大型立式儲罐計算

1、淺談大型立式儲罐的計算中航黎明錦西化工機械（集團）有限責(zé)任公司技術(shù)中心韓滔2015.3.11一、概述 儲罐是工業(yè)中廣泛使用的儲存設(shè)備，用以儲存石油、石化產(chǎn)品及其類似液體。本課件講述的常壓儲罐，為內(nèi)部氣相空間有直接與大氣相通的開口（即常壓）和存在微內(nèi)壓的大型儲存設(shè)備，而罐壁承受儲液壓力的作用會產(chǎn)生很高的應(yīng)力，為保證儲罐安全、可靠地運轉(zhuǎn)，對儲罐的設(shè)計、施工提出嚴格的要求，認為常壓儲罐而隨意放松設(shè)計要求會導(dǎo)致災(zāi)難性后果，因此必須嚴格遵循有關(guān)的設(shè)計規(guī)范要求。n 本課件重點介紹在常溫和接近常壓的條件下儲存液體的立式圓筒形儲罐，儲罐由平罐底、圓柱形罐壁、角鋼圈和罐頂組成，在施工現(xiàn)場進行組裝焊接。罐底與罐壁

2、采用T型接頭，罐頂與罐壁采用搭接結(jié)構(gòu)。罐頂結(jié)構(gòu)形式只限為錐頂、拱頂兩種。一、概述(續(xù))二、主要載荷n承受載荷主要分為靜載荷、操作載荷、動載荷三大類。n1靜載荷：儲罐自重、隔熱層重量、附加載荷、儲存液體靜壓力、雪載荷。n2動載荷：風(fēng)載荷、地震載荷。n3. 操作載荷：正壓（操作條件決定的氣相空間）、負壓（抽排液或溫度變化形成）。三、 設(shè)計建造規(guī)范n目前國內(nèi)常用的設(shè)計規(guī)范：n1) 設(shè)計壓力：-490Pa6000Pa ，容積大于100m3儲罐應(yīng)按 GB50341-2003立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范；nSH3046-1992石油化工立式圓筒形制焊接儲罐設(shè)計規(guī)范。n 這兩個設(shè)計標(biāo)準主要是參考美國API

3、650鋼制焊接油罐編制的。對于埋地、儲存極度和高度危害的介質(zhì)、人工制冷液體的儲罐不適用這兩個標(biāo)準。 對于極度和高度危害介質(zhì)，一般參考美國API650設(shè)計。n2) 設(shè)計壓力：6000Pa18kPa，應(yīng)按美國API650；n3) 設(shè)計壓力：18kPa103.4kPa低壓儲罐，應(yīng)按美國API620。n本課件使用計算程序引用GB50341-2003 設(shè)計規(guī)范。四、計算程序種類 目前我公司現(xiàn)有的計算程序： n1.1 SEI公司：石油化工靜設(shè)備計算輔助設(shè)計桌面系統(tǒng)中圓筒形儲罐計算程序；n1.2 天辰公司：EXCEL表格式計算程序。n1.3 京鼎公司：EXCEL表格式計算程序 。n1.4 中航黎明錦化機：

4、EXCEL表格式計算程序。 n因常壓儲罐設(shè)計天辰設(shè)計院較多，我公司使用頻率較高為天辰公司計算程序。該程序界面簡潔，數(shù)據(jù)輸入簡單，結(jié)論直觀，修改及打印計算書方便，深受我公司工程技術(shù)人員喜歡。n本課件使用天辰計算程序講述GB50341-2003 需要的計算內(nèi)容。五、如何正確使用計算程序n計算機的廣泛應(yīng)用有效地提高了我們的工作效率，使我們從設(shè)計工作中需要反復(fù)進行設(shè)備零部件強度，剛度計算過程解脫出來，雖然大部分計算內(nèi)容由專業(yè)計算程序支持完成，但工程技術(shù)人員對形成計算書數(shù)據(jù)正確性、完整性負有法律責(zé)任。n由于計算模塊不可能囊括所有技術(shù)細節(jié)，技術(shù)標(biāo)準不斷更新，與設(shè)計模型的不符，常需要我們對簡單計算程序進行修

5、改。n辦法：深入學(xué)習(xí)標(biāo)準，明確計算步驟，正確填寫數(shù)據(jù)，學(xué)會分析重要數(shù)據(jù)合理性。六、重要參數(shù)釋義n1設(shè)計壓力：n1.1定義：罐頂部氣相空間的最高壓力（表壓），其值不應(yīng)低于正常使用時可能出現(xiàn)的最高操作壓力。壓力范圍：-4906000Pan1.2如何輸入：設(shè)計內(nèi)壓：常壓、滿液輸0Pa；微內(nèi)壓輸具體數(shù)值；設(shè)計外壓一般輸安全閥負壓開啟壓力490Pa或給定負壓值，沒有輸0Pa。n2.設(shè)計溫度：n2.1定義：在正常使用狀態(tài)時罐壁及主要受力元件可能達到的最高或最低金屬溫度。溫度范圍：250n2.2如何輸入：操作溫度為常溫或低于50時，設(shè)計溫度取50。n操作溫度為大于等于50，小于90時，設(shè)計溫度取90。n操作

