第6章油油罐的應應力分析析油罐是油油品儲存存的主要要設施；；所有的石石油產品品都將在在儲罐中中存放一一段時間間。浮頂儲罐罐沿海油庫庫日本所用用石油的的99.8％靠進口。。1992年石油儲儲備8000萬噸(111天),1994年至今,保持在150天的石油油消費量量。美美國是世世界上最最大的石石油儲備備國，1992年其石油油儲備20170萬噸，達達到了93天的石油油消費量量。要要想達到到這一要要求需建建造大量量的大型型儲油罐罐，由于于單罐的的容量越越大，其其材料，，占用的的場地也也越省，，因而近近30年來儲罐罐向大型型化迅速速發展。。國外油罐罐建設現現狀1962年美國首首先建成成10萬方大型型浮頂罐罐；1967年在委內內瑞拉建建成15萬方浮頂頂油罐。。1971年日本建建成16萬方浮頂頂油罐，，儲罐直直徑達109米，高17.8米；沙沙特阿拉拉伯已建建成20萬方巨型型油罐，，直徑達達110米，高22.5米。目目前發達達國家仍仍在不斷斷研究更更大型的的儲罐技技術(拱頂鋁網網殼頂，，玻璃鋼鋼內浮頂頂，外浮浮頂浮船船)。而柱支支撐錐頂頂罐由于于建罐成成本低，，罐頂板板腐蝕易易更換，，在腐蝕蝕嚴重的的沿海地地區很受受歡迎。。我國油罐罐建設現現狀我國每年年進口1.5億噸（占45％）70年代國內內首臺5萬方浮頂頂罐在上上海陳山山碼頭建建成。80年代中后后期，國國內開始始建造10萬方大型型浮頂油油罐到到目前為為止，國國內建成成并投入入使用的的大型浮浮頂油罐罐最大容容量為15萬方大型型浮頂油油罐。地地下儲儲油氣庫庫油罐的分分類油罐分為為：立式圓柱柱形油罐罐、臥式式圓柱形形油罐、、雙曲率率油罐（（滴狀油油罐和球球形油罐罐）立式油罐罐分為：：浮頂油罐罐、拱頂頂油罐、、內浮頂頂油罐、、錐頂油油罐、懸懸鏈式油油罐（無無力矩））（1）浮頂油罐罐罐頂浮在在油面上上，隨油油品的收收發上下下浮動，，浮頂與與罐內壁壁之間的的環行空空間有可可上下移移動密封封裝置。。優點：不存在氣體空空間，減少了了油品的蒸發發。罐頂的自重受受儲液支持，，受力狀況良良好。2萬的浮浮頂油罐國內80年代建造了4座10m3罐（2）拱頂油罐罐頂為球面的的一部分，由由4~6mm的薄鋼板和加加強筋組成；；優點：施工容容易，造價低低；缺點：中間無無支撐，罐頂頂直徑受到限限制；（3）內浮頂油罐拱頂與浮頂的的結合，儲存存貴重油品。（4）錐頂油罐頂部為自支承承式、梁柱式式等。（5）懸鏈式油罐也也稱無力矩油油罐。油罐的發展趨趨勢——大型化大型化的優點點：節省鋼材；減少投資；占地面積小；；便于操作管理理；節省管線及配配件。對油罐的基本本要求強度要求：卸卸載后，不應應留下塑性變變形。抗斷裂的能力力：無論在水水壓試驗或操操作條件下，，油罐不得產產生斷裂。抗風的能力：：在建造及使使用期間，在在建罐地區的的最大風荷下下不產生破壞壞。抗地震能力：：要求在整個個使用期間，，在建罐地區區的最大地震震烈度下不產產生破壞。基礎穩固：油油罐基礎在整整個使用期間間的不均勻沉沉陷要在允許許的范圍內。。油罐設計規范范英國BS2654日本JISB8501美國API650中國SH3046-92《石油化工立式式圓筒形鋼制制焊接儲罐設設計規范》GB6654-1996《壓力容器用鋼鋼板》SH3048-1999《石油化工鋼制制設備抗震設設計規范》GBJ128-90《立式圓筒形鋼鋼制焊接油罐罐施工及驗收收規范》GB985-95《焊接接頭的基基本形式與尺尺寸》油罐的選材大型油罐均采采用高強度鋼鋼。這類材料料強度高、韌韌性好、碳當當量較低、焊焊接性能較好好。