大型立式儲罐計算

淺談大型立式儲罐的計算,中航黎明錦西化工機(jī)械（集團(tuán)） 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(yùn)轉(zhuǎn)，對儲罐的設(shè)計、施工提出嚴(yán)格的要求，認(rèn)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(yán)格遵循有關(guān)的設(shè)計規(guī)范要求。 本課件重點(diǎn)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(jìn)行組裝焊接。罐底與罐壁采用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,承受載荷主要分為靜載荷、操作載荷、動載荷三大類。 1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。 2動載荷：風(fēng)載荷、地震載荷。 3. 操作載荷：正壓（操作條件決定的氣相空間）、負(fù)壓（抽排液或溫度變化形成）。,三、 設(shè)計建造規(guī)范,目前國內(nèi)常用的設(shè)計規(guī)范： 1) 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； SH3046-1992石油化工立式圓筒形制焊接儲罐設(shè)計規(guī)范。 這兩個設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要是參考美國API650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(zhǔn)。 對于極度和高度危害介質(zhì)，一般參考美國API650設(shè)計。 2) 設(shè)計壓力：6000Pa18kPa，應(yīng)按美國API650； 3) 設(shè)計壓力：18kPa103.4kPa低壓儲罐，應(yīng)按美國API620。 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： 1.1 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； 1.2 天辰公司：EXCEL表格式計算程序。 1.3 京鼎公司：EXCEL表格式計算程序 。 1.4 中航黎明錦化機(jī)： EXCEL表格式計算程序。 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。 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,計算機(jī)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(jìn)行設(shè)備零部件強(qiáng)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(fù)有法律責(zé)任。 由于計算模塊不可能囊括所有技術(shù)細(xì)節(jié)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行修改。 辦法：深入學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)，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,1設(shè)計壓力： 1.1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：-4906000Pa 1.2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(fù)壓開啟壓力490Pa或給定負(fù)壓值，沒有輸0Pa。 2.設(shè)計溫度： 2.1定義：在正常使用狀態(tài)時罐壁及主要受力元件可能達(dá)到的最高或最低金屬溫度。溫度范圍：<250 2.2如何輸入：操作溫度為常溫或低于50時，設(shè)計溫度取50。 操作溫度為大于等于50，小于90時，設(shè)計溫度取90。 操作溫度為大于等于90時，設(shè)計溫度取最高操作溫度加上20 。 2.3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： 1）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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度降低系數(shù) 3.許用應(yīng)力如何選取：碳鋼和低合金鋼可直接按GB50341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(zhǔn)規(guī)定的最低屈服強(qiáng)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1.0 5.直徑范圍：公稱直徑5m<DN<32m，公稱直徑小于等于5米常壓儲罐一般不用計算。,七、設(shè)計條件輸入,設(shè)計條件輸入可按圖紙技術(shù)特性表數(shù)據(jù)給出。,八、罐壁計算模塊,八、罐壁計算模塊(續(xù)),八、罐壁計算模塊（續(xù)）,1.遵循設(shè)計原則： a.強(qiáng)度要求：罐壁承受儲液靜壓力，靜壓力從上至下逐漸增大，即沿著罐壁高度方向每一點(diǎn)的承受壓力不同，因此在靜壓力作用下罐壁中每一點(diǎn)的應(yīng)力不得大于鋼材的許用應(yīng)力； b.