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摘要：本文以50,0 0 0立方米储罐为例, 针对大型储罐设计中的选型、选材及失稳变形等有关问题进行了分析, 在设计中做了相应的改进。
关键词：储罐; 外浮顶; 失稳变形; 抗风圈
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言：
储罐的设计越来越趋向大型化, 能够合理、科学的设计、制造和使用安全大型储罐显得越来越重要。大型储罐被广泛应用于炼油化工生产装置中,在其应用中经常遇到油品蒸发损失及储罐失稳变形等实际问题。大型储罐发生失稳变形的主要原因包括罐体刚度设计不足、用于抵抗风载荷的加强圈和抗风圈设计不合理等。
设计计算方法
1. 1 定点法
以高出每圈罐壁板底面0. 3 m 处的液体压力来确定每圈板厚。多用于体积较小的储罐,对于直径大于60 m 的储罐采用此方法计算的应力值与实测应力值差别较大。罐壁需要的最小厚度取下面2个公式计算结果的较大值 。
δd =419D( h - 013)ρ/[σ]d+ C (1)
δt =419D( h - 013)/ρ[σ]t(2)
式中,δd 为设计壁厚,δt 为充水试验设计壁厚, C 为腐蚀裕量,mm ; D 为储罐的公称直径, h 为储罐计算液面高度, m ;ρ为储液的相对密度; [σ]d 为设计温度下储罐罐壁钢板的许用应力, [σ]t 为水压试验条件下储罐罐壁钢板的许用应力,MPa 。
1. 2 变点法
对于体积较小的储罐,采用定点法设计罐壁厚度时计算简便,结果也安全。但是对于体积等于或大于5 ×104 m3 的储罐,采用定点法计算罐壁厚度时,计算的罐壁应力与实际应力值差别较大。此时一般采用变点法计算。
1. 2. 1 第1 圈罐壁厚度的计算
按式(1) 和式(2) 确定储存介质和水压试验条件下的底层壁厚初值δpd和δpt 。储存介质和水压试验条件下的底层壁厚δ1d 和δ1t 用下式计算(其中δpd ≥δ1d ,δpt ≥δ1t ) 。
δ1d = (1.06 -0.069 6D/h *hρ[σ]d)+419 hDρ/[σ]d+ C(3)
δ1t = (1.06 -0.069 6D/h *h[σ]t)+419 hD/[σ]t(4)
1. 2. 2 第2 层罐壁厚度的计算
按下式计算出储存介质和水压试验2 种工况下底层壁板的比值Ψ。
Ψ=h/rδ1(5)
式中, h1 为底层壁板高度, r 为储罐公称半径,δ1 为底层壁板有效厚度,mm。
当Ψ≤1. 375 时,δ2 =δ1 (δ2 为第2 层壁板厚度) 。当Ψ≤2. 625 时,δ2 =δ2a (δ2a 为按第2 层以上罐壁计算方法求得的第2 层壁板厚度) 。1. 375 < Ψ< 2. 625 时有:
δ2 =δ2a + (δ1 - δ2a ) (2.1 -h1/1.25 rδ1(6)
1. 2. 3 上层罐壁厚度的计算方法
先用式(3) 和式(4) 确定壁厚初值δu ,再用下式计算出设计点与此层罐壁底端的距离x :
x1 = 0161 rδu + 320Ch
x2 = 1 000Ch
x3 = 1122 rδu
x = min ( x1 , x2 , x3 )(7)
式中,C = K( K - 1) / (1 + K115 ) ; K 为相邻下层罐壁厚度与此层罐壁厚度之比, K =δL /δu ;δL 为与计算层罐壁板相邻的下层罐壁厚度,mm。确定x 后采用下面2 式分别计算储存介质和水压试验2 种工况所需最小罐壁厚δdx和δtx 。
δdx =419D( h - x/ 1 000)ρ/[σ]d+ C (8)
δtx =419D( h - x/ 1 000)/[σ]t (9)
用計算出的δdx 和δtx 值重复用于式(7) ～ 式(9) ,直至计算出的δdx和δtx 相邻两次之间差别很小(一般取0. 01 mm) 为止。对于L/ h > 1 000/ 6 ( L = (500Dδ) 015 ) 的储罐,宜采用应力分析法来设计储罐壁厚。