國內10萬方以上浮頂頂油罐大都采采用490MPa級的高強度鋼鋼材。小罐用用16MnR。日本SPV490Q武鋼WH610D2具有高強度、、高韌性，而而且具有優良良的焊接性能能，尤其是能能夠適用于大大線能量焊接接工藝條件。。此鋼板的研研制成功，結結束了我國建建造原油儲罐罐長期依賴進進口的歷史。。舞陽鋼鐵12MnNiVR與進口SPV490Q鋼板相差不大大。6.1立式油罐的罐罐壁強度設計計一、幾個基本本知識點1板間的焊接方方式罐壁圈板由多多塊鋼板對接接焊成，各圈圈罐壁的縱縫縫應錯開，其其間距不小于于500mm；罐壁相鄰上下下圈板的連接接可采用：（a）套筒式；（b）對接式；（c）混合式；6.1立式油罐的罐罐壁強度設計計一、幾個基本本知識點2最小壁厚對于油罐上部部的罐壁，由由于考慮到安安裝和使用的的穩定性要求求，因而有最最小厚度要求求。油罐的穩定性性與D/t有關，所以油油罐越大，所所用鋼板的最最小厚度越厚厚。3最大壁厚罐壁鋼板越厚厚，越難保證證焊縫質量。。由于施工現現場難以對焊焊縫進行熱處處理，故須限限制儲罐的最最大壁厚。最大許用壁厚厚與材質和許許用最低溫度度有關，同時時也與一個國國家的整體焊焊接工藝水平平有關。油罐的建造罐壁承受的儲儲液靜壓力按薄膜理論考考慮應力壁厚確定罐壁厚度度需要考慮的的因素每層罐壁板的的厚度不同；；每層罐壁板中中的應力分布布不均勻：定點法：罐壁壁中最大應力力發生在距下下端300mm（1英尺）處；變點法：按罐罐壁板中的最最大應力考慮慮；焊縫系數；腐蝕裕量。6.1.1確定罐壁厚度度的幾種標準準中國SH3046標準（定定點法）日本JISB8501標準（定點法法）英國BS2654標準（定定點法）美國API650標準（變變點法）1、中國SH3046標準（定點法法）t1—儲存預定介質質時的設計厚厚度，mm；ρ—儲液密度，t/m3；H—計算的罐壁板板底邊至設計計儲液高度的的距離，m；D—儲罐內直徑，，m；[σ]—常溫下罐壁鋼鋼板的許用應應力，MPa；Φ—焊縫系數，一一般取0.9；C1—鋼板厚度負偏偏差，mm；C2—腐蝕裕量，mm。2、日本JISB8501標準（定點法法）t—最小板厚，mm；ρ—儲液比重（當當小于1時，取1）；H—由該段壁板的的下端至設計計液位的高度度，m；D—儲罐內直徑，，m；fm—母材的許用應應力，MPa；Φ—焊縫效率，一一般取1.0，其中第一層層取0.85；C—腐蝕裕量，mm。3、英國BS2654標準定點法計計算t—最小板厚，mm；w—儲液密度，g/ml（取值不得小于于1）；H—由該段壁板的的下端至設計計液位的高度度，m；D—儲罐內直徑，，m；S—設計許用應力力，MPa；P—設計壓力，mbar(對無壓儲罐可可忽略不計)；C—腐蝕裕量，mm。4、美國API650標準（變點法法）底圈罐壁板計計算厚度兩者之中取最最小值底圈罐壁板設設計厚度第二圈及其以以上各圈壁厚厚的變點計算算法hi-1——計算圈圈的下下面一一圈的的圈板板高，，m；r——油罐半半徑，，m；t0i——所需計計算的的第i圈的罐罐壁計計算厚厚度，，mm；tai——根據變變點位位置求求得的的第i圈的壁壁厚值值，mm。式中：：三式之之中取取最小小值定點法法初步步計算算Xmin=0.3例1已知50000m3儲罐直直徑D=60m，罐壁壁高H=19.35m，最高高液位位18.35m，每圈圈壁板板高度度為1.93m。試水水時的的許用用應力力[σ]=21.43kgf/mm2，焊縫縫系數數η=0.9。要求求用變變點設設計法法計算算在充充水條條件下下最下下面3圈壁板板的計計算厚厚度。。答案：：

