油罐及管道强度设计第4章.pptx

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1、油罐的抗风设计和计算很重要,国内外均发生过在风力作用下罐壁产生局部失稳的现象;抗风设计的主要措施是在罐顶加设抗风圈,对大型油罐,除抗风圈外,在抗风圈的下面还需加设一圈或数圈加强圈。第1页/共61页4.1 4.1 风载荷的分布和计算4.1.1储罐罐壁风压分布分析1、外壁的风压分布:对固定顶罐和敞口罐在实验风压为W时,外壁风压分布是不均匀的,如图所示。正对着风的一点称为驻点,驻点的风压最高;迎风面上大约600范围受压,其它部分是吸力。第2页/共61页第3页/共61页2、风压根据风速计算标准风速以一般平坦地区,离地面10m高,30年一遇的10分钟平均最大风速为依据。第4页/共61页 3、内壁的风压分

2、布:对固定顶储罐风荷载引起的风压分布仅存在罐壁外部,不存在内壁的风压分布问题。对敞口储罐内壁由于风吹过时引起抽力,故罐内壁全部是负压,风洞试验表明最大负压值为W0/2,位于驻点内侧,而其余部位的负压值变化不大,与驻点值相近。第5页/共61页4.1.2储罐壁在外压作用下的屈曲特征同样的试验模型,实验表明风压的临界压力(即驻点A处的最大不失稳压力)比均压作用的临界压力约高13%左右。储罐壁的外压失稳是由瞬时外压控制,在一定范围内失稳是完全弹性的。当外压保持临界压力低一点时,模型不会出现屈曲,一旦增压至临界压力,立即发生凹瘪,但若将外压降到临界压力以下,壳面上的屈曲波形会立即跳回去恢复原形而不留痕迹

3、,但是若罐壁制造时存在椭圆度或存在局部凹瘪,即这些部位在风压下会提前失稳并难以复原。第6页/共61页罐壁风压极不均匀,理论无法计算其临界压力,先假设风压为均匀外压,求解临界压力,(实验结果表明,此临界压力小于在风洞中的临界压力,其差值大约为百分之十几,因此用均匀外压求解临界压力是安全的.)第7页/共61页4.1.3储罐罐壁的设计外压 储罐的外压包括风压和罐内负压两部分。浮顶储罐,固定顶罐以及内浮顶储罐,三者相比.外壁风压分布相同,内壁各不相同。浮顶罐有风的吸力,固定顶储罐没有风的吸力,但有罐内负压,内浮顶储罐既没有风的吸力又无罐内负压,故三者的设计外压是不相同的。由于在风荷载作用下驻点的临界压

4、力比均匀外压作用下的临界压力要高,因此在工程上用驻点处最大侧压力作为设计外压是简单而安全的。第8页/共61页对于敞口油罐,设计风压按下式计算对于敞口油罐,设计风压按下式计算第9页/共61页风压高度变化系数离地面或海面高度,m陆上海(岛)上510152030400.781.001.151.251.411.540.841.001.101.181.291.37第10页/共61页 固定顶储罐罐壁的设计外压第11页/共61页内浮顶储罐的设计外压第12页/共61页4.2 4.2 抗风圈的设计和计算抗风圈设置在油罐的顶部,通常位于包边角钢以下1m位置。抗风圈的外形可以是圆的,也可以是多边形的。抗风圈是由钢板

5、和型钢拼装成的组合断面结构。抗风圈的刚度由截面系数确定。第13页/共61页抗风圈与罐壁连接处上下各16倍壁板厚度可以认为能与抗风圈同时工作,因而可以计算在抗风圈截面内。在抗风圈的组合截面中所使用的角钢,一般来说最小尺寸60*60*5,所使用的钢板最小厚度,当抗风圈的宽度b不超过0.6m时应为5mm,大于0.6时应为6mm。抗风圈上如有可能积存雨水时,则应开设“泪孔”。抗风圈或其一部分通常可做为走廊用,此时应和包边角钢伸出部分保持有600mm的净宽,并在外侧设置栏杆,且抗风圈装在距顶部包边角钢1000mm处。第14页/共61页结构抗风圈的扶梯穿过孔第15页/共61页SH3046SH3046基本风

