淺談低壓儲罐在拉壓雙向力下的罐壁厚度計算及受力特點

2017-04-22 02:41:35梁宏斌

化工設計 2017年2期

韓丁曹巖梁宏斌

華陸工程科技有限責任公司西安 710065

韓丁*曹巖梁宏斌

華陸工程科技有限責任公司西安 710065

針對API620低壓儲罐在拉壓雙應力下的儲罐厚度計算，本文給出一種解析法來與API620標準附錄F.2中的圖解法進行比較，分析各自的優缺點并討論拉壓雙應力下罐體的受力特點。

拉壓雙向力解析法儲罐厚度計算

1 低壓儲罐概述

低壓儲罐國外常用標準是美國標準API STANDARD 620，其壓力適用范圍為正壓≤103.42kPa，負壓≤0.43kPa，溫度適用范圍為-198～121℃[1]。該標準適用壓力較高，在多數情況下，為了減少低沸點儲存介質在存儲時的蒸發損耗，或避免儲液與大氣接觸而造成氧化的需要，儲罐的操作壓力就需要提高。隨著石油化工工業的發展，低壓儲罐的使用也逐漸普遍起來[2]。

2 低壓罐體壁厚計算

相較于一般的常壓或微內壓儲罐，API620標準適用壓力較高，按此標準設計的儲罐壁厚較大，又不能按普通的壓力容器考慮，所以對該類低壓儲罐的罐體厚度計算, API620標準引入經向單位力T1和緯向單位力T2的概念，這兩個單位力是帶有方向的力，單位為N/mm，T1和T2為正值表示拉應力，為負值表示壓應力。罐體本身主要包括罐頂、罐壁、承壓環及罐底，本文主要討論罐壁的厚度計算，其中當T1和T2均為正值或均為負值時，厚度計算相對簡單，不做論述。在T1為正值，T2為負值或者T1為負值，T2為正值時，厚度計算較為復雜，而且限制條件較多，為本文主要討論的內容。關于拉壓雙向力下的罐體壁厚計算，API620中附錄F.2例題給出的算法是圖解法，本文給出一種解析法來進行壁厚計算并比較兩種方法的優缺點，最后對拉壓雙向力下的罐體受力特點進行簡單討論。

3 在拉壓雙向力下罐體厚度計算

3.1 API附錄圖解法

API620附錄F.2.1的算例，介紹的是在拉壓雙向力下運用圖解法進行計算的過程。條件：罐壁鋼板為ASTM A442 Grade55級，經向單位拉力T1為700.5N/mm，緯向單位壓力T2為886.14N/mm，經向的曲率半徑R1為1905mm，從壁表面沿法線到回轉軸的長度R2為7620mm，罐壁采用雙面對接結構，其受拉焊接接頭系數E為0.85，腐蝕裕量為1.5875mm，運用圖解法求所需最小厚度。API620附錄F圖F-2見圖1。

ASTM A442 Grade55級鋼板在純拉伸時的最大許用拉應力Sts為113.764MPa，由于緯向受壓，所以R和R1均為1905mm。

圖解法的思路是假設從小到大幾個厚度，然后得出對應不同厚度下的(t-c)/R值、Sc值、St值及N值，其中，

在圖1中，找出各個厚度的Sc值和其對應的(t-c)/R值，標出其交點，繪出一條平滑的U-U曲線；再以(t-c)/R值及對應的N值的交點，繪出另一條平滑的V-V曲線。

兩條曲線的交點對應的(t-c)/R值即為允許的最小值，這個值既滿足拉應力限制，也滿足壓應力限制。查圖可知，Sc=Sca=68.95MPa，N≈0.48，由于N值小于焊接接頭系數E，所以N取0.48，St=Sta=NSts=0.48×113.764=54.6MPa，由拉力T1可得：

