何 禹 大慶油田工程有限公司

基于包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)的20 000 m3內(nèi)浮頂油罐罐頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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針對某20 000 m3內(nèi)浮頂油罐罐頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可將包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)，即包邊角鋼以及包邊角鋼在罐頂及罐壁兩側(cè)的各16倍壁厚范圍的區(qū)域，考慮到罐頂設(shè)計之中。經(jīng)過計算、分析對比可以看出，按照包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)設(shè)計的罐頂結(jié)構(gòu)比常規(guī)設(shè)計的罐頂結(jié)構(gòu)有效截面積大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，且在包邊角鋼與罐壁及罐頂連接處結(jié)構(gòu)變化平穩(wěn)，沒有應(yīng)力突變問題。

20 000 m3內(nèi)浮頂油罐；罐頂；包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)；結(jié)構(gòu)

隨著我國石油化工工業(yè)的不斷發(fā)展，對大型儲罐的需求量越來越大，對于大型儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，越發(fā)顯示其重要性，安全合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可提高強(qiáng)度且用料省，譬如，20 000 m3內(nèi)浮頂油罐的罐頂結(jié)構(gòu)設(shè)計，若將包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)的概念引入到其設(shè)計當(dāng)中，罐頂結(jié)構(gòu)比常規(guī)設(shè)計的罐頂結(jié)構(gòu)將有很大改進(jìn)。

1 罐頂結(jié)構(gòu)

20 000 m3內(nèi)浮頂油罐罐頂采用雙子午網(wǎng)殼頂。雙子午網(wǎng)殼頂由空間桿件預(yù)制成為球面網(wǎng)架，然后在球面網(wǎng)架上面鋪設(shè)鋼板形成球殼，組成完整的密封罐頂。罐頂上的外部荷載全部由網(wǎng)架承受，球殼只是起密封作用的蒙皮，在設(shè)計中不考慮球殼板的承載能力。在罐頂與罐壁連接處設(shè)置包邊角鋼，以承受從罐頂傳來的橫向力，此橫向力是因罐內(nèi)或罐外壓力而產(chǎn)生的水平分力。包邊角鋼的結(jié)構(gòu)形式有很多種，設(shè)計中采用邊錐板的結(jié)構(gòu)形式，見圖1。

圖1 罐頂與罐壁的結(jié)構(gòu)形式

2 包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)在設(shè)計中的應(yīng)用

包邊角鋼以及包邊角鋼在罐頂及罐壁兩側(cè)的各16倍壁厚范圍的材料共同承受水平力，此區(qū)域成為包邊角鋼（共同）加強(qiáng)區(qū)[1]。以本次設(shè)計的20 000 m3內(nèi)浮頂油罐為例，設(shè)計基本參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計基本參數(shù)

按照《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范（GB 50341—2003）》，罐壁計算厚度公式td=及相關(guān)抗震及抗風(fēng)計算，其中腐蝕余量取1 mm，可得頂圈壁板，材質(zhì)為Q235B，設(shè)計壁厚為3.759 mm，名義厚度取8 mm，寬度為1 980 mm。罐頂與罐壁板相連接處的邊錐板，按照自支撐式拱頂?shù)挠行Э估孛娣e校核公式A≥4.6DR2[2]計算。式中A為固定頂罐罐頂與罐壁連接處有效截面積(mm2)；R2為罐頂與罐壁連接處頂板到罐中心線的垂直距離(mm)。經(jīng)計算可得，材質(zhì)為Q345R，邊錐板最小長度為300 mm，厚度為20 mm，罐壁有效截面積及邊錐板有效面積之和為6 767.3 mm2。

當(dāng)設(shè)計外載荷＞2.2 kPa時，需要的有效截面積應(yīng)按計算值乘以設(shè)計外載荷除以2.2，有效截面積的計算，采用《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，在有效面積上，當(dāng)承受外載時為拉應(yīng)力，承受內(nèi)載荷時為壓應(yīng)力。

如果考慮包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)的作用，則與邊錐板相連接的罐壁，在16倍壁厚范圍內(nèi)，可設(shè)計為包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)，此范圍內(nèi)的厚度可不按罐壁考慮，厚度可大于頂圈罐壁的名義壁厚（《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范（GB 50341—2003）》第6.1.2條規(guī)定，上圈壁板厚度不得大于下圈壁板的厚度），此時邊錐板及罐壁側(cè)包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)的設(shè)計尺寸按自支撐式拱頂?shù)挠行Э估孛娣e校核計算，其中腐蝕余量取1 mm，可計算出在罐壁側(cè)加強(qiáng)區(qū)的鋼板材質(zhì)為Q235B，厚度為14 mm，高度為500 mm；邊錐板材質(zhì)為Q345R，厚度為14mm，長度為300 mm；罐壁有效面積及邊錐板有效面積之和為7 220.9 mm2。

3 結(jié)論

經(jīng)過計算、分析對比可看出，將包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)，即包邊角鋼以及包邊角鋼在罐頂及罐壁兩側(cè)的各16倍壁厚范圍的區(qū)域，考慮到罐頂設(shè)計之中時，按照包邊角鋼加強(qiáng)區(qū)設(shè)計的罐頂結(jié)構(gòu)比常規(guī)設(shè)計的罐頂結(jié)構(gòu)有效截面積大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，且在包邊角鋼與罐壁及罐頂連接處結(jié)構(gòu)變化平穩(wěn)，沒有應(yīng)力突變問題。

[1]徐英，楊一凡，朱萍．球罐和大型儲罐：第一版[S]．北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2005：222-224.

[2]傅偉慶．立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范：GB 50341—2003[S]．北京：中國計劃出版社，2003：27-41.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.022

何禹:工程師，主要從事壓力容器非標(biāo)設(shè)備設(shè)計。

2015-01-21

15604593088、hey_dqdod@petrochina.com.cn