管道及儲罐強度設計

1、管道：管子、連接件、閥門等連接而成用于輸送氣液體和帶固體顆粒流體的裝置強度：金屬材料在外力作用下，抵抗永久變形或斷裂的能力地面敷設的優(yōu)缺點 優(yōu)點：不影響土壤環(huán)境，且不受地下水位影響，檢修方便發(fā)現(xiàn)和清除事故容易。 缺點：管道直接設置在空氣中，對于非常溫管增加冷熱能量的損失，限制了通道的高度，不美觀。失效機理： 材料：a.塑性失穩(wěn)b.斷裂c.疲勞d.應力腐蝕開裂e.氫致開裂f.裂紋的動態(tài)擴展。結(jié)構(gòu)喪失了穩(wěn)定性 a.塑性失穩(wěn)：由于變形引起的截面幾何尺寸的改變而導致的喪失平衡的現(xiàn)象。圖b.斷裂：由于裂紋的不穩(wěn)定擴展造成的。產(chǎn)生原因：制造焊縫，母材缺陷、夾渣、分層等；施工機械損傷、表面劃度、凹坑；運行介

2、質(zhì)、腐蝕環(huán)境。 c.疲勞：材料在交變應力作用下的破壞。原因：內(nèi)壓變化間歇輸送、正反輸送、輸氣；外力變化風載荷、海底管跨的渦激振動、公路下未加套管的管道 d.應力腐蝕開裂：基本條件：局部環(huán)境；敏感元件；應力條件e.氫致開裂:H2S-酸性環(huán)境，腐蝕產(chǎn)生氫侵入鋼內(nèi)而產(chǎn)生的裂紋。 f.裂紋的動態(tài)擴展：輸氣管道特有的現(xiàn)象 管道的結(jié)構(gòu)失穩(wěn):a 軸向載荷-軸向失穩(wěn)b外壓-徑向失穩(wěn)c彎曲-徑向失穩(wěn)d聯(lián)合載荷-徑向失穩(wěn)。 彈性敷設是利用管道在外力或自重作用下產(chǎn)生彈性彎曲變形來改變管道的走向或適應高程的變化。 按工藝分，彎頭可以分為預制彎管、冷彎彎管、熱煨彎管 永久荷載：施加在管道上不變的，其變化與平均值相比可以

3、忽略不計，其變化是單調(diào)的并且趨于限值的荷載。 可變載荷：施加在管道結(jié)構(gòu)上由人群、物料、交通工具引起的使用或占用荷載 偶然荷載：設計使用期內(nèi)偶然出現(xiàn)或不出現(xiàn)其數(shù)值很大，可持續(xù)時間很短的荷載。 環(huán)向應力是由管道輸送介質(zhì)的內(nèi)壓產(chǎn)生的。地下管道產(chǎn)生軸向應力的原因是溫度變化和環(huán)向應力的泊松效應。 管道熱應力:在管道中由于溫度變化產(chǎn)生的應力.管道出現(xiàn)溫度變化的主要原因:管道在敷設施工時的溫度由外部氣溫決定，而在運行過程中則由輸送產(chǎn)品的溫度決定，兩者之間必然存在差別，不可避免在管道運行過程中產(chǎn)生應力或伸縮變形。地下管道應力應變的特點:根據(jù)摩擦阻力與熱伸縮力的大小，可以將埋地管道分成自由伸縮段、過渡段和嵌固段

4、。在自由伸長段，土壤與管壁的摩擦力為零，也即在該截面處不受約束可以自由伸長，其變形量也大，隨著管道向埋地段延伸時，土壤與管壁之間的摩擦阻力越來越大，管段受到周圍土壤的約束，使管道變形量越來越小，這段稱為過渡段。當這一變化達到某一長度時，摩擦阻力與熱伸縮力相平衡，管段的伸縮完全被約束，即不會因溫度的變化而產(chǎn)生伸縮變形，受到完全的強制補償，此段稱為嵌固階段。管道發(fā)生下沉會在管道上產(chǎn)生兩種新的應力：一是由于管道偏離原來的直線位置產(chǎn)生彎曲，從而產(chǎn)生新的彎曲應力；二是由于管道彎曲而使管道的長度有所增加而產(chǎn)生的拉伸應力。支墩的作用是限制管道的熱伸長量。支墩按型式可以分為上托式支墩、預埋式支墩、卡式支墩應力

