風載荷對油罐傾倒力矩的計算方法

張浩 (中國石油天然氣管道局天津設計院，天津 300457)

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風載荷對油罐傾倒力矩的計算方法

張浩 (中國石油天然氣管道局天津設計院，天津 300457)

在GB 50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》的“油罐抗風穩定性計算及錨固設計”中，僅給出了油罐不發生傾倒的力矩要求，具體各個力矩的計算方法并沒有明確給出，這對油罐抗風穩定性計算造成了很大的困難。為此，提出了抗風穩定性計算中所需力矩的具體計算公式，特別是推導出了水平和垂直風壓對罐壁罐底接合點傾倒力矩的計算方法，為油罐設計提供了重要參考。

油庫油罐；抗風穩定性；風壓；傾倒力矩；計算方法

立式圓筒形鋼制焊接油罐是國內的石油化工生產中重要的設備類型。在GB50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》[1]中，增加了“油罐抗風穩定性計算及錨固設計”章節，但其中并未詳細論述具體的計算方法，僅給出了未錨固罐傾倒校核計算時不發生傾倒的要求，具體力矩的計算公式并未提到。這就造成了在油罐設計過程中該部分相關計算結果難以得出，成為油罐設計計算中的一個盲區。為此，筆者尋求油罐抗風穩定性計算中所需力矩的具體計算方法。

1 油罐抗風穩定性計算問題

注：a為罐壁風載荷(PWS)，Pa；b為風壓上舉載荷(PWR)，Pa；c為內壓上舉載荷，Pa；d為罐壁重量和罐頂支撐件重量(不包括罐頂板)，kg；e為罐頂板及其上附件重量，kg；f為罐壁罐底接合點(力矩平衡點)；H1為罐壁高度，m；D為油罐直徑，m。

在GB50341-2014中，關于抗風穩定性的規定如下：未錨固罐傾倒校核計算，當油罐不發生傾倒時，應滿足：

0.6MW+Mpi

MW+Mpi<(MDL+MF)/2+MDLR

(1)

式中,MW為水平和垂直風壓對罐壁罐底接合點的傾倒力矩，N·m；Mpi為設計內壓對罐壁罐底接合點的傾倒力矩，N·m；MDL為罐壁重量和罐頂支撐件重量(不包括罐頂板)對罐壁罐底接合點的反傾倒力矩，N·m；MDLR為罐頂板及其上附件重量對罐壁罐底接合點的反傾倒力矩，N·m；MF為儲液重量對罐壁罐底接合點的反傾倒力矩，N·m。

根據未錨固罐所受的載荷(見圖1)可知：

(2)

(3)

(4)

式中，g為重力加速度，m/s2。

MF在GB50341-2014中已經給出了具體的計算公式。現在的關鍵問題是如何計算MW。

2 MW的計算

在GB50341-2014中， MW被拆解為水平風壓對罐壁罐底結合點的傾倒力矩(MWS)和垂直風壓對罐壁罐底結合點的傾倒力矩(MWR)，即MW=MWS+MWR。同時，定義MWS為由PWS引起的對罐壁罐底結合點的傾倒力矩：

(5)

定義MWR為由PWR引起的對罐壁罐底結合點的傾倒力矩：

(6)

式中,PWS為作用于罐壁上的水平風載荷，Pa；PWR為作用于罐頂部的舉升風載荷，Pa。

由此，MW的計算問題變成了求解PWS和PWR。PWS和PWR的計算公式在GB50341-2014中并未明確給出，但是在附錄F中有關于設計風壓的描述：W為設計風壓，w0為風載荷的基準壓力，在圓柱狀罐壁垂直投影面上W=1.23w0，在錐頂和雙曲面固定頂水平投影面上W=2.06w0。由此可以推測，在圓柱狀罐壁垂直投影面上的設計風壓W=1.23w0就是PWS, 在錐頂和雙曲面固定頂水平投影面上的設計風壓W=2.06w0就是PWR。

根據API650-2013《焊接石油儲罐》[2]的規定，可以得到：

(7)

