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大型立式储罐计算详解ppt

发布时间:2020-08-04 10:31

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  浅谈大型立式储罐的计算 中航黎明锦西化工机械(集团) 有限责任公司技术中心 韩滔 2015.3.11 一、概述 储罐是工业中广泛使用的储存设备,用以储存石油、石化产品及其类似液体。本课件讲述的常压储罐,为内部气相空间有直接与大气相通的开口(即常压)和存在微内压的大型储存设备,而罐壁承受储液压力的作用会产生很高的应力,为保证储罐安全、可靠地运转,对储罐的设计、施工提出严格的要求,认为常压储罐而随意放松设计要求会导致灾难性后果,因此必须严格遵循有关的设计规范要求。 本课件重点介绍在常温和接近常压的条件下储存液体的立式圆筒形储罐,储罐由平罐底、圆柱形罐壁、角钢圈和罐顶组成,在施工现场进行组装焊接。罐底与罐壁采用T型接头,罐顶与罐壁采用搭接结构。罐顶结构形式只限为锥顶、拱顶两种。 一、概述(续) 二、主要载荷 承受载荷主要分为静载荷、操作载荷、动载荷三大类。k8 1.静载荷:储罐自重、隔热层重量、附加载荷、储存液体静压力、雪载荷。 2.动载荷:风载荷、地震载荷。 3. 操作载荷:正压(操作条件决定的气相空间)、负压(抽排液或温度变化形成)。 三、 设计建造规范 目前国内常用的设计规范: 1) 设计压力:-490Pa~6000Pa ,容积大于100m3储罐应按 GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》; SH3046-1992《石油化工立式圆筒形制焊接储罐设计规范》。 这两个设计标准主要是参考美国API650《钢制焊接油罐》编制的。对于埋地、储存极度和高度危害的介质、人工制冷液体的储罐不适用这两个标准。 对于极度和高度危害介质,一般参考美国API650设计。 2) 设计压力:6000Pa~18kPa,应按美国API650; 3) 设计压力:18kPa~103.4kPa低压储罐,应按美国API620。 本课件使用计算程序引用GB50341-2003 设计规范。 四、计算程序种类 目前我公司现有的计算程序: 1.1 SEI公司:石油化工静设备计算辅助设计桌面系统中圆筒形储罐计算程序; 1.2 天辰公司:EXCEL表格式计算程序。 1.3 京鼎公司:EXCEL表格式计算程序 。 1.4 中航黎明锦化机: EXCEL表格式计算程序。 因常压储罐设计天辰设计院较多,我公司使用频率较高为天辰公司计算程序。该程序界面简洁,数据输入简单,结论直观,修改及打印计算书方便,深受我公司工程技术人员喜欢。 本课件使用天辰计算程序讲述GB50341-2003 需要的计算内容。 五、如何正确使用计算程序 计算机的广泛应用有效地提高了我们的工作效率,使我们从设计工作中需要反复进行设备零部件强度,刚度计算过程解脱出来,虽然大部分计算内容由专业计算程序支持完成,但工程技术人员对形成计算书数据正确性、完整性负有法律责任。 由于计算模块不可能囊括所有技术细节,技术标准不断更新,与设计模型的不符,常需要我们对简单计算程序进行修改。 办法:深入学习标准,明确计算步骤,正确填写数据,学会分析重要数据合理性。 六、重要参数释义 1设计压力: 1.1定义:罐顶部气相空间的最高压力(表压),其值不应低于正常使用时可能出现的最高操作压力。压力范围:-490~6000Pa 1.2如何输入:设计内压:常压、满液输0Pa;微内压输具体数值;设计外压一般输安全阀负压开启压力490Pa或给定负压值,没有输0Pa。 2.设计温度: 2.1定义:在正常使用状态时罐壁及主要受力元件可能达到的最高或最低金属温度。温度范围:250℃ 2.2如何输入:操作温度为常温或低于50℃时,设计温度取50℃。 操作温度为大于等于50℃,小于90℃时,设计温度取90℃。 操作温度为大于等于90℃时,设计温度取最高操作温度加上20 ℃。 