大型油罐中間抗風圈設計計算

靳永欣，孫思海

（中國石油工程建設公司大連設計分公司，遼寧大連 116011）

大型油罐中間抗風圈設計計算

靳永欣，孫思海

（中國石油工程建設公司大連設計分公司，遼寧大連 116011）

文章通過對國內外標準中關于油罐中間抗風圈設計計算的分析，尤其通過對抗風圈截面尺寸選取方面的理論分析與工程實例的比較，指出采用GB 50341-2005《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》選取的中間抗風圈截面尺寸往往小于API 650-2010《Welded Tanks for Oil Storage》設計的截面尺寸，罐壁抗風穩定性存在一定的危險，建議在設計計算時可采用API 650-2010進行驗證。

大型油罐；中間抗風圈；最小截面尺寸；抗風能力；穩定性

0 引言

近些年隨著油罐大型化和高強度鋼的應用，油罐罐壁減薄，使得其抗風穩定性設計越來越重要。在立式圓筒形焊接油罐設計中，油罐罐壁除應滿足強度要求外，還應具有足夠的抗風能力，油罐中間抗風圈的合理確定，對防止油罐罐壁失穩，保證油罐安全生產具有重要意義。對于大型油罐來說，為保證油罐頂部抗風圈以下的罐壁局部有足夠的抗風能力，通常需要在罐壁適當的位置上設置一道或數道中間抗風圈。中間抗風圈的功能是在罐壁上形成節線圈，以提高油罐的抗風能力。

對于中間抗風圈的設計計算，各國標準中都有詳細的計算方法。我國標準GB 50341-2005《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》[1]中也對中間抗風圈的計算做了描述，但在該標準中，對于中間抗風圈的最小截面尺寸，只是根據不同的油罐內徑給出了相應的截面尺寸；而國外標準卻是給出了詳細的設計計算公式來規定中間抗風圈的最小截面模數。

本文通過對實例計算，說明采用不同的標準，計算出的中間抗風圈的最小截面尺寸存在一定的偏差。

1 中國標準

1.1 如何設置中間抗風圈

當兩中間抗風圈之間 （或中間抗風圈與頂部抗風圈之間）的罐壁許用臨界壓力大于設計外壓時，就可以認為罐壁具備了足夠的抗風能力；反之，則需要設置中間抗風圈。核算區間的罐壁筒體許用臨界壓力的計算方法詳見文獻 [1]。核算區間的含義是，對于設有固定頂的油罐，應將罐壁全高作為風力穩定性核算區間；對于敞口油罐，應將頂部抗風圈以下的罐壁作為核算區間。而罐壁筒體的設計外壓應根據不同罐型采用不同的計算公式，關于如何確定中間抗風圈的數量，在文獻 [1]中有詳盡的說明。

1.2 中間抗風圈的最小截面尺寸

上述內容在文獻 [1]中有詳細的計算方法和公式，但是關于中間抗風圈所需的最小截面尺寸在我國標準中卻無詳細的計算方法，只是如表1所示根據不同的油罐內徑給出了相應的截面尺寸。

表1 中間抗風圈最小截面尺寸

2 美國標準

2.1 如何設置中間抗風圈

在API 650-2010[2]中規定：如果當量壁板高度大于未加強罐壁的最大高度，則需設置中間抗風圈。用當量高度與最大高度的比值來判斷中間抗風圈的數量。具體計算方法在文獻 [2]中有詳細介紹。

2.2 中間抗風圈的最小截面尺寸

中間抗風圈要求的最小截面模數，按下式確定（以190km/h的風速、離地面10m為基礎）：

式中Z——所需最小截面模數/cm3；

D——罐的公稱直徑/m；

H1——中間抗風圈與罐壁包邊角鋼，或與敞口油罐頂部抗風圈的垂直距離/m；

V——設計風速/（km/h），指50年一遇離地面10 m高處的最大風速。

3 日本標準

在日本標準JIS B 8501-1995[3]中，也有關于中間抗風圈的介紹與計算。為了避免因風壓作用而使壁板發生局部屈曲，需設置中間抗風圈，使用中間抗風圈也可避免為抗風壓而需增加壁板的厚度。

3.1 如何設置中間抗風圈

JIS B 8501-1995標準也是通過當量高度來核算是否需要設置中間抗風圈及數量的。具體內容詳見文獻 [3]。

3.2 中間抗風圈的最小截面尺寸

中間抗風圈要求的最小截面模數按下式確定：

式中H2——中間抗風圈與油罐頂部抗風圈，或與中間抗風圈間的垂直距離/m；

h——在求風壓時油罐的計算位置離地面的高度/m；

Zw——在風壓計算時地域的修正系數，此系數只能查到日本國的不同地域的修正系數值。

4 不同國家標準關于中間抗風圈最小截面模數的分析

通過1、2、3節的分析可以發現，在三個不同國家標準的計算方法中，美國標準和日本標準都給出了具體的計算公式，只有我國的標準沒有具體計算公式。在日本標準中，中間抗風圈的最小截面模數的計算公式，因缺少地域參數，在我國不便采用。可以發現日本標準中的計算公式，與美國標準API 650-2010的公式在形式上是相似的。

隨著油罐的大型化和高強度鋼的采用，以及使用變點法計算壁板厚度，都將大大減薄壁板的厚度，因此合理地設計抗風結構，尤其是在風壓值較高的地區，對于油罐的安全運行是十分重要的。

