立式圓筒形自支撐式拱頂儲(chǔ)罐“弱頂結(jié)構(gòu)”的合理設(shè)計(jì)

周穎(鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司 寧波 315042)

立式圓筒形自支撐式固定頂儲(chǔ)罐主要用于儲(chǔ)存石油和各種液體化學(xué)品，是石油化工裝置和儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)施的重要組成部分。自支撐式固定頂儲(chǔ)罐最常見(jiàn)的形式有自支撐式拱頂儲(chǔ)罐和自支撐式錐頂儲(chǔ)罐。自支撐式錐頂儲(chǔ)罐其錐形罐頂是一種形狀接近于正圓錐體表面的罐頂，錐頂坡度最小為1/6，最大為3/4。自支撐式拱頂儲(chǔ)罐其拱形罐頂是一種接近于球形形狀的一部分，拱頂R=0.8～1.2D。固定頂儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)時(shí)有一個(gè)特定概念“弱頂結(jié)構(gòu)”，即罐頂與罐壁連接處先于罐壁和罐底板破壞，避免罐壁和罐底板先破壞導(dǎo)致介質(zhì)的泄漏而引起的次生災(zāi)害。罐頂與罐壁連接處破壞，通常是包邊角鋼先屈曲，隨后是罐頂板周邊的角接焊接接頭撕裂。規(guī)范GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.1.6條通過(guò)限制罐壁與罐頂連接處尺寸來(lái)規(guī)范弱頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。自支撐式錐頂儲(chǔ)罐可以滿足GB50341-2003中弱頂結(jié)構(gòu)的要求，但自支撐式拱頂罐的外形尺寸是無(wú)法滿足規(guī)范GB50341-2003中弱頂結(jié)構(gòu)條件的。由于支撐式拱頂儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性好、施工方便，鋼材利用率高，在我國(guó)被廣泛應(yīng)用。因此就要通過(guò)計(jì)算及合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證罐頂與罐壁連接部位最先破壞。

立式圓筒形自支撐式拱頂儲(chǔ)罐由罐底、罐壁和拱頂組成。罐壁為一個(gè)圓柱形，由若干圈鋼板焊接而成。罐壁的上部有一圈包邊角鋼與拱頂連接。罐壁的下部通過(guò)內(nèi)外角焊接接頭與罐底的邊緣板連接。設(shè)計(jì)中選擇可焊性好的材料，并根據(jù)鋼材的厚度，使用溫度提出恰當(dāng)?shù)臎_擊韌性指標(biāo)；施工中提高罐壁、罐底的焊接接頭質(zhì)量，減少缺陷；可有效防止了罐壁、罐底破壞。但罐底與罐壁連接的焊接接頭處于高應(yīng)力區(qū)，容易發(fā)生脆性破壞。因此立式圓筒形自支撐式拱頂儲(chǔ)罐的“弱頂結(jié)構(gòu)”，可以理解為罐頂與罐壁連接處先于罐壁和罐底連接處破壞。

罐頂是自支撐式拱頂，形狀近似球面，周邊支承于罐壁上端的包邊角鋼上，球面由瓜皮板和中心頂板組成。罐頂與罐壁連接部位在幾何形狀上是不連續(xù)的，當(dāng)儲(chǔ)罐承受正壓時(shí)，罐頂和罐壁連接部位將產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力；當(dāng)儲(chǔ)罐承受外載荷(包括負(fù)壓)時(shí)，罐頂和罐壁連接部位將產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)正壓及外載荷(包括設(shè)計(jì)負(fù)壓)計(jì)算出罐頂與罐壁連接部位需要的面積。然后確定罐頂與罐壁連接處結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)確定實(shí)際截面積并計(jì)算出罐頂與罐壁連接處結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的破壞壓力。本文通過(guò)對(duì)一臺(tái)立式圓筒形自支撐式固定頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)計(jì)算，確定罐頂與罐壁連接部位需要的截面積及其發(fā)生屈曲的破壞壓力、罐壁底部不被抬起的最大內(nèi)壓，并進(jìn)行分析，為立式圓筒形拱頂儲(chǔ)罐“弱頂結(jié)構(gòu)”的合理設(shè)計(jì)提供建議。