2.3设计温度大于等于90℃,小于250℃时,按附录B附加要求修正程序内容: 1)罐顶构件许用应力,还应乘表B2.2(P77)确定的设计温度下材料的屈服强度与210MPa的比值(不得大于1) 六、重要参数释义(续) 七、设计条件输入 设计条件输入可按图纸技术特性表数据给出。 八、罐壁计算模块 八、罐壁计算模块(续) 八、罐壁计算模块(续) 1.遵循设计原则: a.强度要求:罐壁承受储液静压力,静压力从上至下逐渐增大,即沿着罐壁高度方向每一点的承受压力不同,因此在静压力作用下罐壁中每一点的应力不得大于钢材的许用应力; b.稳定性方面:罐内的负压和风载的作用可能会使罐壁发生稳定失效破坏,因此要考虑罐壁的加强(增加罐壁厚或采用加强圈)。 2.对于大容量或多台不同容量的储罐,设计排版时应考虑钢板规格尽可能少,天辰统一规定碳钢按1.8m板幅排版,不锈钢按1.5m板幅排版。 3.罐壁计算模块包括壁厚、是否设置中间抗风圈及数量、位置两部分计算。 1)当 P ≤2000时,td=4.9Dρ(H-0.3)/([σ]dφ)+ C1s+C2s [储存介质条件下 ] tt=4.9D(H-0.3)/([σ]tφ) )+ C1s+C2s [储水条件下] 当 P 2000时,td= 4.9Dρ(H-0.3)/([σ]dφ)+ 0.5PD/([σ]tφ)+C1s+C2s [储存介质条件下 ] 八、罐壁计算模块(续) 罐壁名义厚度不得小于计算厚度加壁厚附加量的较大值,且不得小于表6.3.3规定值(P27)。由于罐壁高度通常大于钢板宽度,所以罐壁总是用多圈钢板组焊而成;壁厚从下向上逐层递减,相邻壁厚差最好不超过2mm;底圈壁板是产生周向拉应力及纵向弯曲应力最大部分,所以有意将底圈壁板加厚。 2) 判别设置中间抗风圈数量、位置步骤: A.核算区间的罐壁筒体许用临界压力Pcr B.计算存在内压的固定顶油罐罐壁筒体的设计外压Po C.判断中间抗风圈数量、位置(P33-6.5.4) 注意:天辰计算程序只给出一个中间抗风圈位置,当需设两个以上数量时,设置位置按标准具体给出。 八、罐壁计算模块(续) 九、罐底计算模块 九、罐底计算模块(续) 说明: 1)设置环形边缘板依据:DN≥12.5m 2)罐壁内表面至边缘板与中幅板之间的连接焊缝的最小距离,取Lm=215tb/sqr(Hw*ρ),600间大值。需按实际图纸上尺寸放样比较设置是否合理。 3)罐底板、边缘板厚度常取最底圈壁厚。 十、罐顶计算模块 十、罐顶计算模块(续) 十、罐顶计算模块(续) 十、罐顶计算模块(续) 1. 罐顶计算: 罐内液面以上的气相空间的压力是变化的,在此空间内会产生正压或负压,因此罐顶具有承受内压作用的强度和承受负压作用的稳定性。 2.GB50341-2003罐顶只讲自支撑式锥顶和自支撑式拱顶两种: (1)自支撑式锥顶:用于直径不大于10m; (2)自支撑式拱顶:a.光面拱顶:用于直径D≤12m; b.带筋拱顶:常用直径12m<D<32m; 3. 罐顶主要由中心顶板和扇形板两部分组成。 规定:VN1000m3时,中心顶板直径为1500mm, 1000m3VN5000m3时,中心顶板直径为2000mm, VN5000m3时,中心顶板直径为2100mm。 扇形板的块数为4的倍数。 十一、罐顶计算模块(续) 4.经向肋的最大间距=扇形板大端弧长 纬向肋的最大间距=径向等分间距 5.罐顶设计外压P的确定 P1—主要考虑罐顶自重N/m2(Pa):单位面积的重力,当有保温层时应考虑保温层的重量; P2—罐内操作负压(取1.2倍呼吸阀的负压定压压力)Pa; P3—附加载荷(如雪载荷或活动载荷)一般不小于700Pa。 为保证罐顶具有足够的稳定性,P2与P3之和不应小于1200Pa,当雪载超过600 Pa时,应加上超过的部分; 计算外压:P= P1+ P2+ P3(简化P=P1+1200) 6. 随着储罐容量和直径的增大,光面球壳的设计厚度随之增大,从而使罐顶的钢材用量增大,投资费用增高。对于由外压起控制作用的球壳,为了减轻罐顶的重量,节约成本,当12mDN32m时,基本上采用带肋球壳罐顶,其受力特点是:承载主体为球壳板和肋条构成的组合截面。 