6、压值取700Pa,距地面15m。WZ截面模数D油罐内径;H罐顶高度;假设迎风面风压分布范围所对应的抗风圈区段为两端饺支的圆拱,沿拱轴线的风呈正弦曲线分布,圆拱所对应的圆心角为60度,并假设罐壁上半部分的迎风面风压由抗风圈承担 第16页/共61页API650API650和和BS2564BS2564 标准风速取45m/s,距地面9m。JIS B8501JIS B8501 标准风速取70m/s,距地面15m。第17页/共61页4.3 4.3 加强圈的设计和计算抗风圈以下的罐壁,仍有可能被吹扁,需设置加强圈。风压失稳由不均匀分布外压造成,和均匀外压失稳的临界压力相比,低13.6%。罐壁失稳按均匀外压考

7、虑。第18页/共61页4.3.1当量高度油罐是阶梯形变断面圆筒,按当量高度折算;将壁厚不同的各筒节折算成直径相同、稳定性相同的等壁厚圆筒,折算后的筒节高度称为当量高度;按折算后的等壁厚圆筒设计加强圈。第19页/共61页4.3.2当量高度计算第20页/共61页4.3.3 SH30464.3.3 SH3046推荐方法该方法以薄壁短圆筒在外压作用下的临界压力计算公式为基础,参照当量高度的概念得出:第21页/共61页4.3.4加强圈的数量及其位置设计压力P与Pcr的关系加强圈数 在当量筒体上的位置Pcr PP/2Pcr PP/3Pcr P/2P/4Pcr P/30123-He/2He/3,2/3HeH

8、e/4,He/2,3/4He第22页/共61页例题一台浮顶油罐内径60m,高18m,罐壁由9层2m宽的圈板组层,抗风圈设在离上口1m处,罐壁自上而下的厚度分别为10、10、10、12、14、16、18、20、23mm,建罐地区基本风压W0=70kgf/m2,求加强圈的个数,位置及尺寸。第23页/共61页解:(1)求设计压力P第24页/共61页(2)求Pcr各圈的He值,列表如下:第25页/共61页层次h,m t,mmHe,m1234567891222222221010101214161820231221.2680.8620.6180.4600.3540.249第26页/共61页(3)确定加强圈

9、的个数与位置所以需设2个加强圈。第27页/共61页第一个加强圈:在当量筒体上距抗风圈HE/3处;HE/3=8.811/3=2.937m,因位于tmin处,故无需折算。第二个加强圈:在当量筒体上距抗风圈2/3HE处;2/3HE=8.8112/3=5.874m,因不在tmin处,故需折算,其距抗风圈的实际距离为。第28页/共61页(4)加强圈的尺寸参阅下表,取加强圈角钢为20010012mm。油罐直径Dm角钢圈(或同样截面系数的型钢)mmD2020D36364810060 812575 8150100 10200100 12第29页/共61页4.4 储罐的抗震计算4.4.1 工程抗震目前在世界上对

10、地震的研究工作从三个方面进行,即地震成因、地震预报和工程抗震。我们油罐的设计工作是要研究工程抗震中关于油罐抗震的一个专门部分。衡量地震强烈程度的尺度有两种 一是震级,另一个是烈度。第30页/共61页 震级:是指在一次地震中地壳所释放出的能量。释放出的能量越多,震级越大。地震烈度,地震对某一地区影响的强烈程度。烈度与震级、震源深度、震中距、土壤情况等因素有关。震级与烈度不能混淆,一次地震释放出一定能量,但是同一震级对各地方的影响并不一样,因而各地区的地震烈度是不同的。一次地震根据其释放出来的能量大小(通过仪器测定)只有一个震级,但在不同的地区却有不同的烈度。随着震中距的加大,烈度逐渐降低。同样的

11、震中距由于地区的地质构造、土质条件、地下水的情况等不同,烈度也不同。第31页/共61页油罐的抗震设计,到目前为止世界各国规范都只规定了侧向地震载荷的校核。但是近年来,在接近震中的一些油罐也曾发现被认为是由于垂直震动而引起的破坏,故对于纵波对油罐的破坏也开始有人进行研究。工程抗震设计可采用静力法或动力法。静力法的基本假设是物体上各点的加速度与地面加速度完全一致。动力法从研究结构本身的动力特征出发(即研究结构的振型、振动周期、阻尼等),进一步研究输入地震引起地面震动后结构的反应,从而进行计算和校核。第32页/共61页4.4.2地震对油罐的破坏油罐属于薄壁结构,内部储存易燃液体,如设计时未充分考虑抗