6、溫度為大于等于90時，設(shè)計溫度取最高操作溫度加上20 。n2.3設(shè)計溫度大于等于90，小于250時，按附錄B附加要求修正程序內(nèi)容：n1）罐頂構(gòu)件許用應(yīng)力，還應(yīng)乘表B2.2(P77)確定的設(shè)計溫度下材料的屈服強度與210MPa的比值（不得大于1）六、重要參數(shù)釋義（續(xù)）2）罐頂計算厚度還應(yīng)乘設(shè)計溫度與常溫下鋼材的彈性模量之比3）抗風(fēng)計算中，罐壁的許用臨界壓力應(yīng)乘設(shè)計溫度與常溫下鋼材的彈性模量之比4）微內(nèi)壓儲罐設(shè)計壓力公式中系數(shù)1.1還應(yīng)乘設(shè)計溫度下材料的屈服強度與210MPa的比值（不得大于1）5）有保溫的錨栓的許用應(yīng)力應(yīng)為常溫下許用應(yīng)力乘以表2.2（P22）設(shè)計溫度下屈服強度降低系數(shù)3.許用應(yīng)力

7、如何選?。禾间摵偷秃辖痄摽芍苯影碐B50341查取，高合金鋼許用應(yīng)力確定按SH3046-1992查取，不能用GB150中數(shù)值。4.焊接系數(shù):一般取0.9,當(dāng)標(biāo)準規(guī)定的最低屈服強度大于390MPa時取0.85， 儲存極度和高度危害的介質(zhì)時，天辰取1.05.直徑范圍：公稱直徑5mDN 2000時，td= 4.9D(H-0.3)/(d)+ 0.5PD/(t)+C1s+C2sn 儲存介質(zhì)條件下 八、罐壁計算模塊(續(xù))n罐壁名義厚度不得小于計算厚度加壁厚附加量的較大值，且不得小于表6.3.3規(guī)定值(P27)。由于罐壁高度通常大于鋼板寬度，所以罐壁總是用多圈鋼板組焊而成;壁厚從下向上逐層遞減,相鄰壁厚差最

8、好不超過2mm;底圈壁板是產(chǎn)生周向拉應(yīng)力及縱向彎曲應(yīng)力最大部分，所以有意將底圈壁板加厚。n2) 判別設(shè)置中間抗風(fēng)圈數(shù)量、位置步驟：nA.核算區(qū)間的罐壁筒體許用臨界壓力PcrnB.計算存在內(nèi)壓的固定頂油罐罐壁筒體的設(shè)計外壓PonC.判斷中間抗風(fēng)圈數(shù)量、位置(P33-6.5.4)n注意：天辰計算程序只給出一個中間抗風(fēng)圈位置，當(dāng)需設(shè)兩個以上數(shù)量時，設(shè)置位置按標(biāo)準具體給出。八、罐壁計算模塊(續(xù))九、罐底計算模塊罐底計算罐底計算不包括腐蝕裕量底板邊緣板最小公稱厚度 (P20頁)mm6.00 不包括腐蝕裕量底板中幅板最小公稱厚度 (P20頁)mm6.00 是否需要環(huán)形邊緣板 不需要設(shè)環(huán)形邊緣板罐底不包括腐

9、蝕裕量底板環(huán)形邊緣板的最小公稱厚度mmtb12.00 充裝系數(shù) 0.900 設(shè)計最高液位mHw5.67 環(huán)形邊緣板與中幅板焊縫與罐壁板內(nèi)表面距離 mm/九、罐底計算模塊(續(xù))n說明：n1）設(shè)置環(huán)形邊緣板依據(jù)：DN12.5mn2）罐壁內(nèi)表面至邊緣板與中幅板之間的連接焊縫的最小距離，取Lm=215tb/sqr(Hw*），600間大值。需按實際圖紙上尺寸放樣比較設(shè)置是否合理。n3）罐底板、邊緣板厚度常取最底圈壁厚。十、罐頂計算模塊罐頂計算罐頂計算設(shè)計溫度 0Ctt100罐頂材料 （碳鋼cs：1，不銹鋼ss：2,碳錳鋼3） 1罐頂形式 （錐頂：1，拱頂：2） 2罐頂設(shè)計外壓 PaP Po1800罐頂材