十二、罐顶与包边角钢连接处计算模块(续) 十二、罐顶与包边角钢连接处计算模块(续) 罐顶与包边角钢的焊接:罐顶与包边角钢采用较弱连接方式,在其外侧采用单面连续焊保证罐体封闭,其焊角高度不大于罐顶板厚度的3/4,且不大于4mm。目的在于当罐内超压或安全装置失灵时,尽可能从此处破坏掀开,减少罐壁及罐底破坏而造成重大损失。 包边角钢的选取: 十三、微内压储罐计算模块 十三、微内压储罐计算模块 说明: 1.计算罐底板不被抬起的最大内压Pmax 2.计算罐壁与罐顶连接处发生屈曲破坏时压力Pf 3.结论1:Pf≥Ps;罐壁与罐顶连接处满足内压 下破坏压力的要求。 4.结论2:若Pmax ≥Ps 校核合格,可不进行 地脚螺栓计算。 若PmaxPs校核不合格时,需要进行 地脚螺栓计算。 5.常压计算可不计算此模块。 十四、地脚螺栓计算模块 十四、地脚螺栓计算模块(续) 十五、抗震计算 十五、抗震计算(续) 十五、抗震计算(续) 十五、抗震计算(续) 1.由于地震原因使得储罐发生火灾、爆炸和环境污染事故,因此,在地震设防区(防烈度7~9度)建造储罐时,为了保证其安全运行必须进行抗震设计。 2抗震设计步骤: A.计算地震设防条件下,罐壁底部的竖向压应力σc的计算过程: 1.计算储罐的罐液耦连振动基本自振周期T1 2.计算储罐的水平地震作用力FH 3.计算水平地震作用力对储罐底面的力矩M1 4.计算罐壁底部的竖向压应力σc B.计算底圈罐壁的许用临界应力[σcr] C.满足抗震设计条件:σc[σcr],符合抗震设防烈度的要求。不满足,应采取增加底圈、底板壁厚的办法。 * * 2)罐顶计算厚度还应乘设计温度与常温下钢材的弹性模量之比 3)抗风计算中,罐壁的许用临界压力应乘设计温度与常温下钢材的弹性模量之比 4)微内压储罐设计压力公式中系数1.1还应乘设计温度下材料的屈服强度与210MPa的比值(不得大于1) 5)有保温的锚栓的许用应力应为常温下许用应力乘以表2.2(P22)设计温度下屈服强度降低系数 3.许用应力如何选取:碳钢和低合金钢可直接按GB50341查取,高合金钢许用应力确定按SH3046-1992查取,不能用GB150中数值。 4.焊接系数:一般取0.9,当标准规定的最低屈服强度大于390MPa时取0.85, 储存极度和高度危害的介质时,天辰取1.0 5.直径范围:公称直径5mDN32m,公称直径小于等于5米常压储罐一般不用计算。 1 μz 风压高度变化系数 (按p29页计算) 6 地震烈度 300 Pa 基本雪压 550 Wo Pa 基本风压 1 C2r mm 罐顶腐蚀裕量 6 C2s mm 罐壁腐蚀裕量 10.5 D m 储罐内径 973 ρ kg/m3 储液密度 100 t 0C 设计温度 0 Po Pa 设计外压 2000 P Pa 设计内压 设计条件 10 10 10 12 罐壁板名义厚度 / / / / / / / 5.00 5.00 5.00 5.00 罐壁最小公称厚度 (P27) 0.52 1.17 1.83 2.48 储存水时计算厚度 6.51 7.15 7.79 8.43 储存介质时计算厚度 0.9 0.9 0.9 0.9 焊接接头系数 0.3 0.3 0.3 0.3 罐壁材料负偏差 157 157 157 157 常温下罐壁材料许用应力 157 157 157 157 设计温度下罐壁许用应力 Q235B Q235B Q235B Q235B 各圈壁板材料 0.9 1.8 1.8 1.8 h11 h10 h9 h8 h7 h6 h5 h4 h3 h2 h1 第I圈罐壁板的实际高度 hi 壳体计算 5.11 Le Le m 设置加强圈后,每段筒体的当量高度 HE/(n+1) 0 n n 加强圈数量 int(P0/Pcr) **********不设加强圈********** 1238 P0 P0 Pa 筒体设计外压 3 储罐类型: 敞口的外浮顶:1 与大气连通的内浮顶:2 存在内压的固定顶:3 2486 Pcr Pa 罐壁筒体的临界压力 16480D(tmin/D)2.5/HE 1.00 k1 设计温度下和常温下的弹性模量之比 1 罐壁材料 (碳钢cs:1,不锈钢ss:2,碳锰钢 3) 5.11 HE m 罐壁筒体的当量高度 / / / / 0.9 1.8 1.8 0.611 He10 