大型油罐中間抗風(fēng)圈設(shè)計(jì)計(jì)算

靳永欣，孫思海

（中國石油工程建設(shè)公司大連設(shè)計(jì)分公司，遼寧大連 116011）

大型油罐中間抗風(fēng)圈設(shè)計(jì)計(jì)算

靳永欣，孫思海

（中國石油工程建設(shè)公司大連設(shè)計(jì)分公司，遼寧大連 116011）

文章通過對(duì)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于油罐中間抗風(fēng)圈設(shè)計(jì)計(jì)算的分析，尤其通過對(duì)抗風(fēng)圈截面尺寸選取方面的理論分析與工程實(shí)例的比較，指出采用GB 50341-2005《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》選取的中間抗風(fēng)圈截面尺寸往往小于API 650-2010《Welded Tanks for Oil Storage》設(shè)計(jì)的截面尺寸，罐壁抗風(fēng)穩(wěn)定性存在一定的危險(xiǎn)，建議在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可采用API 650-2010進(jìn)行驗(yàn)證。

大型油罐；中間抗風(fēng)圈；最小截面尺寸；抗風(fēng)能力；穩(wěn)定性

0 引言

近些年隨著油罐大型化和高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，油罐罐壁減薄，使得其抗風(fēng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)越來越重要。在立式圓筒形焊接油罐設(shè)計(jì)中，油罐罐壁除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)具有足夠的抗風(fēng)能力，油罐中間抗風(fēng)圈的合理確定，對(duì)防止油罐罐壁失穩(wěn)，保證油罐安全生產(chǎn)具有重要意義。對(duì)于大型油罐來說，為保證油罐頂部抗風(fēng)圈以下的罐壁局部有足夠的抗風(fēng)能力，通常需要在罐壁適當(dāng)?shù)奈恢蒙显O(shè)置一道或數(shù)道中間抗風(fēng)圈。中間抗風(fēng)圈的功能是在罐壁上形成節(jié)線圈，以提高油罐的抗風(fēng)能力。

對(duì)于中間抗風(fēng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算，各國標(biāo)準(zhǔn)中都有詳細(xì)的計(jì)算方法。我國標(biāo)準(zhǔn)GB 50341-2005《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中也對(duì)中間抗風(fēng)圈的計(jì)算做了描述，但在該標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于中間抗風(fēng)圈的最小截面尺寸，只是根據(jù)不同的油罐內(nèi)徑給出了相應(yīng)的截面尺寸；而國外標(biāo)準(zhǔn)卻是給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算公式來規(guī)定中間抗風(fēng)圈的最小截面模數(shù)。

本文通過對(duì)實(shí)例計(jì)算，說明采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出的中間抗風(fēng)圈的最小截面尺寸存在一定的偏差。

1 中國標(biāo)準(zhǔn)

1.1 如何設(shè)置中間抗風(fēng)圈

當(dāng)兩中間抗風(fēng)圈之間 （或中間抗風(fēng)圈與頂部抗風(fēng)圈之間）的罐壁許用臨界壓力大于設(shè)計(jì)外壓時(shí)，就可以認(rèn)為罐壁具備了足夠的抗風(fēng)能力；反之，則需要設(shè)置中間抗風(fēng)圈。核算區(qū)間的罐壁筒體許用臨界壓力的計(jì)算方法詳見文獻(xiàn) [1]。核算區(qū)間的含義是，對(duì)于設(shè)有固定頂?shù)挠凸?，?yīng)將罐壁全高作為風(fēng)力穩(wěn)定性核算區(qū)間；對(duì)于敞口油罐，應(yīng)將頂部抗風(fēng)圈以下的罐壁作為核算區(qū)間。而罐壁筒體的設(shè)計(jì)外壓應(yīng)根據(jù)不同罐型采用不同的計(jì)算公式，關(guān)于如何確定中間抗風(fēng)圈的數(shù)量，在文獻(xiàn) [1]中有詳盡的說明。

1.2 中間抗風(fēng)圈的最小截面尺寸

上述內(nèi)容在文獻(xiàn) [1]中有詳細(xì)的計(jì)算方法和公式，但是關(guān)于中間抗風(fēng)圈所需的最小截面尺寸在我國標(biāo)準(zhǔn)中卻無詳細(xì)的計(jì)算方法，只是如表1所示根據(jù)不同的油罐內(nèi)徑給出了相應(yīng)的截面尺寸。

表1 中間抗風(fēng)圈最小截面尺寸

2 美國標(biāo)準(zhǔn)

2.1 如何設(shè)置中間抗風(fēng)圈

在API 650-2010[2]中規(guī)定：如果當(dāng)量壁板高度大于未加強(qiáng)罐壁的最大高度，則需設(shè)置中間抗風(fēng)圈。用當(dāng)量高度與最大高度的比值來判斷中間抗風(fēng)圈的數(shù)量。具體計(jì)算方法在文獻(xiàn) [2]中有詳細(xì)介紹。