10、料設(shè)計溫度下的彈性模量 PaEtEt191000罐頂材料常溫下的彈性模量與設(shè)計溫度下的彈性模量之比 0.994791666罐頂材料的負偏差 mm0.3頂起始角 (錐頂取15o ,拱頂按下面計算) 24.77 拱頂半徑 錐頂時,不輸入（常用0.8D1.2D）Rs12600 罐頂計算厚度（包括附加量） 錐頂:0.21D/sin+C1r+C2r 拱頂:0.42Rs+C1r+C2rmmths6.59 罐頂最小厚度t mmtmin5.5罐頂名義厚度 mmtm6十、罐頂計算模塊(續(xù))拱頂計算拱頂計算與罐內(nèi)壁距離 (包邊角鋼在內(nèi)側(cè)為正,外側(cè)為負)mma-30扇形頂板個數(shù) D*/1800n18.4 20中心板

11、直徑 mmLo1500 拱頂半徑 mmRs12600 展開長度 mmL14748 大端展開半徑 mmR15815 小端展開半徑 mmR2701 大端弦長 mmL21693 小端弦長 mmL3258 大端弧長 mml11699 小端弧長 mml2260 拱頂高度 mmh1172 拱頂起始角 24.77 扇形頂板重量 kgGs218.03 中心頂板重量 kgGc83.23 無肋板時罐頂?shù)呐R界壓力 0.1*Et(trn-c1r-c2r)/Rs/1000)2PaPcr2658 罐頂設(shè)計外壓 PaPo1800*需加厚拱頂或加肋需加厚拱頂或加肋*十、罐頂計算模塊(續(xù))加強肋計算加強肋計算拱頂有效厚度 tr

12、n-cr1-cr2mmth6.2經(jīng)向肋的厚度 mmb15.7緯向肋的厚度 mmb25.7經(jīng)向肋的寬度 mmh1 50緯向肋的寬度 mmh250經(jīng)向肋的最大間距 mmL1s1699緯向肋的最大間距 mmL2s1200經(jīng)向帶肋組合截面型心到頂板中心面的距離 mme10.57 緯向帶肋組合截面型心到頂板中心面的距離 mme20.81 經(jīng)向帶肋截面的面積折算系數(shù) mmn11.02 緯向帶肋截面的面積折算系數(shù) mmn21.03 經(jīng)向帶肋截面平均抗彎剛度值 D128075199 緯向帶肋截面平均抗彎剛度值 D237943925 殼板抗彎剛度值 D3793387 帶肋拱頂?shù)恼鬯愫穸?mmtm10.50 帶肋

13、拱頂許用臨界壓力 0.1*Et(tm/Rs/1000)2(th/tm)0.5PaPcr10185 罐頂設(shè)計外壓 PaPL1800*校核合格校核合格*十、罐頂計算模塊（續(xù)）n1. 罐頂計算：n 罐內(nèi)液面以上的氣相空間的壓力是變化的，在此空間內(nèi)會產(chǎn)生正壓或負壓，因此罐頂具有承受內(nèi)壓作用的強度和承受負壓作用的穩(wěn)定性。n2.GB50341-2003罐頂只講自支撐式錐頂和自支撐式拱頂兩種：n(1)自支撐式錐頂：用于直徑不大于10m；n(2)自支撐式拱頂：a.光面拱頂：用于直徑D12m；n b.帶筋拱頂：常用直徑12mD32m；n3. 罐頂主要由中心頂板和扇形板兩部分組成。n規(guī)定：VN1000m3時，中心

14、頂板直徑為1500mm， n 1000m3VN5000m3時,中心頂板直徑為2100mm。n 扇形板的塊數(shù)為4的倍數(shù)。十一、罐頂計算模塊(續(xù))n4.經(jīng)向肋的最大間距=扇形板大端弧長n 緯向肋的最大間距=徑向等分間距n5.罐頂設(shè)計外壓P的確定n P1主要考慮罐頂自重N/m2(Pa)：單位面積的重力，當(dāng)有保溫層時應(yīng)考慮保溫層的重量；n P2罐內(nèi)操作負壓（取1.2倍呼吸閥的負壓定壓壓力）Pa；n P3附加載荷（如雪載荷或活動載荷）一般不小于700Pa。 為保證罐頂具有足夠的穩(wěn)定性，P2與P3之和不應(yīng)小于1200Pa,當(dāng)雪載超過600 Pa時，應(yīng)加上超過的部分；n 計算外壓：P= P1+ P2+ P3