一、設(shè)計(jì)實(shí)例

1.設(shè)計(jì)實(shí)例：一臺(tái)立式圓筒形自支撐式固定頂儲(chǔ)罐，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1

表1 立式圓筒形自支撐式固定頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

2.罐頂與罐壁連接部位需要的面積A

設(shè)計(jì)外荷載：P外=附加荷載+頂板重力荷載+頂板加強(qiáng)構(gòu)件重力荷載

設(shè)計(jì)外荷載需要的面積A 1：

設(shè)計(jì)正壓：P內(nèi)=2500Pa=2.5kPa

設(shè)計(jì)正壓荷載需要的面積A 2：

根據(jù)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)正壓、外載荷(包括設(shè)計(jì)負(fù)壓)計(jì)算出罐頂與罐壁連接部位需要的面積A：

罐壁與罐頂連接處采用弱連接結(jié)構(gòu)時(shí)，罐頂與罐壁連接部位限制的面積AL：

顯然根據(jù)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)正壓、外載荷(包括設(shè)計(jì)負(fù)壓)計(jì)算出罐頂與罐壁連接部位需要的面積A大于罐壁與罐頂連接處采用弱連接結(jié)構(gòu)時(shí)罐頂與罐壁連接部位限制的面積AL，不滿足GB50341第7.1.6條弱連接結(jié)構(gòu)的要求。再來(lái)看看罐壁和罐底連接結(jié)構(gòu)。

罐壁底部不被抬起的最大內(nèi)壓Pmax按下式計(jì)算：

根據(jù)設(shè)計(jì)外荷載需要的截面積933mm2可以計(jì)算出罐頂與罐壁連接處允許的最大內(nèi)壓載荷P：

如罐頂與罐壁連接處結(jié)構(gòu)已確定，可根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)計(jì)算出A，然后再計(jì)算出允許的最大內(nèi)壓載荷P。計(jì)算出允許的最大內(nèi)壓載荷P后，可計(jì)算出罐頂與罐壁連接處結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的破壞壓力Pf：

由以上計(jì)算可知P＜Pmax＜Pf，本儲(chǔ)罐在罐頂與罐壁連接處結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的破壞壓力前，儲(chǔ)罐罐壁底部已離開(kāi)地面，容易造成罐底破裂。為防止這種現(xiàn)象，可通過(guò)設(shè)置壓力泄放口來(lái)防止罐內(nèi)壓力不斷上升導(dǎo)致罐壁底部被抬而破壞。壓力泄放口的設(shè)定壓力不應(yīng)大于罐壁底部不被抬起的最大內(nèi)壓Pmax且不大于罐頂與罐壁連接處結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的破壞壓力Pf的80%。也可采取另外措施防止罐壁底部被抬而破壞。

二、罐底與罐壁連接處

在許多情況下，為了減少低沸點(diǎn)儲(chǔ)液在儲(chǔ)存時(shí)的蒸發(fā)損耗，保護(hù)環(huán)境等原因，常常需要提高儲(chǔ)罐壓力泄放口的設(shè)定壓力及儲(chǔ)存壓力。同時(shí)在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮風(fēng)載荷和地震載荷引起的升舉力。當(dāng)升舉力的總和超過(guò)儲(chǔ)罐和罐頂重量時(shí)，會(huì)使儲(chǔ)罐罐壁底部離開(kāi)基礎(chǔ)，造成罐底破裂。為防止這種現(xiàn)象出現(xiàn)，儲(chǔ)罐罐壁可設(shè)置必要的平衡物或設(shè)計(jì)錨栓結(jié)構(gòu)來(lái)平衡升舉力。其中設(shè)置錨栓結(jié)構(gòu)是解決儲(chǔ)罐罐壁底部被抬起的一種常用方法。