He9 He8 He7 He6 He5 He4 He3 He2 He1 第I圈罐顶板的当量高度Hei [hi*(tmin/ti)2.5] 6.30 He m 罐壁筒体的实际高度 3.70 mm 最薄圈罐壁板的有效厚度 3.7 3.7 3.7 5.7 各圈罐壁板的有效厚度 tn-C1s-C2s 2333 4665 4665 5600 kg 每层罐壁重量 / mm 环形边缘板与中幅板焊缝与罐壁板内表面距离 5.67 Hw m 设计最高液位 0.900 充装系数 12.00 tb mm 罐底不包括腐蚀裕量底板环形边缘板的最小公称厚度 不需要设环形边缘板 是否需要环形边缘板 6.00 mm 不包括腐蚀裕量底板中幅板最小公称厚度 (P20页) 6.00 mm 不包括腐蚀裕量底板边缘板最小公称厚度 (P20页) 罐底计算 6 tm mm 罐顶名义厚度 5.5 tmin mm 罐顶最小厚度t 6.59 ths mm 罐顶计算厚度(包括附加量) 锥顶:0.21D/sinθ+C1r+C2r 拱顶:0.42Rs+C1r+C2r 12600 Rs 拱顶半径 锥顶时,不输入(常用0.8D~1.2D) 24.77 θ ° 顶起始角 (锥顶取15o ,拱顶按下面计算) 0.3 mm 罐顶材料的负偏差 0.994791666 罐顶材料常温下的弹性模量与设计温度下的弹性模量之比 191000 Et Et Pa 罐顶材料设计温度下的弹性模量 1800 Po P Pa 罐顶设计外压 2 罐顶形式 (锥顶:1,拱顶:2) 1 罐顶材料 (碳钢cs:1,不锈钢ss:2,碳锰钢3) 100 t t 0C 设计温度 罐顶计算 *****需加厚拱顶或加肋***** 1800 Po Pa 罐顶设计外压 2658 Pcr Pa 无肋板时罐顶的临界压力 0.1*Et((trn-c1r-c2r)/Rs/1000)2 83.23 Gc kg 中心顶板重量 218.03 Gs kg 扇形顶板重量 24.77 θ ° 拱顶起始角 1172 h mm 拱顶高度 260 l2 mm 小端弧长 1699 l1 mm 大端弧长 258 L3 mm 小端弦长 1693 L2 mm 大端弦长 701 R2 mm 小端展开半径 5815 R1 mm 大端展开半径 4748 L1 mm 展开长度 12600 Rs mm 拱顶半径 1500 Lo mm 中心板直径 20 18.4 n 扇形顶板个数 D*π/1800 -30 a mm 与罐内壁距离 (包边角钢在内侧为正,外侧为负) 拱顶计算 **********校核合格********** 1800 PL Pa 罐顶设计外压 10185 Pcr Pa 带肋拱顶许用临界压力 0.1*Et(tm/Rs/1000)2(th/tm)0.5 10.50 tm mm 带肋拱顶的折算厚度 3793387 D 壳板抗弯刚度值 D2 纬向带肋截面平均抗弯刚度值 D1 经向带肋截面平均抗弯刚度值 1.03 n2 mm 纬向带肋截面的面积折算系数 1.02 n1 mm 经向带肋截面的面积折算系数 0.81 e2 mm 纬向带肋组合截面型心到顶板中心面的距离 0.57 e1 mm 经向带肋组合截面型心到顶板中心面的距离 1200 L2s mm 纬向肋的最大间距 1699 L1s mm 经向肋的最大间距 50 h2 mm 纬向肋的宽度 50 h1 mm 经向肋的宽度 5.7 b2 mm 纬向肋的厚度 5.7 b1 mm 经向肋的厚度 6.2 th mm 拱顶有效厚度 trn-cr1-cr2 加强肋计算 **********校核合格---Passed********** 609 An2 mm2 带筋拱顶罐壁与罐顶连接处所需面积 4.6DRnPL/2200/1000 609 An1 mm2 罐壁与罐顶连接处所需面积 拱顶:见P41页和P73页 锥顶:见P40页和P73页 1428 Aa mm2 罐壁与罐顶连接处的有效面 A1*(δ角钢-C2s)/δ角钢+A2+A3 518.39 A3 mm2 罐顶侧的面积 max(0.3(1000D/2/sinθ*th)0.5,300)*th 309.41 A2 mm2 壳体侧的面积 