4.1 實例

本文將通過對實例的計算分析，說明此問題。

實例分析：某臺10萬m3鋼制浮頂油罐，油罐內徑為80 m，罐壁高度為21.8 m，罐壁圈數為9圈，除上面兩圈壁板高度為2 380 mm外，其余各圈壁板高度均為2 420 mm，自下而上各圈壁板厚度分別是：32、 27、 21.5、 18.5、 15、 12、 12、 12、12 mm，下面6圈壁板材質為08MnNiVR，第7圈為Q345R，上面2圈為Q235C，罐壁腐蝕裕量為1mm，鋼板負偏差為0，基本風壓為w0=0.55kPa，風壓高度變化系數為1.3。

頂部抗風圈已通過計算確定為兩圈，第一圈距離罐壁頂部 （包邊角鋼）1 m，第二圈與第一圈的距離為1.7 m。

4.2 如何設置中間抗風圈

4.2.1 核算區間的罐壁筒體許用臨界壓力

根據GB 50341-2005《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》，對于敞口油罐，應將頂部抗風圈以下的罐壁作為核算區間。計算出各圈壁板的當量高度，見表2。

表2 各圈壁板的當量高度

4.2.2 罐壁筒體的設計外壓

對于敞口的浮頂油罐，其罐壁筒體的設計外壓按下式計算：P0=3.375 wk=2.415（kPa），其中wk為風荷載標準值。

4.2.3 中間抗風圈設置及數量

由于Pcr＜P0，因此需要設置中間抗風圈。

中間抗風圈的數量 n=INT（P0/Pcr）=INT（2.628）=2，故需設2道中間抗風圈。

4.3 中間抗風圈最小截面尺寸的選取

設有中間抗風圈的罐壁，沿高度方向被分成（n+1）段，每一段罐壁的當量高度Le應按下式計算：Le=HE/（n+1） =3.352 （m）。 經過核算， 2 道中間抗風圈均位于最薄的罐壁板上，中間抗風圈離上面一個加強截面的實際距離等于上式計算值。

（1）根據中國標準GB 50341-2005 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》確定中間抗風圈最小截面尺寸。

根據油罐內徑為80 m，查GB 50341-2005中表6.5.6即本文中的表1，可知中間抗風圈最小截面尺寸是角鋼200 mm×150 mm×12 mm。也可用同等組合慣性矩的型鋼或組合件代替。

（2）根據美國標準API 650-2010確定中間抗風圈最小截面尺寸。

在圖1中，δ是壁板的有效厚度，t是中間抗風圈的有效厚度。如果考慮中間抗風圈規格厚度為12 mm，且令a=12 mm，要滿足406.1 cm3的截面模數，通過計算得到在中間抗風圈截面中至少保證L=260 mm，b=200 mm。但是，如果不考慮中間抗風圈的腐蝕，只考慮鋼板負偏差的話，則L=250 mm，b=200 mm。顯然上述計算得到的截面尺寸與GB 50341-2005中的數據還是有較大差距的。

特別是在風壓較高的地區，如果上述實例中建罐當地的風壓為0.62 kPa，則中間抗風圈的截面至少應等于角鋼300 mm×200 mm×12 mm的截面，與GB 50341-2005中角鋼200 mm×150 mm×12 mm的規格相差較大，一道中間抗風圈用鋼量就相差約3.6 t，按GB 50341-2005選取中間抗風圈的截面模數不能滿足需要，罐壁的許用臨界壓力小于設計外壓，罐壁不具備足夠的抗風能力，不能滿足抗風穩定性的要求。因此如果只采用GB 50341-2005對中間抗風圈的截面進行設計，罐壁抗風能力便可能存在著一定的危險性。

（3）根據日本標準JIS B 8501-1995《鋼製石油貯槽の構造 （全溶接製）》確定的中間抗風圈最小截面尺寸應與美國標準API 650-2010基本相同，在此不多做闡述。

5 結論

目前我國大型油罐的設計和建造已有很多，國內設計部門對抗風圈計算多數采用GB 50341-2005[1]或 SH 3046-1992[4]。 （SH 3046-1992關于中間抗風圈截面尺寸的選取方法與GB 50341-2005是完全相同的，只是在計算當量高度時壁板的厚度取鋼板的規格厚度，而在GB 50341-2005中此厚度規定為壁板的有效厚度，此方面筆者認為GB 50341-2005更為合理。） 通過以上的理論、實例分析比較，結合國內外標準，筆者認為在選取中間抗風圈的截面尺寸時，尤其對于大型油罐，以及風壓較高的地區，不僅應滿足GB 50341-2005的要求，還應運用API 650-2010[2]進行核算，以保證罐壁有足夠的抗風穩定性。

[1]GB 50341-2005，立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范[S].

[2]API 650-2010,Welded Tanks for Oil Storage[S].

[3]JIS B 8501-1995,鋼製石油貯槽の構造（全溶接製）[S].

[4]SH 3046-1992,石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范[S].

Design Calculation Methods about Intermediate Stiffening Rings of Large Storage Tanks

JIN Yong-xin（China Petroleum Engineering&Construction Corp.Dalian Branch,Dalian 116011,China）,SUN Si-hai

Through the analysis on intermediate stiffening ring design calculation methods from domestic and international standards,especially using theoretical analysis and engineering examples to make comparisons about how to select cross-section size,this article illustrates that the intermediate stiffening ring crosssection size obtained from GB 50341 “Code for Design of Vertical Cylindrical Welded Steel Oil Tanks” is often less than that from API 650 “Welded Tanks for Oil Storage”,and there is a certain risk in the wind resistance stability of the tank shell.API 650 is recommended to validate the design and calculation of intermediate stiffening rings.

large oil tank;intermediate stiffening ring;minimum section size;wind resistance;stability

TE972.1

B

1001－2206（2011）06－0020－03

靳永欣 （1978-），女，遼寧大連人，工程師，2004年畢業于大連理工大學，碩士研究生，現從事石油化工設備設計工作。

2011-02-24