2.2 中間抗風(fēng)圈的最小截面尺寸

中間抗風(fēng)圈要求的最小截面模數(shù)，按下式確定（以190km/h的風(fēng)速、離地面10m為基礎(chǔ)）：

式中Z——所需最小截面模數(shù)/cm3；

D——罐的公稱直徑/m；

H1——中間抗風(fēng)圈與罐壁包邊角鋼，或與敞口油罐頂部抗風(fēng)圈的垂直距離/m；

V——設(shè)計(jì)風(fēng)速/（km/h），指50年一遇離地面10 m高處的最大風(fēng)速。

3 日本標(biāo)準(zhǔn)

在日本標(biāo)準(zhǔn)JIS B 8501-1995[3]中，也有關(guān)于中間抗風(fēng)圈的介紹與計(jì)算。為了避免因風(fēng)壓作用而使壁板發(fā)生局部屈曲，需設(shè)置中間抗風(fēng)圈，使用中間抗風(fēng)圈也可避免為抗風(fēng)壓而需增加壁板的厚度。

3.1 如何設(shè)置中間抗風(fēng)圈

JIS B 8501-1995標(biāo)準(zhǔn)也是通過當(dāng)量高度來核算是否需要設(shè)置中間抗風(fēng)圈及數(shù)量的。具體內(nèi)容詳見文獻(xiàn) [3]。

3.2 中間抗風(fēng)圈的最小截面尺寸

中間抗風(fēng)圈要求的最小截面模數(shù)按下式確定：

式中H2——中間抗風(fēng)圈與油罐頂部抗風(fēng)圈，或與中間抗風(fēng)圈間的垂直距離/m；

h——在求風(fēng)壓時(shí)油罐的計(jì)算位置離地面的高度/m；

Zw——在風(fēng)壓計(jì)算時(shí)地域的修正系數(shù)，此系數(shù)只能查到日本國的不同地域的修正系數(shù)值。

4 不同國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于中間抗風(fēng)圈最小截面模數(shù)的分析

通過1、2、3節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)不同國家標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法中，美國標(biāo)準(zhǔn)和日本標(biāo)準(zhǔn)都給出了具體的計(jì)算公式，只有我國的標(biāo)準(zhǔn)沒有具體計(jì)算公式。在日本標(biāo)準(zhǔn)中，中間抗風(fēng)圈的最小截面模數(shù)的計(jì)算公式，因缺少地域參數(shù)，在我國不便采用?？梢园l(fā)現(xiàn)日本標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式，與美國標(biāo)準(zhǔn)API 650-2010的公式在形式上是相似的。

隨著油罐的大型化和高強(qiáng)度鋼的采用，以及使用變點(diǎn)法計(jì)算壁板厚度，都將大大減薄壁板的厚度，因此合理地設(shè)計(jì)抗風(fēng)結(jié)構(gòu)，尤其是在風(fēng)壓值較高的地區(qū)，對(duì)于油罐的安全運(yùn)行是十分重要的。

4.1 實(shí)例

本文將通過對(duì)實(shí)例的計(jì)算分析，說明此問題。

實(shí)例分析：某臺(tái)10萬m3鋼制浮頂油罐，油罐內(nèi)徑為80 m，罐壁高度為21.8 m，罐壁圈數(shù)為9圈，除上面兩圈壁板高度為2 380 mm外，其余各圈壁板高度均為2 420 mm，自下而上各圈壁板厚度分別是：32、 27、 21.5、 18.5、 15、 12、 12、 12、12 mm，下面6圈壁板材質(zhì)為08MnNiVR，第7圈為Q345R，上面2圈為Q235C，罐壁腐蝕裕量為1mm，鋼板負(fù)偏差為0，基本風(fēng)壓為w0=0.55kPa，風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.3。

頂部抗風(fēng)圈已通過計(jì)算確定為兩圈，第一圈距離罐壁頂部 （包邊角鋼）1 m，第二圈與第一圈的距離為1.7 m。

4.2 如何設(shè)置中間抗風(fēng)圈

4.2.1 核算區(qū)間的罐壁筒體許用臨界壓力

根據(jù)GB 50341-2005《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于敞口油罐，應(yīng)將頂部抗風(fēng)圈以下的罐壁作為核算區(qū)間。計(jì)算出各圈壁板的當(dāng)量高度，見表2。

表2 各圈壁板的當(dāng)量高度

4.2.2 罐壁筒體的設(shè)計(jì)外壓

對(duì)于敞口的浮頂油罐，其罐壁筒體的設(shè)計(jì)外壓按下式計(jì)算：P0=3.375 wk=2.415（kPa），其中wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

4.2.3 中間抗風(fēng)圈設(shè)置及數(shù)量

由于Pcr＜P0，因此需要設(shè)置中間抗風(fēng)圈。

中間抗風(fēng)圈的數(shù)量 n=INT（P0/Pcr）=INT（2.628）=2，故需設(shè)2道中間抗風(fēng)圈。

4.3 中間抗風(fēng)圈最小截面尺寸的選取

設(shè)有中間抗風(fēng)圈的罐壁，沿高度方向被分成（n+1）段，每一段罐壁的當(dāng)量高度Le應(yīng)按下式計(jì)算：Le=HE/（n+1） =3.352 （m）。 經(jīng)過核算， 2 道中間抗風(fēng)圈均位于最薄的罐壁板上，中間抗風(fēng)圈離上面一個(gè)加強(qiáng)截面的實(shí)際距離等于上式計(jì)算值。