5、增強系數(shù)：彎管內(nèi)弧環(huán)向應力比直管環(huán)向應力增大的倍數(shù)。應力縮減系數(shù)：彎管內(nèi)弧環(huán)向應力比直管環(huán)向應力減小的倍數(shù)彎管的環(huán)向應力的分布規(guī)律： 當=0°或=180°時，即彎管的中線處，也就是水平彎管的最上和最下處， 和直管的環(huán)向應力相同。 當=270°時，即在水平彎管的內(nèi)側(cè)弧面上可得 此處有2的最大值。 當=90°時，即在水平彎管的外側(cè)弧面上可得 此處有2的最小值。軸向應力特點：彎管在內(nèi)壓作用下其軸向應力和直管相等。 彎管柔性比直管大，主要是由于在直管彎曲半徑方向，管子截面上出現(xiàn)了扁率。這個扁率是由于彎管制造上的原因。來自熱脹而產(chǎn)生的彎矩。管道上的三通是由兩個圓柱

6、殼體成直角（也可以是斜角）的組合件，常用于主管與支管的連接。 管道三通有以下制造形式：熱沖壓法制造成的三通，它主要用于小口徑管道；由兩個沖壓成型的零件焊接成的沖壓焊接三通；以及專門的補強圈和無補強圈的焊接三通。補強原則：等面積補強法。 三通分為整體三通和焊接三通三通補強的原因：由于三通處曲率半徑發(fā)生突然變化以及方向的改變,為了保持主支管接管處的變形協(xié)調(diào)，必將導致在主支管接管處出現(xiàn)相當大的應力集中現(xiàn)象，?？杀韧暾艿赖膽Ω叱?到7倍。 三通補強的方式：只要將接管出的主管或支管加厚（或兩者同時加厚）或采用補強的方法便可降低峰值要求，滿足強度要求。 開孔補強設計計算方法主要有等面積法，極限分析法和

7、安定性理論。 管壁上任意一點的應力狀態(tài)：環(huán)向應力：由管道的內(nèi)壓產(chǎn)生，再有外壓的情況下，管道外壓也引起環(huán)向應力；軸向應力：內(nèi)壓、外壓、熱膨脹以及其他力和彎矩都可能產(chǎn)生軸向應力。地上管道和地下管道的載荷的受力差異和相同點：地下管道受的是永久載荷（主要輸送介質(zhì)的內(nèi)壓力）可變載荷（主要試運行時的水重量）偶然載荷地上管道受的是垂直載荷（垂直載荷包括管道自重，保溫結(jié)構(gòu)重量，管內(nèi)輸送介質(zhì)重量，管道附件重量）橫向水平載荷（橫向水平載荷主要風載荷），軸向水平載荷（軸向水平載荷包括三項：管道的軸向摩擦力，管道內(nèi)壓引起的不平衡軸向力，補償器的反彈力）相同點：都受輸送介質(zhì)內(nèi)壓作用都是根據(jù)環(huán)向應力決定壁厚，再與軸向應力

8、組合進行校核。地上敷設管道的支承形式分類：按支架高低分類（低支架敷設，中支架和高支架敷設，沿墻敷設）按管架的結(jié)構(gòu)形式分類（獨立式管架和組合式管架），按支架對管道的約束形式分類（又分為固定支架和活動支架），按管道的跨越形式分類。 活動支架：在固定支架處，管子焊在固定支架上，管道與管架之間不能發(fā)生相移 ,兩個固定支架之間的若干管架，只作為管道支承，而不約束管道的熱膨脹，管道與支架之間可發(fā)生相對位移。架空管道的載荷根據(jù)作用方向的不同分為：垂直載荷，橫向水平載荷，軸向水平載荷垂直載荷包括管道自重，保溫結(jié)構(gòu)重量，管內(nèi)輸送介質(zhì)重量，管道附件重量。橫向水平載荷主要是風載荷。軸向水平載荷包括三項：管道的軸向摩