第一圈

第二圈

第三圈

壁板的計算厚度

28.07mm

25.76mm

21.07mm

例2試以變變點法法確定定在試試水情情況下下的儲儲罐底底部三三圈壁壁板厚厚度。。已知知儲罐罐直徑徑D=85.34m，高度度H=19.51m，底部部三圈圈高度度均為為2.438m。試水水時的的許用用應力力[σ]=21.09kgf/mm2，焊縫縫系數數η=1.0。

第一圈

第二圈

第三圈

變點法

定點法

38.19mm

38.87mm

35.96mm

33.93mm

31.68mm

29.00mm

答案：：6.1.2立式圓圓柱形形油罐罐直徑徑和高高度的的選擇擇設計油油罐時時首先先接觸觸到的的問題題便是是油罐罐的基基本尺尺寸即即油罐罐的直直徑和和高度度。在在一定定容積積條件件下，，如何何確定定直徑徑和高高度使使油罐罐的用用鋼量量最小小？規范規規定罐罐壁最最小壁壁厚設計習習慣罐罐頂板板和罐罐地板板厚度度為罐罐壁最最小壁壁厚優化目目標：：費用用最小小或金金屬用用量最最小。。金屬用用量的的計算算與油油罐的的大小小有關關：當當時，，，則取取，，建造造等壁壁厚罐；當當時時，必必須建建造變變壁厚厚罐。。油罐罐罐壁厚厚度關關系圖圖材料最最省的的油罐罐直徑徑和高高度1.等壁厚厚油罐罐設罐壁壁的最最小厚厚度為為；；罐罐頂的的厚度度為罐罐底底的厚厚度為為，，則油油罐的的罐壁壁、罐罐頂、、罐底底各部部分的的金屬屬材料料用量量分別別為：：罐壁：：罐頂：：罐底：：油罐的的用鋼鋼量：：令：，，則條件：：用拉格格朗日日乘數數法求求極值值構造函函數則：結論：：等壁厚厚油罐罐的最最大容容積2.變壁油油罐為了方方便推推導，，忽略略罐內內氣壓壓的影影響，，壁厚厚計算式取取（1）金屬用用量的的計算算a:罐頂與與罐底底的金金屬用用量b:為滿足足液壓壓載荷荷罐壁壁所必必需的的金屬屬用量量c:上部定定壁部部分無無益消消耗的的金屬屬d:以下之之變壁壁部分分無益益消耗耗的金金屬設變壁壁部分分各圈圈的高高度均均為h，相鄰鄰兩圈圈壁板板的高度差差為e，則變變壁部部分的的圈數數相似三三角形形所以油油罐的的總金金屬用用量油罐金金屬用用量最最小時時有即：因此，，變壁壁厚油油罐的的經濟濟高度度與容容積無無關。。實際際上，，油罐罐的容容積越越大，，越越大大，因因而H也越大大。不不過，，隨著著罐容容的增增大，，其罐罐壁高高度的的增加加是緩緩慢的的。6.1.3罐壁的的開孔孔補強強由于使使用要要求，，必須須在罐罐壁上上開孔孔并接接管；；開孔后后的罐罐壁將將在孔孔的附附近產產生應應力集集中，，導致致孔口口疲勞勞破壞壞或脆脆性裂裂口，，使孔孔口撕撕裂；；補強辦辦法：：在開開孔的的周圍圍焊上上補強強鋼板板，增增大開開孔周周圍的的壁厚厚；“等截面面”補強方方法。。補強板板形狀狀開孔直直徑不不超過過250mm開孔直直徑超超過250mm6.2立式鋼鋼油罐罐的抗抗風設設計油罐抗抗風穩穩定性性差——直徑大大、敞敞口、、薄壁壁結構構抗風措措施——罐頂設設抗風風圈；；中間間設加加強圈圈（一一圈或或數圈圈）。。6.2.1風載荷荷的分分布和和計算算一.風壓的的計算算風以一一定速速度吹吹在構構筑物物上，，產生生風壓壓；駐點兩兩側200弧長的的風壓壓值最最高，，風壓壓根據據風速速計算算。標準風風速以以一般般平坦坦地區區，離離地面面10m高，30年一遇遇的10分鐘平平均最最大風風速為為依據據。風速與與風壓壓的關關系可可按牛牛頓公公式計計算：：二.儲罐罐罐壁的的風壓壓分布布分析析1.外壁的的風壓壓分布布對于固固定頂頂罐和和敞口口罐在在試驗驗風壓壓為時時，，外壁壁風壓壓分布布是不不均勻勻的。。