12、震,则在地震过程中往往会造成严重灾害。由于油罐大型化和采用高强度纲而使罐壁减薄,从而使罐壁的稳定性较差,这就要求对油罐的抗震能力应更加予以关注。终合国内外历次地震中油罐所受的震害,可将其破坏的类型归纳为以下几种:第33页/共61页1、油罐壁板最下一层局部外凸。这是较为常见的一种破坏形式。它是由于地震时在水平加速度的作用下,由于倾倒力矩造成罐壁一侧的压应力超过其临界压应力值,罐壁屈曲造成的。2、罐壁与罐底间角焊缝开裂。这种破坏形式也不少,这是由于地震时水平加速度作用下水平惯性力使角焊缝中的剪应力超过其剪切强度极限造成的。第34页/共61页3、罐壁板最下一层沿圆周形成圆环状凸出。这种现象即称为“象

13、腿”。4、油罐在液位较高的情况下,在地震时由于液面剧烈晃动,浮顶导向杆失灵,扶梯破坏,浮顶来回碰撞,最终导致浮顶沉没。1971年美国San Fernando 6.6级地震时一台浮顶罐就出现这种破坏。属于这一类型的还有固定油罐中罐顶支柱倾倒,罐顶破坏和最上一层壁板包边角钢破坏等。第35页/共61页5、油罐基础液化、滑坡等造成油罐局部或整体下沉。6、与油罐相连接的管线或其他设备由于地震时有相对位移而造成破坏。到目前为止,对第一种破坏形式研究得较多,当前的设计规范也多针对这种破坏形式做出规定。第36页/共61页4.4.3 抗震计算 我国石油化工钢制设备抗震设计规范1.地震荷载的计算 (1)自震周期计

14、算 储罐的罐液藕连振动基本自振周期为第37页/共61页式中 T1储罐的罐液藕连振动基本自振周期,s;e自然对数的底;HW储罐底面到储液面的高度,m;D储罐的内直径,m;3位于罐壁高度1/3处的罐壁名义厚度,m;第38页/共61页储液晃动基本自振周期按下式计算,即式中 TW罐内储液晃动基本自振周期,s;cth双曲余切函数。第39页/共61页(2)水平地震作用及效应计算水平地震作用按下式计算,即FH储罐的水平地震作用,N;水平地震影响系数,按罐液藕连振动基本自振周 期确定;meq等效质量,mL储液质量,g重力加速度,取9.81m/s2。动液系数;kz综合影响系数,取kz0.4。动液系数,计算如下。

15、第40页/共61页当HW/R1.5时,当HW/R1.5时,式中 R储罐的内半径,m;th双曲正切函数。第41页/共61页水平地震作用对罐底的倾覆力矩 式中 M1水平地震作用对罐底的倾覆力矩,N.m。第42页/共61页(3)罐壁竖向稳定许用临界应力计算应力第一圈罐壁(自下往上数)的竖向稳定临界应力第43页/共61页第一圈罐壁稳定许用临界应力cr罐壁竖向稳定临界应力,Pa;cr第一圈罐壁稳定许用临界压力,Pa;E 罐壁材料的弹性模量,Pa;D1第一圈罐壁的平均直径,m;1第一圈罐壁的有效厚度,m;H 罐壁的高度,m;kc系数;设备重要度差别。第44页/共61页2.抗震验算(1)罐底周边单位长度上的

16、提离力第45页/共61页式中 Ft罐底周边单位长度的提离力,N/m;FLO储液和罐底的最大提离反抗力,N/m;当其值大于0.02HWD1sg时,取0.02HWD1sg;b罐底环形边缘板的有效厚度,m;y罐底环形边缘板的屈服点,Pa;s储液密度,kg/m3。第46页/共61页(2)罐底周边单位长度上的提离反抗力FL罐底周边单位长度的提离力反抗力,N/m;N1第一圈罐壁底部所承受的重力,N。第47页/共61页(3)锚固储罐应满足条件罐底部压应力第48页/共61页式中 c罐壁底部的竖向压应力,Pa;A1第一圈罐壁的截面积,,m2;Z1第一圈罐壁的截面抵抗矩,,m3。第49页/共61页锚固螺栓第50页