0.6(1000D/2*tmin)0.5*tmin 1500 A1 mm2 包边角钢面积 10 x 80 x 80 包边角钢规格 连接处的有效面积 **********罐壁与罐顶连接处校核合格-----passed********** **********需要进行地脚螺栓计算********** 11313 Pf Pa 破坏压力 1000(1.6P-0.047th) 2440 Pmax Pa 罐底板不被抬起的最大内压 1000*(0.00125mt*g/D2+0.08th) 17500 mt kg 罐壁和由罐壁及罐顶所支撑构件(不包括罐顶)重量 7071 P Pa 设计内压 1000(1.1Atgθ/D2+0.08th) 1428 A mm2 罐壁与罐顶连接处的有效面积 微内压储罐计算 **********校核合格-----Passed********** 101 MPa 满液时1.5倍破坏压力下地脚螺栓应力 (1.5Pf*πD2/4-G)/n/Am 4 Ft2 MPa 空罐时1.25倍试验压力下地脚螺栓应力 ( 1.25*1.25*P*πD2/4-G)/n/Am 17 Ft1 MPa 空罐时1.5倍设计压力与设计风压下地脚螺栓应力 (1500*P1+1000P2-+Gc)/n/Am 518 A mm2 螺栓根径截面积 (D根径-2*π/4) 235 MPa 1.5倍破坏压力时许用应力 σsd 157 MPa 试验压力时许用应力 2σst /3 157 Ft1 MPa 设计压力加风载加地震载荷时许用应力 2σsd /3 118 设计压力时地脚螺栓的许用应力 σsd /2 24 20 n 地脚螺栓个数 36 d mm 地脚螺栓直径 (=24,有腐蚀时取30) 3 C mm 地脚螺栓腐蚀裕量 235 σsd MPa 设计温度时地脚螺栓的屈服限 235 σst MPa 常温地脚螺栓材料的屈服限 Q235B 地脚螺栓材料 地脚螺栓的计算 需要地脚螺栓 是否需地脚螺栓(比较P1和g的大小来判断) 220.23 g kN 自重产生的下压力 mg*9.8/1000 69.45 P2 kN 由风产生的升力o*μz*He^2+Wo*μz*π*D^2/4)/1000 173.18 P1 kN 气体内压升举力 P*πD2/4/1000 22450 mg kg 罐壁和罐顶及其附件的重量 0.577851852 Fr 动液系数 477710.0507 m1 kg 储罐内储液总量 5.67 Hw m 油罐设计最高液位 9.81 g m/s2 重力加速度 1.1 Y1 罐体影响系数 0.220227545 α 地震影响系数 0.4 Cz 综合影响系数 0.092274739 s Tc 耦连振动基本周期 0.230336741 hv m 罐内液面晃动波高,m 0 α 地震影响系数 0.23 αmax 地震影响系数最大值 P83页 0.35 Tg 反应谱特征周期 P83页 3 Tw s 液体晃动基本周期 1.068074074 Ks 晃动周期系数 0.0004320 Kc 耦连振动周期系数 5.67 Hw m 油罐设计最高液位 0.0037 δ3 m 罐壁距底板1/3高度处有效厚度 5.25 R m 储罐内半径 0.0922747 Tc s 储液耦连振动基本周期 抗震计算 **********校核合格-----Passed********** 15 [σcr] MPa 罐壁许用临界应力 191000 E MPa 储罐材料操作温度下弹性模量 3.071400926 σ1 MPa 地震作用下罐壁底部最大轴向压应力 0.493313625 Z1 m3 底层罐壁的断面系数 1.4 CL 翘离影响系数 0 A1 m2 罐壁横截面积 0.0057 t m 底层罐壁有效厚度 0.2202345 N1 MN 罐壁底部竖向载荷 1 Cv 竖向地震影响系数 0.669529601 M1 MN·m 罐壁底部的地震弯矩 0.262406271 Q0 MN 罐壁底部水平地震剪力 276045.6375 m kg 产生地震作用的储液等效质量 *

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