罐体材质与壁厚
在确定壁板的名义厚度时, 不能单纯地按计算结果考虑, 因为计算公式只从满足罐体强度方面考虑了作用在罐壁上的液柱静压力、材料的许用应力以及焊接接头系数。确定罐体壁厚还要考虑以下几个方面的问题:
(1) 防腐蚀 由于计算公式中所考虑的腐蚀裕度只涉及到了介质的均匀腐蚀, 没有考虑实际上原油内含有的水和其它杂质大部分积存于储罐底部,会造成底圈壁板局部严重腐蚀, 因而要适当增加底圈壁板的厚度。
( 2) 罐体受力 在罐壁底圈壁板和罐底边缘板上, 除了承受液体的静压力外, 还承受着较大的边缘应力, 储罐大部分开孔都集中在底圈壁板上, 因此,应适当增加罐体最底圈壁板的厚度。工艺上考虑阀室空间的限制, 要求阀门布置尽可能紧凑, 因而经常会存在密集开孔补强区域。增加底圈壁板厚度, 实际上也同时对开孔起了整体补强的作用。
( 3) 罐体刚度 罐体上部的几圈壁板应适当增厚, 因为上部的液柱压力很低, 满足强度要求计算所得的厚度很小, 按规范所要求的最小壁厚实际上就是从刚度角度考虑的。另外, 对有些要进行油品调和, 需要在罐壁上加搅拌器的储罐, 尤其要注意考虑底圈壁板的刚度问题。曾有储罐因加搅拌器后罐体刚度不足, 加之在操作过程中搅拌器的振动等因素而引起罐体局部失稳的教训。这是因为要使得在基础沉降的过程中不影响搅拌器与电机的同轴度, 两者必须支撑于壁板上, 而不能支撑于地面的平台上,这样罐壁搅拌器就相当于加在罐壁上的偏心载荷, 从而影响了罐体的局部稳定性。
三 地基变形分析
3．1 地基沉降计算
在设计储罐基础时，计算除了要满足规范规定的地基承载力要求外，还应满足地基变形的要求，承台式罐基础仅在符合《建筑地基基础设计规范》第8．5．10条时需进行沉降验算。
3．2 “锅底” 现象的成因与对策
环墙式基础罐底板部分作用在环墙上，其余作用在砂垫层上，环墙仅在空载时，承受大部分的罐壁板的垂直荷载，这个荷载并不大，根据经验可取罐壁板自重的80％。当储罐满载时，由于砂垫层的基床系数远小于环墙的刚度系数，这样会导致储罐在环墙与砂垫层交界处应力的突变，并且使储罐的环板承受向上的拉力。同时，在长时间作用下，罐底中心的沉降量大于底板边缘的沉降量，该沉降差使整个储罐底板呈“锅底”形状，这对罐底板极为有害，随着沉降差的不断变大，底板的变形程度不断加剧，底板的应力也随之加大。在空载与满载反复交替作用下，可能在罐底板局部首先出现裂缝，最终造成罐底板的破裂。一般由于地基沉降的不均匀，在软弱地区，采用环墙式储罐基础引起的罐底板的“锅底”现象非常明显。
罐壁抗风圈
大型储罐常见的破坏形式不是强度破坏, 而是稳定性破坏。大型储罐是薄壁容器, 敞口的外浮顶罐需设置抗风圈以保持罐体的圆度、整体形状以及罐体上部的稳定性。抗风圈和基础的设计是外浮顶储罐设计的2 个最关键问题, 我厂曾有外浮顶罐因抗风圈设计不合理而引起油品外溢到浮盘上的事故发生, 造成不必要的经济损失。
1. 受力分析及强度核算
关于抗风圈的计算及受力分析, 目前还没有相对成熟的方法。其设计也主要采取经验方法。我们可以假定上半部罐壁所承受的风载荷由抗风圈承担, 作用于罐体外壁迎风面的风压按正弦曲线分布,将风压分布范围的抗风圈区段看成两端铰支的圆拱, 也就是把抗风圈看成承受弯曲应力的刚体。抗风圈在风载荷作用下而产生的弯曲应力与抗风圈的抗弯截面系数成反比, 即截面系数越大, 抗风圈的抗风能力越强。因此, 设计中要控制抗风圈的实际截面系数大于满足其强度要求的最小截面系数。
结束语：
总之在应用中储罐失稳变形、油品外溢到浮盘上等事故发生的原因做了简要分析, 在一些储罐的设计中进行了合理的改进,使用效果良好。
参考文献
[ 1] HG 21502. 1~ 2 - 92, 钢制立式圆筒形固定顶、内浮顶储罐系列[ S] .
[ 2] SH 3046- 92, 石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范[S] .
