路上 0.78 1.00 1.1 1.25 1.41 海上 0.84 1.00 1.10 1.18 1.29 ——建罐地区的基本风压,成都地区取; ——操作负压,Kpa; ——对于安装呼吸阀的储罐,考虑到呼吸阀打开的滞后系数,建议取。若不安装呼吸阀的储罐取。 故: 根据SH3046-92规定储罐的许用临界压力为 NOTEREF _Ref294545275 \h \* MERGEFORMAT [12]: 式中:——罐壁最薄圈板的厚度,mm; ——储罐内径,m; ——抗风圈以下(对固定顶储罐系指包边角钢以下)的罐体的总当量高度,m。 又有: , 式中:——包边角钢以下各圈板的当量高度,m; ——包边角钢以下各圈板的实际高度,m; ——包边角钢以下各圈板的实际厚度,mm; 故: 故: 因为,所以需要设计加强圈。 加强圈数量: 加强圈位置:m,经过逆运算后可知加强圈位置在距罐顶包边角钢3.75m处。 加强圈尺寸根据表3.7选取: 表3.7 加强圈选用表 储罐内径D (m) 加强圈最小截面尺寸 (可采用截面模数相同的型钢或组合件)(mm) D≤20 角钢 100×63×8 20

  48 角钢 200×125×12 储罐的抗震设计 水平地震载荷 式中:——在水平地震作用下,罐壁底部的水平剪力(MN); ——综合影响系数,取; ——地震影响系数的最大值。根据实测和计算,一般计算容量小于10000m3的储罐自振周期都小于0.2秒,故地震影响系数均取为见表3.8; 表3.8 地震影响系数的最大值 基本烈度 7 8 9 0.23 0.45 0.9 ——罐体影响系数,取; ——重力加速度,取; ——产生地震作用的储液等效质量(kg); ——储罐内储液总量(kg); ——动液系数,由值按表3.9选取,中间值用插入法计算; ——油罐设计最高液位(m); ——油罐内径(m)。 表3.9 动液系数 1.0 1.33 1.5 2.0 2.5 0.782 0.710 0.663 0.542 0.45 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0.381 0.328 0.288 0.256 0.231 故经计算后得: 地震弯矩 式中:——总水平地震作用在油罐底部所产生的地震弯矩(MN·m)。 故计算得: 罐壁许用临界应力 罐壁的许用临界应力应按下式计算[13]GB50011-2010 [13]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S]. 式中:——罐壁许用临界应力(MPa); ——设计温度下罐壁材料的弹性模量(MPa); ——底层罐壁有效厚度(m),即底层罐壁的名义厚度减去腐蚀裕量与钢板负公差之和。 又不同温度下钢材的弹性模量应按表3.10选取: 表3.10 不同温度下钢板的弹性模量 钢类 在下列温度(℃)的弹性模量(103MPa) -20 20 100 150 200 碳素钢(C≤0.30%) 194 192 191 189 186 碳锰钢 208 206 203 200 196 故经计算得: 抗震验算 地震作用下罐壁底部产生的最大轴向压应力应按下式计算: 式中:——罐壁底部的最大轴向压应力(MPa); ——竖向地震影响系数(7度及8度地震区) ——罐壁底部垂直载荷(MN); ——罐壁横截面积(m3), ——翘离影响系数,; ——底圈罐壁的断面系数(m3),。 故经计算得: 故,应力校核满足要求。 储罐的罐顶选择与设计 储罐罐顶主要有浮顶、自支撑拱顶和柱支撑锥顶等。根据本文综述分析可知,对于5000m3成品油储罐,将之设计成拱顶较为经济、合理。