15、（簡化P=P1+1200）n6. 隨著儲罐容量和直徑的增大，光面球殼的設(shè)計厚度隨之增大，從而使罐頂?shù)匿摬挠昧吭龃?，投資費用增高。對于由外壓起控制作用的球殼，為了減輕罐頂?shù)闹亓?，?jié)約成本，當(dāng)12mDN32m時，基本上采用帶肋球殼罐頂，其受力特點是：承載主體為球殼板和肋條構(gòu)成的組合截面。十二、罐頂與包邊角鋼連接處計算模塊(續(xù))連接處的有效面積連接處的有效面積 包邊角鋼規(guī)格 80 x80 x10包邊角鋼面積 mm2A11500殼體側(cè)的面積 0.6(1000D/2*tmin)0.5*tmin mm2A2309.41 罐頂側(cè)的面積 max(0.3(1000D/2/sin*th)0.5,300)*thmm

16、2A3518.39 罐壁與罐頂連接處的有效面A1*(角鋼-C2s)/角鋼+A2+A3 mm2Aa 1428 罐壁與罐頂連接處所需面積 拱頂:見P41頁和P73頁 錐頂:見P40頁和P73頁 mm2An1 609 帶筋拱頂罐壁與罐頂連接處所需面積 4.6DRnPL/2200/1000mm2An2 609 *校核合格校核合格-Passed*十二、罐頂與包邊角鋼連接處計算模塊（續(xù)）n罐頂與包邊角鋼的焊接：罐頂與包邊角鋼采用較弱連接方式，在其外側(cè)采用單面連續(xù)焊保證罐體封閉，其焊角高度不大于罐頂板厚度的3/4,且不大于4mm。目的在于當(dāng)罐內(nèi)超壓或安全裝置失靈時，盡可能從此處破壞掀開，減少罐壁及罐底破壞而

17、造成重大損失。n包邊角鋼的選取：十三、微內(nèi)壓儲罐計算模塊 微內(nèi)壓儲罐計算微內(nèi)壓儲罐計算 罐壁與罐頂連接處的有效面積 mm2A1428 設(shè)計內(nèi)壓 1000(1.1Atg/D2+0.08th)PaP7071 罐壁和由罐壁及罐頂所支撐構(gòu)件(不包括罐頂)重量kgmt17500 罐底板不被抬起的最大內(nèi)壓 1000*(0.00125mt*g/D2+0.08th)PaPmax2440 破壞壓力 1000(1.6P-0.047th)PaPf11313 *罐壁與罐頂連接處校核合格罐壁與罐頂連接處校核合格-passed*需要進行地腳螺栓計算需要進行地腳螺栓計算*十三、微內(nèi)壓儲罐計算模塊n說明：n1.計算罐底板不被

18、抬起的最大內(nèi)壓Pmaxn2.計算罐壁與罐頂連接處發(fā)生屈曲破壞時壓力Pfn3.結(jié)論1：PfPs;罐壁與罐頂連接處滿足內(nèi)壓n 下破壞壓力的要求。n4.結(jié)論2：若Pmax Ps 校核合格，可不進行 n 地腳螺栓計算。 n 若Pmax=24,有腐蝕時取30) mmd36地腳螺栓個數(shù) n2024設(shè)計壓力時地腳螺栓的許用應(yīng)力 sd /2 118 設(shè)計壓力加風(fēng)載加地震載荷時許用應(yīng)力 2sd /3MPaFt1157 試驗壓力時許用應(yīng)力 2st /3MPa 157 1.5倍破壞壓力時許用應(yīng)力 sd MPa 235 螺栓根徑截面積 (D根徑-2*/4)mm2A 518 空罐時1.5倍設(shè)計壓力與設(shè)計風(fēng)壓下地腳螺栓應(yīng)

19、力 (1500*P1+1000P2-+Gc)/n/Am MPaFt117 空罐時1.25倍試驗壓力下地腳螺栓應(yīng)力 ( 1.25*1.25*P*D2/4-G)/n/AmMPaFt24 滿液時1.5倍破壞壓力下地腳螺栓應(yīng)力 (1.5Pf*D2/4-G)/n/AmMPa101*校核合格校核合格-Passed*十四、地腳螺栓計算模塊（續(xù)）十五、抗震計算抗震計算抗震計算儲液耦連振動基本周期 sTc0.0922747 儲罐內(nèi)半徑 mR5.25罐壁距底板1/3高度處有效厚度 m30.0037油罐設(shè)計最高液位 mHw5.67 耦連振動周期系數(shù) Kc0.0004320 晃動周期系數(shù) Ks1.068074074液體晃動基本周期 sTw3.46095556反應(yīng)譜特征周期 P83頁 Tg0.35地震影響系數(shù)最大值 P83頁 max0.23地震影響系數(shù) 0.02924911罐內(nèi)液面晃動波高,m mhv0.230336741耦連振動基本周期 Tcs0.092274739綜合影響系數(shù) Cz0.4地震影響系數(shù) 0.220227545罐體影響系數(shù)