17、/共61页bt地脚螺栓的拉应力,若bt 0,则地脚螺栓的拉应力为0,Pa;n地脚螺栓个数;Abt一个地脚螺栓的有效截面积,m2;Dr地脚螺栓的中心圆直径,m;bt地脚螺栓抗震设计的许用应力,Pa;对低碳钢常温下bt147M Pa;第51页/共61页其他材料 地脚螺栓设计温度下材料的许用应力,Pa;材料的许用应力初始值,其值不应大于材料在设计温度下屈服点的0.9倍,Pa;设备重要度类别。第52页/共61页(4)无锚固储罐应满足条件 罐底部压应力:FtFL时 FL2FL,或c cr时,应采取下列中的一个或多个措施,重复上述计算,直到满足要求为止:减小储罐高径比;加大第一圈罐壁的厚度;加大罐底环形边

18、缘板的厚度;用锚固螺栓通过螺栓座把储罐锚固在基础上。第54页/共61页(5)根据抗震验算所得的第一圈罐壁厚度大于根据静液压力计算所得的厚度时其他各圈罐壁壁厚可在按静液压力计算所得厚度的基础上,以同样的比例增大.否则上面各圈罐壁也应进行抗震计算,并验算各圈底部的抗失稳能力。第55页/共61页3.液面晃动波高计算(1)罐内液面晃动波高hv罐内液面晃动波高,m;1浮顶影响系数,浮顶罐取1.0;2阻尼修正系数,当储液晃动周期大于10s时,取1.05;水平地震影响系数,从SH 3048-1999中查。第56页/共61页(2)储存易燃或有毒液体的储罐,对浮顶罐,浮船顶面至罐顶部的距离,应大于液面晃动波高;

19、对非浮顶罐,液面至罐顶部的距离应大于液面晃动波高。第57页/共61页4.4.4 垂直地震载荷的影响在以前的叙述当中油罐都曾出现过“象腿”现象。如何解释“象腿”现象,至今还存在着不同意见。其中有一种意见认为“象腿”现象是由于垂直地震载荷(主要的)、静液压以及水平地震载荷(次要的)、罐壁与罐底连接处的边缘效应产生的弯矩和剪力共同作用下,在罐壁产生的环向应力和轴向弯曲应力合成的组合应力超过材料的屈服极限所造成的。这种意见较有说服力,但还需通过试验进一步验证,现仅将其结论叙述如下:第58页/共61页1、储罐在地震中出现“象腿”现象,是由于较大面积的底圈板上的组合应力超过材料的屈服极限造成的,这属于材料

20、的强度问题而不是罐体的稳定(屈曲)问题。2、垂直地震加速度对储罐的作用相当大使储液密度增加。当储罐建于3类场地土上,在设计地震烈度7、8、9度时,大致相当于使储液密度增加0.46、0.96、1.8倍。3、在邻近震中的高地震烈度区,垂直地震加速度对储罐的影响远远超过水平地震加速度的影响。有时垂直地震加速度产生的环向应力可能超过水平地震加速度产生的弯曲应力10倍以上。垂直地震载荷对油罐的影响在世界范围内仍是个为大家所关注的、正在研究着的课题。第59页/共61页4.4.5 油罐抗震加固的措施 1、增加罐底边缘板厚度2、增大底层壁板厚度。3、改变油罐的径高比,即改变D/H一般来说,在容积不变的情况下,D增大H减小可使M减小。4、加设锚固螺栓,这往往是增加油罐抗震能力的好办法。油罐锚固后,罐底不会抬起。这种方法多用于小型油罐。设计锚固螺栓时,要求螺栓本身不被拉断,还要求地脚螺栓不能被拔除。5、为了防止出现“象腿”,可在组合应力最大的部位加上预应力钢筋及垫板。这样做可使该部位的罐壁受到预加的环向压缩应力,从而抵消了部分环向拉伸应力。第60页/共61页谢谢您的观看!第61页/共61页

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