拱顶储罐是目前立式圆筒形储罐中使用很广的一种罐顶形式,常用的容积为1000 ~10000m3。拱顶储罐拱顶结构简单,刚性好,能承受较高的剩余压力,钢材耗量少,加上它制造简单、造价低廉。故本设计中,罐顶结构采用拱顶式。 结构尺寸设计 拱顶盖有两种形式。一种是拱顶与罐壁的联结为圆弧过渡相焊的结构,如图4.1(a),它的边缘应力小,承压能力高,但需要冲压加工,施工比较困难;另一种是采用包边角钢将拱顶与罐壁两部分焊接相联的结构,如图4.1(b),它制造较方便,广泛用于承压较低的液体储罐。本设计采用图4.1(b)的形式设计。 图4.1 拱顶盖形式 图4.2 拱顶的几何尺寸 拱顶球面曲率半径的选取 拱顶球面的曲率半径宜为0.8~1.2倍罐直径。 即: NOTEREF _Ref294545348 \h \* MERGEFORMAT [11] 式中:——拱顶曲率半径 ——储罐直径 故取 的选取 根据图4.2有: 式中:——中心孔直径,比中心顶板直径小两倍搭接宽度,中心顶板的直径可按表4.1选取; ——取15~30mm; ——取等于30mm。 中心顶板与拱顶扇形顶板的搭接宽度一般取50mm,扇形顶板之间搭接宽度为40mm。 表4.1 中心顶板直径 公称容积(m3) 中心顶板直径(mm) 100,200,300,400,500,700 φ1500 1000,2000,3000,5000 φ2000 10000 φ2100 扇形顶板的尺寸 为便于排版,扇形顶板块数n最好为偶数。本设计中选取28块扇形顶板。 考虑焊接时的热影响和扇形顶板之间的搭接,扇形顶板小头的弧长 eq \o(\s\up5(⌒),\s\do2(CD)) 不得小于180mm。 扇形顶板的计算式为(参见图4.1及图4.2): 展开长度: 大头弧长: eq \o(\s\up5(⌒),\s\do2(AB)) = 小头弧长: eq \o(\s\up5(⌒),\s\do2(CD)) = 大头展开半径: 小头展开半径: 大头弦长: 小头弦长: 式中长度单位均为mm。 顶板厚度的选取 拱顶顶板厚度与罐的大小有关。对于1000m3或更小的储罐,可采用光面球壳(不加肋),而较大的储罐采用加肋拱顶较为经济,使在满足拱顶稳定性的情况下,拱顶盖重量最轻。 美国API650标准对拱顶厚度的规定为[14]API650 [14]API650.美国石油学会油罐设计规范[S]. [15]GB10609[1].1-1989.技术制图-标题栏[S]. [16]GB10609[2].1-1989.技术制图-明细栏[S]. ,并且不小于4.76mm。式中为拱顶曲率半径,单位为m。 国内的拱顶储罐系列较多,但尚未统一。其顶板厚度大致如表4.2所列,可供设计时参考选用。 表 4.2 公称容积(m3) 2000 3000 5000 10000 顶板壁厚 (mm) 5 (加肋) 5 (加肋) 6 (加肋) 6~7 (加肋) 罐顶应力校核 对于此储罐拱顶,仍按薄膜理论来计算应力。由于其为球形壳体的一部分,又球形壳体受均匀内压作用,且球壳几何形状对称于球心,其第一曲率半径等于第二曲率半径等于球壳的半径,故应力计算式为: 式中:——经向薄膜应力, ——周向薄膜应力, ——设计压力, 选取拱顶材料为Q235-A·F,在设计温度下0-45℃下的许用应力,故材料安全。 拱顶球壳的稳定验算 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,当储罐呼吸阀失灵,或试水(放水)时进气阀未打开,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,有必要进行额定外压下的稳定性验算。 