9、擦力，管道內(nèi)壓引起的不平衡軸向力，補償器的反彈力。 管道跨度：兩支承間的距離稱為管道跨度。管道跨度按管子的強度和剛度條件確定。 按強度條件確定管道的最大允許跨度：在外載荷作用下，管道截面上產(chǎn)生的最大應力不得超過管材的許用應力，以保證管道強度方面的安全可靠。 按剛度條件確定管道跨度：管道在一定的跨度下總有一定的撓度，根據(jù)對撓度的限制所確定的管道允許跨度。補償器：在溫度較高的管道系統(tǒng)中，一般采取某種形式的補償，以增加管道的彈性，減小熱脹效應。這種能減小熱應力的伸縮裝置或彎曲的管段稱為補償器。 按形成原因，補償器可以分為自然補償器（由于工藝需要，在布置管道時，自然形成的彎曲管段包括L型和Z型),人工

10、補償器（專門設置的用來吸收管道熱膨脹的彎曲管段和收縮裝置，主要包括型或波紋型，填料函式） 在管路上設置彎曲管段的結(jié)構(gòu)形式有：L 型,Z 型, 型， 型補償器。（ 型的特點：補償能力大) 補償器的設計計算方法：彈性中心法，簡化計算方法，圖解法，計算程序法。大型化油罐的優(yōu)點：節(jié)省鋼材 節(jié)省投資 占地面積小 便于操作管理(檢尺、維護、保衛(wèi)）節(jié)省管線及配件 大型化過程中遇到的問題：強度越高，斷裂韌性越低 鋼板越厚，在焊縫熱影響區(qū)易產(chǎn)生裂紋鋼板強度等級越高，可焊性越低 D減小，剛性降低，抗風載荷能力下降抗震能力設計及措施 油罐基礎設計地基沉陷能力計算鋼油罐承載能力的基本要求：足夠的強度足夠的抵抗斷裂能力

11、足夠的抵抗風載荷能力足夠的抗震能力油罐要有足夠的穩(wěn)固基礎。鋼油罐分類根據(jù)其形狀分：立式圓柱形油罐，臥室圓柱形油罐，特殊性油罐根據(jù)材質(zhì)分類：a金屬：立式圓柱形油罐，臥室圓柱形油罐，特殊性油罐 b 非金屬根據(jù)埋設方式分類：地上 地下 半地下 臥式圓柱形油罐特點：臥室圓柱形油罐容積一般較小，但承壓能力較高，易于運輸，有利于工廠化制造；受力狀況好、承壓能力高、降低油品蒸發(fā)消耗效果顯著，但是這類油罐施工困難。應用：多用來儲存需要量不大的油品，或用于工廠、農(nóng)村的小型油庫；目前只有球形管被廣泛用于儲運液化氣和某些高揮發(fā)性的化工產(chǎn)品。立式圓柱形鋼油罐由底板、壁板、灌頂及一些油罐附件組成。其管壁部分的外形為母線

12、垂直于地面的圓柱體。 立式圓柱形油罐根據(jù)其頂部結(jié)構(gòu)的不同又可分為：浮頂油罐拱頂油罐內(nèi)浮頂油罐錐頂油罐無力矩頂罐 罐壁受力分析罐壁主要受儲液靜壓力的作用，罐壁受力的另一個方面是邊緣應力 邊緣應力：罐壁收到靜水壓力的作用，將沿徑向發(fā)生變形，在罐底和壁的連接處，由于罐底對罐壁的約束，阻礙罐壁在下結(jié)點處的徑向位移，因此在罐壁下端將受到縱向彎曲力矩M0和剪力Q0，這個彎矩和剪力是由罐底約束彎壁的邊緣變形產(chǎn)生的，同時有相反方向的M0和Q0作用在和罐壁相連接的罐底環(huán)板上，這種現(xiàn)象叫做邊緣效應，所產(chǎn)生的應力叫做邊緣應力。 定點法與變點法的區(qū)別：定點設計法能在一定范圍內(nèi)較好地反應各層圈罐壁板的實際應力水平，計算