穩(wěn)定性方面：罐內(nèi)的負(fù)壓和風(fēng)載的作用可能會使罐壁發(fā)生穩(wěn)定失效破壞，因此要考慮罐壁的加強(qiáng)（增加罐壁厚或采用加強(qiáng)圈）。 2.對于大容量或多臺不同容量的儲罐，設(shè)計排版時應(yīng)考慮鋼板規(guī)格盡可能少，天辰統(tǒng)一規(guī)定碳鋼按1.8m板幅排版，不銹鋼按1.5m板幅排版。 3.罐壁計算模塊包括壁厚、是否設(shè)置中間抗風(fēng)圈及數(shù)量、位置兩部分計算。 1)當(dāng) P 2000時，td=4.9D(H-0.3)/(d)+ C1s+C2s 儲存介質(zhì)條件下 tt=4.9D(H-0.3)/(t) )+ C1s+C2s 儲水條件下 當(dāng) P 2000時，td= 4.9D(H-0.3)/(d)+ 0.5PD/(t)+C1s+C2s 儲存介質(zhì)條件下 ,八、罐壁計算模塊(續(xù)),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。 2) 判別設(shè)置中間抗風(fēng)圈數(shù)量、位置步驟： A.核算區(qū)間的罐壁筒體許用臨界壓力Pcr B.計算存在內(nèi)壓的固定頂油罐罐壁筒體的設(shè)計外壓Po C.判斷中間抗風(fēng)圈數(shù)量、位置(P33-6.5.4) 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(zhǔn)具體給出。,八、罐壁計算模塊(續(xù)),九、罐底計算模塊,九、罐底計算模塊(續(xù)),說明： 1）設(shè)置環(huán)形邊緣板依據(jù)：DN12.5m 2）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(shí)際圖紙上尺寸放樣比較設(shè)置是否合理。 3）罐底板、邊緣板厚度常取最底圈壁厚。,十、罐頂計算模塊,十、罐頂計算模塊(續(xù)),十、罐頂計算模塊(續(xù)),十、罐頂計算模塊（續(xù)）,1. 罐頂計算： 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(fù)壓，因此罐頂具有承受內(nèi)壓作用的強(qiáng)度和承受負(fù)壓作用的穩(wěn)定性。 2.GB50341-2003罐頂只講自支撐式錐頂和自支撐式拱頂兩種： (1)自支撐式錐頂：用于直徑不大于10m； (2)自支撐式拱頂：a.光面拱頂：用于直徑D12m； b.帶筋拱頂：常用直徑12mD32m； 3. 罐頂主要由中心頂板和扇形板兩部分組成。 規(guī)定：VN5000m3時,中心頂板直徑為2100mm。 扇形板的塊數(shù)為4的倍數(shù)。,十一、罐頂計算模塊(續(xù)),4.經(jīng)向肋的最大間距=扇形板大端弧長 緯向肋的最大間距=徑向等分間距 5.罐頂設(shè)計外壓P的確定 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； P2罐內(nèi)操作負(fù)壓（取1.2倍呼吸閥的負(fù)壓定壓壓力）Pa； 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； 計算外壓：P= P1+ P2+ P3（簡化P=P1+1200） 6. 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)匿摬挠昧吭龃螅顿Y費(fèi)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)12m<DN<32m時，基本上采用帶肋球殼罐頂，其受力特點(diǎn)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)),十二、罐頂與包邊角鋼連接處計算模塊（續(xù)）,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造成重大損失。 包邊角鋼的選?。?十三、微內(nèi)壓儲罐計算模塊,十三、微內(nèi)壓儲罐計算模塊,說明： 1.計算罐底板不被抬起的最大內(nèi)壓Pmax 2.計算罐壁與罐頂連接處發(fā)生屈曲破壞時壓力Pf 3.結(jié)論1：PfPs;罐壁與罐頂連接處滿足內(nèi)壓 下破壞壓力的要求。 4.結(jié)論2：若Pmax Ps 校核合格，可不進(jìn)行 地腳螺栓計算。 若Pmax<Ps校核不合格時，需要進(jìn)行 地腳螺栓計算。 5.常壓計算可不計算此模塊。,十四、地腳螺栓計算模塊,十四、地腳螺栓計算模塊（續(xù)）,十五、抗震計算,十五、抗震計算（續(xù)）,十五、抗震計算（續(xù)）,十五、抗震計算（續(xù)）,1.由于地震原因使得儲罐發(fā)生火災(zāi)、爆炸和環(huán)境污染事故，因此，在地震設(shè)防區(qū)（防烈度79度）建造儲罐時，為了保證其安全運(yùn)行必須進(jìn)行抗震設(shè)計。 2抗震設(shè)計步驟： A.計算地震設(shè)防條件下，罐壁底部的豎向壓應(yīng)力c的計算過程： 1.計算儲罐的罐液耦連振動基本自振周期T1 2.計算儲罐的水平地震作用力FH 3.計算水平地震作用力對儲罐底面的力矩M1 4.計算罐壁底部的豎向壓應(yīng)力c B.計算底圈罐壁的許用臨界應(yīng)力cr C.滿足抗震設(shè)計條件：c<cr,符合抗震設(shè)防烈度的要求。不滿足，應(yīng)采取增加底圈、底板壁厚的辦法。,謝謝大家！,