对于带肋拱顶,按下式验算 NOTEREF _Ref294545219 \h \* MERGEFORMAT [5]: (4.1) 式中:——带肋球壳的许用外荷载(MPa); ——设计温度下钢材的弹性模量(MPa); ——球壳的曲率半径(mm); ——罐顶板的有效厚度(mm); ——带肋球壳的折算厚度(mm)。 带肋球壳的折算厚度应按式(4.2)~式(4.8)计算: (4.2) (4.3) (4.4) (4.5) (4.6) (4.7) (4.8) 式中:——纬向肋与顶板组合截面的折算厚度(mm); ——纬向肋宽度(mm); ——纬向肋有效厚度(mm); ——纬向肋在经向的间距(mm),实际布肋间距在1~1.4m之间; ——纬向肋与顶板在经向的面积折算系数; ——纬向肋与顶板在经向的组合截面形心到顶板中面的距离(mm); ——经向肋与顶板组合截面的折算厚度(mm); ——经向肋宽度(mm); ——经向肋有效厚度(mm); ——经向肋在纬向的间距(mm),实际布肋间距在1~1.4m之间; ——经向肋与顶板在经向的面积折算系数; ——经向肋与顶板在经向的组合截面形心到顶板中面的距离(mm); 带肋球壳计算符号见图4.3。 图4.3 带肋球壳板 本设计纬向布肋间距选为1250mm,经向最大布肋间距为2688mm,肋有效厚度为12mm,肋宽度为60mm,通过上述公式经计算得: 又不同温度下钢材的弹性模量应按表3.10选取,故: 又因为设计压力,所以验算安全。 实践证明,在拱顶制造过程中的初始缺陷对于罐顶失稳的临界压力有很大影响,在有局部凹凸的部位,往往首先失稳。因此,在建造储罐时应尽量减少局部变形,以便提高罐顶的稳定性。 罐顶肋条的拼接,当采用对接时,必须加垫板。若采用搭接,则搭接长度不应小于肋条宽度的两倍,且应采用双面满角焊,经向肋与纬向肋之间的T型接头应采用双面满角焊。 储罐的罐底设计 罐底板尺寸 ⑴根据GB50341-2003规定,不包括腐蚀裕量罐底中幅板的最小公称厚度不应小于表5.1。 表5.1 中幅板最小公称厚度 油罐内径(m) 中幅板最小公称厚度(mm) D≤10 5 D

  10 6 故选中幅板厚度为δ=7mm ⑵根据GB50341-2003规定,不包括腐蚀裕量罐底环形边缘板的最小公称厚度应符合表5.2。 表5.2 环形边缘板最小公称厚度(mm) 底圈罐壁板公称厚度 环形边缘板最小公称厚度 ≤6 6 7~10 7 11~20 9 21~25 11 26~30 12 故选环形边缘板厚度为δ=9mm 罐底结构 油罐内径小于12.5m时,罐底可不设环形边缘板;油罐内径大于或等于12.5m时,罐底宜设环形边缘板(图5.1)。 图5.1 罐底结构 环形边缘板的选择及焊接形式 ⑴环形边缘板外缘应为圆形,内缘为正多边形或圆形;为正多边形时,其边数应与环形边缘板的块数相等。 ⑵罐底板可采用搭接、对接或二者的组合(图5.2、图5.3)。对较厚板宜选用对接。 图5.2 罐底板的搭接接头 图5.3 罐底板的对接接头 罐底焊接要求 ⑴采用搭接时,中幅板之间的搭接宽度不应小于5倍板厚,且不应小于30mm;中幅板应搭接在环形边缘板的上面,搭接宽度不应小于60mm。采用对接时,焊缝下面应设厚度不小于3mm的垫板。垫板应与罐底板贴紧并定位。 ⑵厚度不大于6mm的罐底边缘板对接焊缝可不开坡口,焊缝间隙不宜小于6mm(图5.4)。厚度大于6mm的罐底边缘板对接焊缝应采用V形坡口(图5.5)。边缘板与底圈壁板相焊的部位应做成平滑支撑面。 图5.4 罐底边缘板搭接接头 图5.5 罐底边缘板对接接头 ⑶中幅板、边缘板自身的搭接焊缝以及中幅板与边缘板之间的搭接焊缝,应采用单面连续角焊缝,焊脚尺寸应等于较薄件的厚度。 ⑷当边缘板与中幅板采用对接。如果中幅板厚度不大于10mm,两板厚度差大于或等于3mm;或者中幅板厚度大于10mm,两板厚度差大于中幅板厚度的30%时。均应按图5.5的要求削薄厚板边缘。 三层板相连时的焊接要求 三层板重叠处,最上层钢板应做切角处理(图5.6)。 图5.6 三层板重叠处接头 ⑵罐底板任意相邻的三块板焊接接头之间的距离,以及三块板焊接接头与边缘板对接接头之间的距离,不得小于300m。边缘板对接焊缝至底圈罐壁纵焊缝的距离,不得小于300m。 ⑶底圈罐壁板与边缘板之间的T形接头,应采用连续焊。罐壁外侧焊脚尺寸及罐壁内侧竖向焊脚尺寸,应等于底圈罐壁板和边缘板两者中较薄件的厚度,且不应大于13mm;罐壁内侧径向焊脚尺寸,宜取1.0~1.35倍边缘板厚度(见图5.7a、b)。当边缘板厚度大于13mm时,罐壁内侧可开坡口(见图5.7b)。 图5.7 底圈罐壁板与边缘板之间的T形接头 边缘板的材质应与底圈罐壁板材质相同。 附件的选用及规定 NOTEREF _Ref294545219 \h \* MERGEFORMAT [5] 罐壁开孔及补强 开孔补强面积 ⑴开孔有效补强面积,不应小于开孔直径与罐壁厚度的乘积。 ⑵有效补强面积不得超出以下范围: ①沿罐壁竖向,开孔中心线倍开孔直径; ②沿接管轴线方向,罐壁表面内外两侧各4倍的管壁厚度。 ⑶有效补强面积包括: ①罐壁富余壁厚提供的面积; ②补强板的面积; ③接管富余壁厚提供的面积; ④焊缝金属的面积。 接管公称直径大于50mm的开孔应补强。有效补强面积尚应乘以补强材料与罐壁材料许用应力之比(但不得大于1.0)。 接管与罐壁标准规定的最低屈服强度之比小于0.7或抗拉强度之比小于0.8时,接管的富余壁厚不得作为补强面积。 两开孔之间的距离应满足的要求 ⑴两开孔至少1个有补强板时,其最近角焊缝边缘之间的距离,不应小于较大焊脚尺寸的8倍且不小于150mm。 ⑵两开孔均无补强板时,角焊缝边缘之间的距离不得小于75mm。 开孔角焊缝外缘到纵环焊缝中心线距离应满足的要求 ⑴罐壁厚度不大于12mm,或接管与罐壁板焊后进行消除应力热处理时,距纵焊缝不应小于150mm;距环向焊缝不应小于壁板厚度的2.5倍,且不小于75mm。 ⑵当罐壁厚度大于12mm,且接管与罐壁板焊后不进行消除应力热处理时,应大于较大焊脚尺寸的8倍,且不小于250mm。 应力热处理 凡属下列情况,开孔接管与罐壁板、补强板焊接完毕并检验合格后,应进行整体消除应力热处理: ⑴标准规定的最低屈服强度小于等于390Mpa,板厚大于32mm且接管公称直径大于300mm; ⑵标准规定的最低屈服强度大于390Mpa,板厚大于12mm且接管公称直径大于50mm。 罐壁人孔 罐壁人孔的结构及尺寸宜符合表6-1~表6-3和图6-1的要求。 表6-1 罐壁人孔法兰盖、法兰及补强板尺寸(mm) 人孔 内径 Di 螺栓孔中心圆直径DB 人孔法兰盖及法兰直径 Dc 补强板 纵向长度或直径L1 横向宽度W 圆角半径Rr 500 667 730 1170 1400 307 610 768 832 1370 1650 347 760 921 984 1675 2010 433 表6-2 罐壁人孔法兰盖及法兰最小厚度 设计最高液位 Hw(m) 人孔法兰盖最小厚度tv(mm) 法兰最小厚度tf (mm) Di=500 Di=610 Di=760 Di=500 Di=610 Di=760 9.5 10 12 14 7 9 12 12 11 13 15 8 10 13 13.5 12 14 16 9 11 14 表6-3 罐壁人孔角焊缝尺寸、罐壁板开孔直径及接管厚度(mm) 罐壁及补强板厚度t及tr 焊脚尺寸 罐壁板开孔直径DP 接管最小厚度tn Ah Bh Di=500 Di=610 Di=760 5 5 5 最小值为接管外径加12mm,最大值为接管外径加2Ah 5 5 5 6 6 6 6 6 6 8 6 6 6 8 8 9 6 7 6 8 8 10 6 7 6 8 8 12 6 9 6 8 8 注:⑴中间数值可用线性内插法计算。 ⑵厚度尺寸不含厚度附加量。 图6-1 罐壁人孔 罐壁开孔接管 罐壁开孔接管的型式和规格宜符合图6-2~图6-5的要求。 图6-2 补强板图 图6-3 开孔接管图 图6-4 焊接详图 图6-5 螺纹连接罐壁开孔接管 注:取两相焊件厚度的较小值,但不得大于19mm。 罐顶开孔接管 ⑴罐顶开孔接管宜符合图6-6、图6-7和表6-4、表6-5的要求。 图6-6 法兰连接罐顶开孔接管 图6-7 螺纹连接罐顶开孔接管 表6-4 法兰连接罐顶开孔接管(mm) 公称直径 DN 接管高度 J 顶板开孔直径 DP 补强板内径 DR 补强板外径 L1 40 150 接管外径加3mm 接管外径加3mm 125 50 150 175 80 150 225 100 150 275 150 150 380 200 150 450 250 200 550 300 200 650 表6-5 螺纹连接罐顶开孔接管(mm) 公称直径 DN 罐顶开孔直径 DP 补强板内径 DR 补强板外径 L1 20 接管外径加3mm 接管外径加3mm 100 25 115 40 125 50 175 80 225 100 275 150 380 200 450 250 550 300 600 ⑵公称直径不大于150mm的开孔可不补强。 排水弯头 排水弯头的结构和尺寸宜符合图6-8要求。 图6-8 排水弯头 排水槽 当油罐采用排水槽时,深型排水槽的结构及尺寸宜符合表6-6及图6-9要求,浅型排水槽的结构及尺寸宜符合图6-10要求。 表6-6 深型排水槽(mm) 接管公称直径DN 排水槽直径Dd 排水槽深度Ed 排水槽中心至罐壁距离Ad 排水槽钢板最小厚度tdr 接管最小壁厚 补强板外径L1 50 610 305 1050 8 6 880 80 910 455 1500 10 6 1180 100 1220 610 2050 10 6 1480 150 1520 915 2600 11 6 1780 注:厚度尺寸不含厚度附加量。 图6-9 深型排水槽 图6-10 浅型排水槽 对于有滑移可能的油罐宜采用浅型排水槽 浅型排水槽应满足的要求 ⑴不包括壁厚附加量在内的排水槽钢板厚度,不应小于8mm,槽深度不应大于150mm; ⑵排水槽与罐底连接的焊脚尺寸,应取两相焊件中较薄件的厚度。 其他要求 ⑴罐底排水槽中心线至罐壁的距离应满足排水槽周边焊缝到环形边缘板与中幅板连接焊缝的距离不小于300mm的要求。当接管悬臂较长时,尚应采取适当的支撑措施。 ⑵排水槽的材质应与罐底板材质相同或相近。 盘梯平台及栏杆 盘梯的设计应符合的要求 ⑴盘梯的最小宽度为600mm; ⑵盘梯的最大升角为50°,一般宜取45°;同一罐区内盘梯升角宜相同; ⑶踏步的最小宽度为200mm; ⑷相邻两踏步的水平距离与两踏步之间高度的2倍之和,不应小于600mm且不大于660mm;整个盘梯踏步之间的高度应一致; ⑸踏步应采用栅格板或防滑板; ⑹盘梯栏杆上部扶手应与平台栏杆扶手对中连接; ⑺沿栏杆扶手轴线测量,栏杆立柱的最大间距为2400mm; ⑻盘梯应能承受5kN集中活荷载;栏杆上部任意点应能承受任意方向1kN的集中荷载; ⑼盘梯外侧应有栏杆,当盘梯内侧与罐壁的距离大于150mm时,内侧也应有栏杆; ⑽盘梯应全部支承在罐壁上,盘梯侧板的下端与罐基础上表面应留有适当距离。 