13、簡單，得到了廣泛應用變點設計法能考慮罐底板的約束對罐壁受力的影響，同時也考慮了下層厚壁板對上層薄壁板的影響。確定各圈環(huán)向應力最大處的位置，按該位置的薄膜環(huán)向應力計算各圈板的壁厚。這樣各圈板壁厚的計算，就不是統(tǒng)一地以距各圈底邊0.3m為計算點，而是各圈將有不同位置的計算點。 罐壁開孔補強的原因、方法、原則：原因：在罐壁上開孔后將在孔的附近產(chǎn)生應力集中，其峰值應力通常達到罐壁基本應力的3倍甚至更高。這樣的局部應力，再加上開孔結(jié)構(gòu)在制造過程中不可避免地會形成缺陷和殘余應力，如不采取適當?shù)难a強措施，就很有可能在孔口造成疲勞破環(huán)或脆性裂口，使孔口處撕裂方法：由于應力集中的影響只在孔的附近，離孔邊不遠處應

14、力就很快下降，因此補強金屬應直接焊在孔的附近才能起到作用，一般做法都是將補強圈板緊貼孔口周圍（補強金屬緊貼孔口周圍的原因）。補強板厚度通常采用與罐壁厚度的相同值，通過計算就可以確定補強板的尺寸。原則：開孔補強的原則是等截面。即等面積補強。 罐壁邊緣應力的位置：罐壁與地板連接處 壁厚突變處。 對油罐與底板連接處應力分析的基本假設：油罐充液以后，罐壁上不再內(nèi)壓作用下可以自由變形（徑向）,但下部在罐壁與罐底連接處，因受罐底的約束，此處罐壁的徑向位移為零;在油罐荷載作用下，罐底板 L長的距離離開了基礎。 油罐壁的變形可以看作是靜水壓力作用下罐壁的自由變形和在罐底受約束力（彎矩和剪力）作用下罐壁變形的疊

15、加（小變形假設）。立式油罐常用的固定頂（包括內(nèi)浮頂罐上的固定頂），按其支承形勢可分為自支承拱頂、自支承錐頂和柱支承錐頂?shù)刃问健?油罐固定頂?shù)脑O計內(nèi)容包括罐頂計算荷載的確定、罐頂結(jié)構(gòu)、以及包邊角鋼、球殼和柱支承的設計等。 罐頂?shù)暮奢d包括外荷載和內(nèi)荷載。外荷載由球殼的自重、罐內(nèi)在操作條件下可能產(chǎn)生的真空度、雪載、活荷載組成。罐頂?shù)膬?nèi)載荷是由罐內(nèi)的油氣壓力產(chǎn)生。 拱頂是一種自支承式的罐頂，形狀近似球面，靠拱頂周邊支承于焊在罐壁的包邊角鋼上,球面由中心蓋板和瓜皮板組成，瓜皮板一般做成偶數(shù)，對稱安排，板與板之間互相搭接。 包邊角鋼通常采用 A、B兩種型式。A型焊接工作量少，但角鋼還需加熱后沖壓成形，比較

16、麻煩。B型焊接工作量較大，但施工工藝較容易。B型每隔一段間距需加設肋板，肋板圓周間距可取1.5m左右。 包邊角鋼的作用：起到加強罐壁頂圈起到和罐頂板連接的作用。錐頂與一般房屋結(jié)構(gòu)相似，它由頂板、斜椽、橫梁和支柱組成。荷載由頂板經(jīng)斜椽、橫梁通過支柱傳給基礎。浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式：雙盤式，單盤式。 雙盤式特點：雙盤式隔熱效果好，多用來存放輕質(zhì)油，常作為儲油廠的成品罐和中間罐，也用作商業(yè)油庫的中間或發(fā)放油庫；耗費金屬較多，加工費較高。 浮頂罐的附件及作用：中央排水管：為了及時排放匯集于浮頂上的雨水 轉(zhuǎn)動扶梯：作為到達浮頂?shù)耐ǖ?浮頂立柱：在頁面較低位置時，浮頂隨之下降并支承在立柱上，以免浮頂與罐內(nèi)的附件相