或由壓力T2可得：

圖1 API620附錄F圖F-2

由于兩條曲線交點并沒有超出API620附錄F中圖F-2的A-A曲線，所以該t值符合條件。同時要指出，由于圖解法讀圖取值有一定誤差，所以由拉應力和壓應力算出的厚度略有不同。

3.2 解析法

本文提出一種解析法計算壁厚，步驟如下：

(1)設定T1為拉應力，T2為壓應力(或者T1為壓應力，T2為拉應力)，然后假定一個壁厚值t，該值既滿足拉應力限制，又滿足壓應力限制，且St=Sta，Sc=Sca，則t值同時滿足以下兩式：

由上式可得：

又有Sta=NSts，Sca=MScs，即，

(1)

可得：

(2)

API620附錄F圖F-1見圖2。

圖2 API620附錄F圖F-1

由圖2可知，N和M有以下關系：

N2+MN+M2=1

解析求得：

(3)

將M帶入公式(1)可得：

求得：

(4)

這里應當注意到公式(4)的Scs是隨著(t-c)/R變化的值，所以假定Scs為定值且取最大值103.42MPa,可得：

(5)

在求得N值的情況下，拉應力下厚度值：

(6)

由N值可求得M值，由公式(1)可知，拉應力下厚度值與壓應力下厚度值相同，此時可根據厚度值t、M和N求出：

這里St與Sta相等時，另有：

及此時(t-c)/R對應的Scs值。

如果單位壓力T2不超過與它同時存在的相垂直的單位拉力T1的5%時，計算需按照API620中5.5.3.2條的規定確定拉應力的大小(即經向和緯向單位力T1和T2均為拉力，或其中一個為拉力，另一個為零時，計算的拉應力值Stc不應超過API620中表5-1中規定的純拉伸的最大許用值Sts)，那么本節中的假設自然也不成立。但Sta值不應超過API620中表5-2中焊接接頭系數與表5-1中許用應力的純拉伸的最大許用值Sts的乘積(ESts)。

(2)如果此時求得的t值同時滿足St≤Sta,Sc≤Scs及Sc≤Sca三個條件，那么該值就是既滿足拉應力又滿足壓應力條件的值。

(3)根據假設可知，St=Sta及Sc=Scs，所以只需驗證此時的St≤Sta及Sc≤Scs能否滿足條件，如果不能，則按下文進行調整計算。

(4)對于拉應力，St≤Sta這個條件可以通過增大厚度t來確保成立，但是當拉應力T1比壓應力T2顯著較大的時候，可能會出現很大的N值，此時，當N>E的時候，N值取E值，當N≤E的時候，N值不變，還要注意，如果拉應力T1比壓應力T2顯著較大的時候，可能會出現較大的壁厚值t，會涉及到材料本身的厚度限制、采購困難以及熱處理等一系列問題，因為這時候是拉應力起主要作用，所以可能需要重新選擇純拉伸的最大許用壓力Sts更大的材料。

(5)如滿足了步驟(3)要求，但是Sc>Scs，在此t值下，拉應力St已經滿足要求，而壓應力Sc超過了(t-c)/R對應下的最大許用壓應力Scs，由于Sc=T2/(t-c)，所以需要增大厚度t來降低Sc以確保滿足條件Sc≤Scs。另外隨著壁厚t的增大，拉應力St=T1/(t-c)值會減小，所以此時壓應力是控制值。假設壁厚為t′的時候(此時t′>t)，壓應力Sc最終達到Sc=Scs，那么壓應力Sc=T2/(t′-c)=Scs。

關于Scs的取值，參見圖3。當(t′-c)/R不同范圍時，Scs的計算方式也不同，說明如下：

Scs=103.4MPa

由于限定條件區間為(t′-c)/R<0.00667，那么t′的有效區間為[0,0.00667R+c]，此時需要驗證t′是否在這個區間，如在，t′值就滿足壓應力的值，如不在，就繼續驗證下個條件。