平台及栏杆的设计应符合的要求 ⑴平台和走道的最小宽度为600mm; ⑵铺板应采用栅格板或防滑板; ⑶铺板至栏杆顶部的高度不应小于1050mm; ⑷挡脚板的宽度不应小于75mm; ⑸铺板与挡脚板之间的最大间隙为6mm; ⑹栏杆护腰应位于栏杆的1/2高度处; ⑺栏杆立柱间距不得大于2400mm; ⑻平台及走道应能承受5kN的集中荷载;栏杆上部任意点应能承受任意方向1kN的集中荷载。 其他要求 ⑴当需要到固定顶上操作时,应在固定顶周边设置栏杆,通道上设置防滑条或踏步板。 ⑵当抗风圈作为操作平台及走道使用时,在其周围应设置栏杆。 ⑶油罐应按照有关标准规定设置防雷、防静电接地装置。 ⑷在罐壁下部宜设置沉降观测件。 ⑸在罐壁上易观察处,应设置铭牌。 罐壁壁厚: 采用搭接的形式 包边角钢尺寸选用为: ┕ 90×10 mm 许用应力 材料符合安全要求 罐壁需设置1个加强圈; 加强圈位置在距罐顶包边角钢3.75 m处。 加强圈选为 角钢 125×80×8 地震作用下的最大轴向压应力 ,满足应力校核要求。 罐顶结构采用拱顶式,通过包边角钢将拱顶与罐壁相连 拱顶球面曲率半径 中心板直径选用 φ2000 罐顶用28块扇形板组成 顶板需用加强肋 顶板壁厚选用为6mm 顶板材料选用Q235-A.F 许用应力 ,故材料安全 罐顶纬向布肋间距选为1250mm,经向布肋 间距最大为2688mm,肋有效厚度为12mm,肋宽为60mm 设计压力 ,故罐顶稳定 罐底中幅板厚度选为7mm 罐底环形边缘板厚度选为9mm 罐底采用设置环形边缘板的形式 进油口及出油口接管处需开孔补强,选用补强圈为DN200×12 罐顶透光孔需开孔补强,选用补强圈为DN500×6 罐顶呼吸阀需开孔补强,选用补强圈为DN250×16 罐壁人孔处需开孔补强,选用补强圈 DN600×12 量油孔接管处需开孔补强,选用补强圈 DN150×6 罐壁人孔选用DN600 采用浅型排水槽形式 结论 通过以上的设计分析可以确定对于5000m3的成品油储罐,使用Q235做基本材料不仅能满足罐体对强度和刚度的要求,也大大节约了制造成本,达到了经济合理的目地。而对其他部件材料的选择,也根据实际情况,选用相对应的最经济、合理、安全的材料。 经过周密的计算,根据设计的具体要求,将罐壁分为八层,每层的高度为1580mm,其壁厚分别为12mm、11mm、10mm、9mm、7mm、6mm、6mm、6mm。罐壁与罐顶使用包边角钢连接。抗风验算后,在罐壁上加了一个加强圈,以防止储罐的变形。在发生了汶川地震后,加强了对防震的要求,因此本设计中,根据成都这一地点的特征进行了抗震验算,使本储罐的抗震烈度达到了7度。 对罐顶采用固定拱顶的结构是出于对经济合理的考虑。在容积为5000m3的储罐中,使用拱顶不仅结构简单,刚性好,造价低廉,同时它还能够承受较高的剩余压力,钢材的耗量也较少,是比较理想的一种形式。由于本储罐比较大,所以在拱顶上加了加强肋,避免储罐顶因不稳而破坏。 罐底用环型边缘板的排列形式,也能够很好地分担整个罐体的重量,在满足各项指标要求的同时,也达到了经济节约的目的。根据国家标准的规定,罐底的中幅板厚度选为7mm,环形边缘板厚度选为9mm。 其余附件的选用也根据具体的要求,选择了最为经济、合理、安全的形式。开孔后,强度不足的地方使用了补强圈加强。平台及盘梯的设计也充分考虑了方便操作人员的操作以及安全因素。 参考文献

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