17、撞，二是為了檢修時，浮頂立于柱上，以便維修人員由人孔進入罐底與浮頂之間的空間內(nèi)進行檢修或清掃罐底上的沉積物。 自動通氣閥：當浮頂支于立柱上之后如繼續(xù)發(fā)油時，不致在浮頂下出現(xiàn)真空，以免將浮頂壓壞。浮頂在上述位置進油是，避免在浮頂與液面間出現(xiàn)空氣層。 緊急排水口：當中央排水管失效或因雨量過大中央排水管來不及排水而造成單盤積水時，使水由緊急排水口直接排入罐內(nèi)。 艙室入口：及人孔，為維修人員提供進入罐內(nèi)的通道，定期進行艙室檢查有無泄漏或滲油處，并及時檢修。 密封裝置的分類，及各類型的特點和密封原理： 機械密封：一是把滑板緊密地推在管壁上，二是可以調(diào)心，即浮頂由于外力向一邊偏移時，機械密封可以產(chǎn)生相反的

18、力，使浮頂回到中心位置。 缺點：存在油氣空間，損耗較大，適應性差，被逐漸淘汰。 軟泡沫塑料密封：依靠常處于壓縮狀態(tài)的聚氨酯軟泡沫塑料的回彈力來實現(xiàn)密封。油氣損耗較機械密封小，且適用性好，缺點是由于泡沫塑料長期處于壓縮狀態(tài)，從而產(chǎn)生塑性變形,使其密封力逐漸減弱，最終造成失效。 管式密封：管式密封依靠橡膠管內(nèi)液體的側(cè)壓力實現(xiàn)密封。優(yōu)點是液體能在密封管內(nèi)流動，對罐壁壓緊力比較均勻。 唇式密封：該密封與軟泡沫塑料相似，只是外形作為唇形。氣密性較一般泡沫塑料好，沒有一般軟泡沫塑料密封在浮船上下移動時易產(chǎn)生滾動，扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。缺點是結(jié)構(gòu)復雜，難于加工，價格較貴。 四個準則計算校核條件第一準則是對于單盤式浮頂，

19、設計時應做到單盤板和任意兩個相鄰艙室同時破裂時，浮頂不沉沒；對于雙盤式浮頂，設計應做到任意兩個艙室破裂時浮頂不沉沒。 第二準則在整個灌頂面積上有 250mm 降雨量的水積存在單盤上時浮頂不沉沒。 第三準則為在在正常操作條件下，單盤與儲液之間不存在油氣空間。 第四準則在前三個準則條件下，浮頂能保持結(jié)構(gòu)完整性，不產(chǎn)生強度或失穩(wěn)性破壞。 罐底板的排板方式，主要是考慮到底板焊接的變形量小，易于施工，以及節(jié)約鋼材等因素來決定的。當油罐內(nèi)徑不超過 12.5m 時，可采用巨型的中幅板和邊緣版組成的條形排板方式；當油罐內(nèi)徑大于 12.5m 時，采用周邊為弓形邊緣板的排板方式。 對于油罐尤其是大型油罐的威脅主要

20、來自兩個方面，一是基礎不均勻沉陷，二是材料的脆性斷裂破壞。 油罐基礎的沉陷5種類型均勻沉陷整體傾斜不均勻沉陷盤形不均勻沉陷壁板周邊的不均勻沉陷壁板周邊的局部沉陷（壁板周邊的不均勻和壁板周邊的局部沉陷實際上屬于同一類型，是最危險的一種沉陷） 設計風壓計算：對于敞口油罐，如浮頂罐，設計風壓為：P=K1K2KZ0 對于固定頂油罐，如拱頂油罐設計風壓為：P=K1KZ0+KsP對于內(nèi)浮頂油罐，既無風壓引起的負壓，也無需設呼吸閥，故設計風壓為P=K2KZ0 敞口油罐應設置抗風圈以保持油罐經(jīng)受風載荷時的圓度?？癸L圈設置在油罐的頂部，我國通常將抗風圈置于包邊角鋼以下1m的位置上。抗風圈所需最小截面系數(shù)WZ=0.082D2H D油罐內(nèi)徑 H罐壁全高 WZ抗風圈所需最小截面系數(shù)設置了抗風圈以后。罐體的上部保持了圓度，但抗風圈下面的筒體仍有可能局部被吹癟，為了解決這個問題，需在下部適當?shù)奈恢迷O置加強圈。 加強圈的設計與計算存在的問題：罐外壁風壓分布不均勻油罐為階梯形變截面圓筒，筒體母線無法用一個單一的方程式