從圖中中可看看出，，只有有迎風風面中中心心角所所對應應的罐罐壁是是受壓壓的，，其余余罐壁壁承受受的是是張力力。最最大風風壓是是所所對應應的弧弧長上上，風風壓近近似為為常數數，最最大風風壓發發生在在駐點點，其其值為為。。罐壁上上風壓壓分布布罐壁上上風壓壓分布布圖2.內壁的的風壓壓分布布對于固固定頂頂儲罐罐風載載引起起的風風壓僅僅存在在罐壁壁外部部，不不存在在內壁壁的風風壓分分布問問題。。對于于敞口口儲罐罐，由由于風風吹過過時引引起的的抽力力，故故罐內內壁全全部是負壓壓，風風洞試試驗表表明是是負壓壓值為為，，位位于駐點內內側，，而其其余部部分的的負壓壓值變變化不不大，，與駐駐點值值相近近。3.罐壁在在外壓壓作用用下的的屈曲曲特征征同樣的的試驗驗模型型、實實驗表表明：：風壓壓的臨臨界壓壓力（即駐駐點處處的最最大不不失穩穩壓力力）比比均勻勻外壓壓作用用下的的臨界界壓力力約高高左左右右。罐壁的的外壓壓失穩穩是由由瞬時時外壓壓控制制，當當外壓壓保持持在比比臨界界壓力力低一一點時時，模模型不不會出出現屈屈曲，，一旦旦增壓壓至臨臨界壓壓力，，立即即發生生凹癟癟。另另外，，若是是罐壁壁制造造時存存在橢橢圓度度或存存在局局部凹凹癟，，這些些部位位在風風壓下下會提提前失失穩。。4.儲罐罐罐壁的的設計計外壓壓儲罐的的外壓壓包括括風壓壓和罐罐內負負壓兩兩部分分。浮浮頂儲儲罐、、固定定頂儲儲罐以以及內內浮頂頂罐三三者的的外壁壁風壓壓分布布相同同，內內壁各各不相相同，，故三三者的的設計計外壓壓是不不同的的。對于敞敞口油油罐，，設計計風壓壓按下下式計計算轉換系系數－－由10分鐘最最大平平均風風壓折折合成成瞬時時風壓壓；高度系系數－－離地地面10米高的的基本本風壓壓折合合成實實際高高度高度系系數——離地面面10米高的的基本本風壓壓折合合成實實際高高度離地面或海面高度，m陸上海（島）上510152030400.781.001.151.251.411.540.841.001.101.181.291.37固定頂頂油罐罐式中：內浮頂油油罐6.2.2抗風圈的的設計和和計算抗風圈設設置在油油罐的頂頂部，通通常位于于包邊角角鋼以下下1m位置。抗風圈的的外形可可以是圓圓的，也也可以是是多邊形形的。抗風圈是是由鋼板板和型鋼鋼拼裝成成的組合合斷面結結構。抗風圈的的剛度由由截面系系數確定定。抗風圈的的結構SH3046基本風壓壓值取700Pa，距地面面15m。假設迎風風面風壓壓分布范范圍所對對應的抗抗風圈區區段為兩兩端餃支支的圓拱拱，沿拱拱鈾線的的風呈正正弦曲線線分布，，圓拱所所對應的的圓心角角為60度，并假假設罐壁壁上半部部分的迎迎風面風風壓由抗抗風圈承承擔。式中：API650BS2654式中：JISB8501式中：6.2.3加強圈的的設計和和計算抗風圈以以下罐壁壁仍有可可能被吹吹癟，需需設置加加強圈。。油罐是階階梯形變變斷面圓圓筒，按按當量高高度折算算；將壁厚不不同的各各筒節折折算成直直徑相同同、穩定定性相同同的等壁壁厚圓筒筒，折算算后的筒筒節高度度稱為當當量高度度；按折算后后的等壁壁厚圓筒筒設計加加強圈。。當量高度度計算一.SH3046推薦方法法以薄壁短短圓筒在在外壓作作用下的的臨界壓壓力計算算公式基基礎，參參照當量量高度的的概念：：加強圈的的數量及及其位置置加強圈數加強圈的位置0n例題一臺浮頂頂油罐內內徑60m，高18m，罐壁由由9層2m寬的圈板板組成，，抗風圈圈設在離離上口1m處，罐壁壁自上而而下的厚厚度分別別為10、10、10、12、14、16、18、20、23mm，建罐地地區基本本風壓求求加強強圈的個個數，位位置及尺尺寸。解：（1）求設計壓壓力P（2）求其中：各圈的He值，列表表如下：：層次h，m