罐底由邊緣板和中幅板組成。中幅板鋪設(shè)在基礎(chǔ)上，除非基礎(chǔ)有過(guò)大的沉陷，中幅板所受應(yīng)力是很小的。邊緣板通過(guò)內(nèi)外角焊接接頭與罐壁連接，所受的力就復(fù)雜多了。罐壁在液體靜壓力載荷及罐內(nèi)氣相空間壓力載荷的作用下將發(fā)生徑向變形，但在邊緣板與罐壁連接處罐壁的徑向變形受到了約束。根據(jù)應(yīng)力實(shí)測(cè)和理論計(jì)算[3]，罐底邊緣板與罐壁連接的焊接接頭處于高應(yīng)力區(qū)，且其所受的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力均屬于二次應(yīng)力，由于自限性，雖然超過(guò)屈服強(qiáng)度，但可用兩倍的屈服強(qiáng)度進(jìn)行校核。但此處所受的應(yīng)力是隨罐內(nèi)壓力、液位的變化而變化著。在高應(yīng)力區(qū)，如在罐底邊緣板與罐壁連接的焊接接頭處存在缺陷，那么缺陷就會(huì)擴(kuò)展，從而造成脆性破壞。因此罐底邊緣板與罐壁連接的焊接接頭的質(zhì)量控制變得很重要。設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇可焊性好的材料，并根據(jù)鋼材的厚度，使用溫度提出恰當(dāng)?shù)臎_擊韌性指標(biāo)。施工中罐底邊緣板與罐壁連接的焊接接頭應(yīng)采用焊兩遍或三遍成形，加強(qiáng)檢測(cè)減少缺陷。

通過(guò)獲得罐底與罐壁連接處的高質(zhì)量焊接接頭，并采取措施防止罐壁底部被抬起，有效防止了罐底與罐壁連接處先于罐頂與罐壁連接部位破壞。達(dá)到“弱頂結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)目的。

結(jié)語(yǔ)

1.GB50341第7.1.6條通過(guò)限制罐壁與罐頂連接處尺寸來(lái)規(guī)范弱頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。自支撐式錐頂儲(chǔ)罐可以滿足其弱頂結(jié)構(gòu)的要求，但自支撐式拱頂罐的外形尺寸是無(wú)法滿足其弱頂結(jié)構(gòu)條件的。

2.罐頂與罐壁連接處破壞，通常是包邊角鋼先屈曲，隨后是罐頂板周邊的角接焊接接頭撕裂。因此罐頂板周邊的角接焊接接頭尺寸應(yīng)符合GB50341第7.1.6條的要求。

3.“弱頂結(jié)構(gòu)”可以理解為罐頂與罐壁連接處先于罐底與罐壁連接處破壞。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)正壓及外載荷(包括設(shè)計(jì)負(fù)壓)計(jì)算出罐頂與罐壁連接處需要的截面積，然后確定罐頂與罐壁連接處結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)確定實(shí)際截面積并計(jì)算出罐壁底部不被抬起的最大內(nèi)壓Pmax及罐頂與罐壁連接處結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的破壞壓力Pf。判斷是否在罐頂與罐壁連接處結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的破壞壓力前，儲(chǔ)罐罐壁底部已離開(kāi)基礎(chǔ)。如果Pmax≤Pf可根據(jù)儲(chǔ)罐的實(shí)際情況設(shè)置壓力泄放口來(lái)泄放罐內(nèi)壓力，或設(shè)置平衡物、設(shè)計(jì)錨栓結(jié)構(gòu)來(lái)平衡升舉力，防止儲(chǔ)罐罐壁底部離開(kāi)基礎(chǔ)。

4.設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇可焊性好的材料，并根據(jù)鋼材的厚度，使用溫度提出恰當(dāng)?shù)臎_擊韌性指標(biāo)。施工中提高罐壁、罐底及其連接處的焊接接頭質(zhì)量，加強(qiáng)檢測(cè)減少缺陷。可有效防止了罐壁、罐底及其連接處先于罐頂與罐壁連接部位破壞。達(dá)到“弱頂結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)目的。

[1]GB50341-2003立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]API650Welded Steel Tanks forOilStorage[S].

[3]徐英，楊一凡，朱萍球罐和大型儲(chǔ)罐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.