當0.00667≤(t′-c)/R≤0.0175時，t′可得：

由于限定條件區間為0.00667≤(t′-c)/R≤0.0175，那么t′的有效區間為[0.00667R+c, 0.0175R+c]，此時需要驗證t′是否在這個區間，如在，t′值就是滿足壓應力的值，如不在，就繼續驗證下個條件。

當0.0175<(t′-c)/R時，t′可得：

由于限定條件區間為0.0175<(t′-c)/R，那么t′的值大于0.0175R+c，此時需要驗證t′是否滿足條件，如果不滿足，說明壓應力過大，結構無法承受。

在求出t′值后，需要驗證該值是否滿足步驟(2)的其他條件，如果符合，則說明該值就是既滿足拉應力又滿足壓應力條件的值。

圖3 組合拉應力和壓應力的雙向應力

3.3 用解析法驗算例題

下面用解析法驗算API620中附錄F.2.1之例題，由已知條件可帶入公式(4)及(3)可求出N為0.48069，M為0.66889，計算可得Sta和NSts均為54.685MPa。

在拉應力下，計算t得：

由公式(1)可知，拉應力下厚度值與壓應力下厚度值相同。

此時，

在t為14.3974mm時，(t′-c)/R 為0.00672,所以Scs得：

以上結果可見：

Sc=Sca

由上可知該解滿足本文中步驟(2)條件，此時t為14.3974mm，既滿足拉應力又滿足壓應力。

這個厚度值下St=Sta，拉應力已經達到最大值，而壓應力Sc

若上述F.2.1例題的其他條件不變，只變更T1為400N/mm，同上可得N為0.32569,M為0.79587, Sta和NSts均為37.15MPa。

在拉應力下，計算t得：

由公式(1)可知，拉應力下厚度值與壓應力下厚度值相同。

可得：

以上結果可知Sc>Scs。此時壓應力超過最大壓應力，不滿足步驟(2)的條件，壁厚t需要重新計算。

根據步驟(4)假設t′是滿足條件的值，那么當(t′-c)/R <0.00667時，計算t′得：

由于限定條件區間為(t′-c)/R <0.00667，那么t′的有效區間為[0,14.29385]，所以t′滿足要求。

假如繼續驗證下步驟(4)的后面兩個條件：設當t′滿足0.00667≤(t′-c)/R ≤0.0175時，計算t′得：

此時t′的有效區間為[14.29385,34.925]，可見t′并沒有在有效區間上。

當t′滿足0.0175<(t′-c)/R時，計算t′得：

此時t′的有效區間為t′>34.925，可見也不滿足條件。

下面按照步驟(2)進行驗證該解是否滿足條件：

即，

可見St

由上可知，t′為13.25mm時，既滿足拉應力又滿足壓應力的解。應當注意，此時的St′

3.4 兩種算法比較

由以上兩例可知，圖解法和解析法各有優缺點。

(1)圖解法的缺點為計算量大(對每個假設的厚度t對應的Sc值、N值及(t′-c)/R值都要進行計算)，描點及繪制曲線精度無法保證，查圖讀值會有誤差，不利于計算機進行計算等，優點為可以不借助其它工具通過繪圖得出大概厚度值，方便操作等。

(2)解析法的優點在于判斷條件清晰，便于理解，而且可通過數學公式及邏輯判斷得出高精度的解，并且非常方便的用計算機進行邏輯計算，缺點在于計算公式相對復雜。

4 拉壓雙應力下罐體受力特點

5 結語

對API620而言，由于壓力較高，罐壁在罐體材料中占很大比重，所以罐壁的厚度計算非常重要，而拉壓應力下的壁厚計算是比較復雜的部分，在計算過程中能求得精確的值很重要，所以分析討論拉壓應力下的厚度計算方法很有意義，而且拉壓應力下的罐體受力特點也值得討論。相對來說，壁厚計算的兩種算法各有優劣，但是從精確求解的角度來說，解析法更優，便于理解和判斷，也利于計算機編程運算。

符號說明

c 厚度附加量，包括腐蝕裕量和厚度負偏差，mm