（1）根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)GB 50341-2005 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》確定中間抗風(fēng)圈最小截面尺寸。

根據(jù)油罐內(nèi)徑為80 m，查GB 50341-2005中表6.5.6即本文中的表1，可知中間抗風(fēng)圈最小截面尺寸是角鋼200 mm×150 mm×12 mm。也可用同等組合慣性矩的型鋼或組合件代替。

（2）根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)API 650-2010確定中間抗風(fēng)圈最小截面尺寸。

在圖1中，δ是壁板的有效厚度，t是中間抗風(fēng)圈的有效厚度。如果考慮中間抗風(fēng)圈規(guī)格厚度為12 mm，且令a=12 mm，要滿足406.1 cm3的截面模數(shù)，通過計(jì)算得到在中間抗風(fēng)圈截面中至少保證L=260 mm，b=200 mm。但是，如果不考慮中間抗風(fēng)圈的腐蝕，只考慮鋼板負(fù)偏差的話，則L=250 mm，b=200 mm。顯然上述計(jì)算得到的截面尺寸與GB 50341-2005中的數(shù)據(jù)還是有較大差距的。

特別是在風(fēng)壓較高的地區(qū)，如果上述實(shí)例中建罐當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)壓為0.62 kPa，則中間抗風(fēng)圈的截面至少應(yīng)等于角鋼300 mm×200 mm×12 mm的截面，與GB 50341-2005中角鋼200 mm×150 mm×12 mm的規(guī)格相差較大，一道中間抗風(fēng)圈用鋼量就相差約3.6 t，按GB 50341-2005選取中間抗風(fēng)圈的截面模數(shù)不能滿足需要，罐壁的許用臨界壓力小于設(shè)計(jì)外壓，罐壁不具備足夠的抗風(fēng)能力，不能滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求。因此如果只采用GB 50341-2005對(duì)中間抗風(fēng)圈的截面進(jìn)行設(shè)計(jì)，罐壁抗風(fēng)能力便可能存在著一定的危險(xiǎn)性。

（3）根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)JIS B 8501-1995《鋼製石油貯槽の構(gòu)造 （全溶接製）》確定的中間抗風(fēng)圈最小截面尺寸應(yīng)與美國標(biāo)準(zhǔn)API 650-2010基本相同，在此不多做闡述。

5 結(jié)論

目前我國大型油罐的設(shè)計(jì)和建造已有很多，國內(nèi)設(shè)計(jì)部門對(duì)抗風(fēng)圈計(jì)算多數(shù)采用GB 50341-2005[1]或 SH 3046-1992[4]。 （SH 3046-1992關(guān)于中間抗風(fēng)圈截面尺寸的選取方法與GB 50341-2005是完全相同的，只是在計(jì)算當(dāng)量高度時(shí)壁板的厚度取鋼板的規(guī)格厚度，而在GB 50341-2005中此厚度規(guī)定為壁板的有效厚度，此方面筆者認(rèn)為GB 50341-2005更為合理。） 通過以上的理論、實(shí)例分析比較，結(jié)合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，筆者認(rèn)為在選取中間抗風(fēng)圈的截面尺寸時(shí)，尤其對(duì)于大型油罐，以及風(fēng)壓較高的地區(qū)，不僅應(yīng)滿足GB 50341-2005的要求，還應(yīng)運(yùn)用API 650-2010[2]進(jìn)行核算，以保證罐壁有足夠的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

[1]GB 50341-2005，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]API 650-2010,Welded Tanks for Oil Storage[S].

[3]JIS B 8501-1995,鋼製石油貯槽の構(gòu)造（全溶接製）[S].

[4]SH 3046-1992,石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Design Calculation Methods about Intermediate Stiffening Rings of Large Storage Tanks

JIN Yong-xin（China Petroleum Engineering&Construction Corp.Dalian Branch,Dalian 116011,China）,SUN Si-hai

Through the analysis on intermediate stiffening ring design calculation methods from domestic and international standards,especially using theoretical analysis and engineering examples to make comparisons about how to select cross-section size,this article illustrates that the intermediate stiffening ring crosssection size obtained from GB 50341 “Code for Design of Vertical Cylindrical Welded Steel Oil Tanks” is often less than that from API 650 “Welded Tanks for Oil Storage”,and there is a certain risk in the wind resistance stability of the tank shell.API 650 is recommended to validate the design and calculation of intermediate stiffening rings.

large oil tank;intermediate stiffening ring;minimum section size;wind resistance;stability

TE972.1

B

1001－2206（2011）06－0020－03

靳永欣 （1978-），女，遼寧大連人，工程師，2004年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)從事石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

2011-02-24