(8)

式中,V為風速，km/h；系數單位為kg/m3。API650-2013中風載荷的基準壓力是根據離地約10m高處的3s陣風風速V計算的；而GB50341-2014中風載荷的基準壓力一般按當地平臺地面10m高度10min的平均風速觀測數據，經概率統計得出50年一遇確定的最大風速，再乘以相應的空氣密度。

根據文獻[3]，經過計算可得國內外風速的轉換比例：

美國3s瞬時風速=1.58×國內10min平均風速

(9)

則當國內風載荷的基準壓力為w0時，轉換為國外風速：

(10)

由此可得：

(11)

(12)

(13)

(14)

最后，根據MW=MWS+MWR即可求得水平和垂直風壓對罐壁罐底接合點的傾倒力矩MW。

3 實例驗證

2015年大港油田采油六廠羊中心站6#罐大修項目，具體為拆除原5000m3多功能罐，并在原址新建一座5000m3多功能罐。該項目的國內風載荷的基準壓力w0=550Pa，油罐直徑D=23.7m，罐壁高H=12.5m為拱頂罐。下面將重點說明水平和垂直風壓對罐壁罐底接合點的傾倒力矩MW的計算過程，并對比與原油罐(無抗風錨固計算時)的不同情況。

對于新建的5000m3多功能罐，根據式(11)～(14)可以計算出：

PWS=1.23w0=0.68(kPa)

PWR=2.06w0=1.13(kPa)

MW=MWS+MWR=7163290(N·m)

為了核實上述結果，應用TANK軟件進行了驗算。TANK軟件關于MWS和MW的計算結果如下：

Moment about shell-to-bottom joint [MWS]:

= 18. * Vfact (D + Insulation)*H^2 / 2

= 18. * 0.7676 (77.8 + 0.0 )*41.0^2/2

= 900854.7 ft.lb[1221342.8N·m]

Moment about shell-to-bottom joint[MW]:

= MWS + Wind Uplift*VArea*D / 2

= 900854 + 0.1599*683784*77.8/2

= 5152154.0 ft.lb[6985084.5N·m]

可見根據式(13)和式(14)計算的MW與TANK軟件計算的結果差別很小。

另外，根據項目的其他設計條件，應用式(2)～式(4)可以求得：

Mpi=10455262(N·m)

MDL=6690632(N·m)

MDLR=3367770(N·m)

MF=25885288(N·m)

通過上述計算得出：

0.6MW+Mpi>MDL/1.5+MDLR

MW+Mpi<(MDL+MF)/2+MDLR

(15)

式(15)表明，當考慮油罐抗風穩定性時，需要對油罐進行錨固設計。故而在該項目中對油罐增加了錨固螺栓，以確保罐體不會發生傾倒。原油罐沒有錨固設計，這樣就糾正了原項目不嚴謹的部分。

4 結語

用GB50341-2014附錄F中的設計風壓1.23ω0和2.06ω0分別代替“油罐抗風穩定性計算及錨固設計”中的PWS和PWR對水平和垂直風壓對罐壁罐底接合點的傾倒力矩MW進行了計算。相對于原來的設計方法，在抗風穩定性中考慮了風載荷對油罐的傾倒力矩，極大地增加了油罐的安全性，為以后的國內油罐設計提供了重要參考。

[1]立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范，GB50341-2014[S].

[2]焊接石油儲罐，AP650-2013[S].

[3]劉德平，趙永勝，陳全勇，等.國內外基本風速標準的比較研究[J].電力勘測設計，2013(2):30～33.

[編輯] 張濤

2016-09-16

中國石油天然氣集團公司科技專項(H201104006)。

張浩(1989-)，男，助理工程師，現主要從事油氣儲運機械設備設計方面的研究工作；E-mail:zzzhanghao@cnpc.com.cn。

TE972.102

A

1673-1409(2016)34-0074-03

[引著格式]張浩.風載荷對油罐傾倒力矩的計算方法[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(34)：74～76.