[ 3] 苏翼林. 材料力学[ M] . 北京: 高等教育出版社, 1985. 109, 227-234.
关键词：储罐; 外浮顶; 失稳变形; 抗风圈
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言：
储罐的设计越来越趋向大型化, 能够合理、科学的设计、制造和使用安全大型储罐显得越来越重要。大型储罐被广泛应用于炼油化工生产装置中,在其应用中经常遇到油品蒸发损失及储罐失稳变形等实际问题。大型储罐发生失稳变形的主要原因包括罐体刚度设计不足、用于抵抗风载荷的加强圈和抗风圈设计不合理等。
设计计算方法
1. 1 定点法
以高出每圈罐壁板底面0. 3 m 处的液体压力来确定每圈板厚。多用于体积较小的储罐,对于直径大于60 m 的储罐采用此方法计算的应力值与实测应力值差别较大。罐壁需要的最小厚度取下面2个公式计算结果的较大值 。
δd =419D( h - 013)ρ/[σ]d+ C (1)
δt =419D( h - 013)/ρ[σ]t(2)
式中,δd 为设计壁厚,δt 为充水试验设计壁厚, C 为腐蚀裕量,mm ; D 为储罐的公称直径, h 为储罐计算液面高度, m ;ρ为储液的相对密度; [σ]d 为设计温度下储罐罐壁钢板的许用应力, [σ]t 为水压试验条件下储罐罐壁钢板的许用应力,MPa 。
1. 2 变点法
对于体积较小的储罐,采用定点法设计罐壁厚度时计算简便,结果也安全。但是对于体积等于或大于5 ×104 m3 的储罐,采用定点法计算罐壁厚度时,计算的罐壁应力与实际应力值差别较大。此时一般采用变点法计算。
1. 2. 1 第1 圈罐壁厚度的计算
按式(1) 和式(2) 确定储存介质和水压试验条件下的底层壁厚初值δpd和δpt 。储存介质和水压试验条件下的底层壁厚δ1d 和δ1t 用下式计算(其中δpd ≥δ1d ,δpt ≥δ1t ) 。
δ1d = (1.06 -0.069 6D/h *hρ[σ]d)+419 hDρ/[σ]d+ C(3)
δ1t = (1.06 -0.069 6D/h *h[σ]t)+419 hD/[σ]t(4)
1. 2. 2 第2 层罐壁厚度的计算
按下式计算出储存介质和水压试验2 种工况下底层壁板的比值Ψ。
Ψ=h/rδ1(5)
式中, h1 为底层壁板高度, r 为储罐公称半径,δ1 为底层壁板有效厚度,mm。
当Ψ≤1. 375 时,δ2 =δ1 (δ2 为第2 层壁板厚度) 。当Ψ≤2. 625 时,δ2 =δ2a (δ2a 为按第2 层以上罐壁计算方法求得的第2 层壁板厚度) 。1. 375 < Ψ< 2. 625 时有:
δ2 =δ2a + (δ1 - δ2a ) (2.1 -h1/1.25 rδ1(6)
1. 2. 3 上层罐壁厚度的计算方法
先用式(3) 和式(4) 确定壁厚初值δu ,再用下式计算出设计点与此层罐壁底端的距离x :
x1 = 0161 rδu + 320Ch
x2 = 1 000Ch
x3 = 1122 rδu
x = min ( x1 , x2 , x3 )(7)
式中,C = K( K - 1) / (1 + K115 ) ; K 为相邻下层罐壁厚度与此层罐壁厚度之比, K =δL /δu ;δL 为与计算层罐壁板相邻的下层罐壁厚度,mm。确定x 后采用下面2 式分别计算储存介质和水压试验2 种工况所需最小罐壁厚δdx和δtx 。
δdx =419D( h - x/ 1 000)ρ/[σ]d+ C (8)
δtx =419D( h - x/ 1 000)/[σ]t (9)
用計算出的δdx 和δtx 值重复用于式(7) ～ 式(9) ,直至计算出的δdx和δtx 相邻两次之间差别很小(一般取0. 01 mm) 为止。对于L/ h > 1 000/ 6 ( L = (500Dδ) 015 ) 的储罐,宜采用应力分析法来设计储罐壁厚。
罐体材质与壁厚