t，mmHe,m1234567891222222221010101214161820231221.2680.8620.6180.4600.3540.249（3）確定加加強圈的的個數與與位置所以需設設2個加強圈。。第一個加強強圈：在當當量筒體上上距抗風圈圈HE/3處；HE/3=8.811/3=2.937m，因位于tmin處，故無需需折算。第二個加強強圈：在當當量筒體上上距抗風圈圈2/3HE處；2/3HE=8.8112/3=5.874m，因不在tmin處，故需折折算，其距距抗風圈的的實際距離離為：（4）加強圈的的尺寸參閱下表，，取加強圈圈角鋼為20010012mm。油罐直徑Dm角鋼圈（或同樣截面系數的型鋼）mmD2020<D3636<D48D>481006081257581501001020010012加強圈數量量和位置加強圈個數加強圈位置0n注：規范要求加加強圈與環環焊縫之間間的距離應應不少于150mm，若計算值值不滿足此此要求，則則需對加強強圈的位置置進行調整整，要求調調整后的兩兩個加強圈圈之間的距距離滿足不不大于或或加強強圈之間節節筒的許用用臨界壓力力大于設計計外壓。6.3浮頂的結構構與強度浮頂油罐是是在大中型型油罐罐頂頂中最常見見的結構形形式；浮頂有兩種種：雙盤式：有有上下兩層層蓋板，隔隔熱效果好好，用來存存放輕質油油等，多用用于5000m3或更小的罐罐；單盤式：周周邊為環形形浮船，中中間為單盤盤，多用于于5000m3以上的罐。。一.雙盤式浮頂頂二.單盤式浮頂頂單盤式浮頂頂周邊為環環形浮船，，中間為單單盤。單盤由鋼板板搭接而成成，排板的的形式有兩兩種：單盤浮頂結結構環形浮船：：由隔板分分隔成若干干互不滲漏漏的艙室；；艙室的數數目根據需需要確定。。立柱：設置置若干立柱柱的目的有有兩方面：：當液面處于于較低的位位置時，