在确定壁板的名义厚度时, 不能单纯地按计算结果考虑, 因为计算公式只从满足罐体强度方面考虑了作用在罐壁上的液柱静压力、材料的许用应力以及焊接接头系数。确定罐体壁厚还要考虑以下几个方面的问题:
(1) 防腐蚀 由于计算公式中所考虑的腐蚀裕度只涉及到了介质的均匀腐蚀, 没有考虑实际上原油内含有的水和其它杂质大部分积存于储罐底部,会造成底圈壁板局部严重腐蚀, 因而要适当增加底圈壁板的厚度。
( 2) 罐体受力 在罐壁底圈壁板和罐底边缘板上, 除了承受液体的静压力外, 还承受着较大的边缘应力, 储罐大部分开孔都集中在底圈壁板上, 因此,应适当增加罐体最底圈壁板的厚度。工艺上考虑阀室空间的限制, 要求阀门布置尽可能紧凑, 因而经常会存在密集开孔补强区域。增加底圈壁板厚度, 实际上也同时对开孔起了整体补强的作用。
( 3) 罐体刚度 罐体上部的几圈壁板应适当增厚, 因为上部的液柱压力很低, 满足强度要求计算所得的厚度很小, 按规范所要求的最小壁厚实际上就是从刚度角度考虑的。另外, 对有些要进行油品调和, 需要在罐壁上加搅拌器的储罐, 尤其要注意考虑底圈壁板的刚度问题。曾有储罐因加搅拌器后罐体刚度不足, 加之在操作过程中搅拌器的振动等因素而引起罐体局部失稳的教训。这是因为要使得在基础沉降的过程中不影响搅拌器与电机的同轴度, 两者必须支撑于壁板上, 而不能支撑于地面的平台上,这样罐壁搅拌器就相当于加在罐壁上的偏心载荷, 从而影响了罐体的局部稳定性。
三 地基变形分析
3．1 地基沉降计算
在设计储罐基础时，计算除了要满足规范规定的地基承载力要求外，还应满足地基变形的要求，承台式罐基础仅在符合《建筑地基基础设计规范》第8．5．10条时需进行沉降验算。
3．2 “锅底” 现象的成因与对策
环墙式基础罐底板部分作用在环墙上，其余作用在砂垫层上，环墙仅在空载时，承受大部分的罐壁板的垂直荷载，这个荷载并不大，根据经验可取罐壁板自重的80％。当储罐满载时，由于砂垫层的基床系数远小于环墙的刚度系数，这样会导致储罐在环墙与砂垫层交界处应力的突变，并且使储罐的环板承受向上的拉力。同时，在长时间作用下，罐底中心的沉降量大于底板边缘的沉降量，该沉降差使整个储罐底板呈“锅底”形状，这对罐底板极为有害，随着沉降差的不断变大，底板的变形程度不断加剧，底板的应力也随之加大。在空载与满载反复交替作用下，可能在罐底板局部首先出现裂缝，最终造成罐底板的破裂。一般由于地基沉降的不均匀，在软弱地区，采用环墙式储罐基础引起的罐底板的“锅底”现象非常明显。
罐壁抗风圈
大型储罐常见的破坏形式不是强度破坏, 而是稳定性破坏。大型储罐是薄壁容器, 敞口的外浮顶罐需设置抗风圈以保持罐体的圆度、整体形状以及罐体上部的稳定性。抗风圈和基础的设计是外浮顶储罐设计的2 个最关键问题, 我厂曾有外浮顶罐因抗风圈设计不合理而引起油品外溢到浮盘上的事故发生, 造成不必要的经济损失。
1. 受力分析及强度核算
关于抗风圈的计算及受力分析, 目前还没有相对成熟的方法。其设计也主要采取经验方法。我们可以假定上半部罐壁所承受的风载荷由抗风圈承担, 作用于罐体外壁迎风面的风压按正弦曲线分布,将风压分布范围的抗风圈区段看成两端铰支的圆拱, 也就是把抗风圈看成承受弯曲应力的刚体。抗风圈在风载荷作用下而产生的弯曲应力与抗风圈的抗弯截面系数成反比, 即截面系数越大, 抗风圈的抗风能力越强。因此, 设计中要控制抗风圈的实际截面系数大于满足其强度要求的最小截面系数。
结束语：
总之在应用中储罐失稳变形、油品外溢到浮盘上等事故发生的原因做了简要分析, 在一些储罐的设计中进行了合理的改进,使用效果良好。
参考文献
[ 1] HG 21502. 1~ 2 - 92, 钢制立式圆筒形固定顶、内浮顶储罐系列[ S] .
[ 2] SH 3046- 92, 石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范[S] .
[ 3] 苏翼林. 材料力学[ M] . 北京: 高等教育出版社, 1985. 109, 227-234.