儲(chǔ)油罐拱頂?shù)膽?yīng)力分析與壁厚設(shè)計(jì)

何乾偉 付和銀（西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

李雨峰（西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500）

近年來，由于工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界各國對(duì)石油的需求量快速增加，儲(chǔ)油罐的數(shù)量也逐漸增加，拱頂罐由于具有制造簡(jiǎn)單、建設(shè)成本低并且具有一定的承壓能力等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)中常被用到。拱頂罐在石油行業(yè)由于國家儲(chǔ)備、中轉(zhuǎn)需要等因素而被廣泛使用，但石油屬于易燃易爆產(chǎn)品，因此，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)儲(chǔ)油罐的安全運(yùn)行和管理具有重要意義。

1 儲(chǔ)油罐拱頂?shù)膹?qiáng)度設(shè)計(jì)

本文所涉及的儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)如圖1。儲(chǔ)油罐頂蓋為球殼，拱頂球殼和罐壁的連接部分為環(huán)殼，罐壁為圓筒形狀，環(huán)殼與罐壁、環(huán)殼與拱頂球殼平滑連接。圖1為儲(chǔ)油罐的簡(jiǎn)化模型。

圖1 儲(chǔ)油罐的簡(jiǎn)化模型

r：環(huán)殼第一曲率半徑 R：拱頂球殼半徑 D：罐壁直徑

1.1 為了簡(jiǎn)化模型，對(duì)拱頂進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)做出如下假設(shè)：

1.1.1 不考慮施工和儲(chǔ)油罐的制造問題，假設(shè)儲(chǔ)油罐為一均勻的整體

1.1.2 不考慮拱頂球殼和環(huán)殼的自重，只是在儲(chǔ)油罐內(nèi)壓大于外壓的條件下對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)

1.1.3 環(huán)殼與罐壁、環(huán)殼與拱頂球殼連接絕對(duì)平滑

1.2 設(shè)計(jì)思路：

1.2.1 根據(jù)儲(chǔ)油罐的直徑，通過等強(qiáng)度原則設(shè)計(jì)拱頂球殼半徑

1.2.2 通過分析拱頂球殼和環(huán)殼的應(yīng)力，找出整個(gè)罐頂最大應(yīng)力值，根據(jù)最大應(yīng)力確定整個(gè)罐頂?shù)谋诤?/p>

1.3 設(shè)計(jì)步驟：

1.3.1 當(dāng)整個(gè)儲(chǔ)油罐內(nèi)壓力均為P時(shí)，拱頂球殼上任意一點(diǎn)在與球殼相切的任意方向上，應(yīng)

力值均為σ=PR/(2δ)。對(duì)罐壁而言，最大應(yīng)力出現(xiàn)在罐壁環(huán)向，其值為

σ=PD/(2δ)。根據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，R=D時(shí)，即是儲(chǔ)油罐的拱頂球殼半徑與罐壁

的直徑相同時(shí)，相同壁厚的拱頂球殼和罐壁最大應(yīng)力值相同，在工程設(shè)計(jì)中一般取

R=（0.8-1.2）D，在本文以下的分析中，均采取R=D做計(jì)算。

1.3.2 對(duì)于拱頂球殼，其最大應(yīng)力值為σ=PD/(2δ)

1.3.3 環(huán)殼應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，其應(yīng)力計(jì)算步驟如下：

1.3.3.2 第一曲率半徑：

第二曲率半徑：

1.3.3.3 經(jīng)向應(yīng)力求解

在計(jì)算點(diǎn)處（α角與環(huán)殼的交點(diǎn)），y方向上內(nèi)壓對(duì)拱頂球殼和環(huán)殼的力之和等于計(jì)算點(diǎn)下方環(huán)殼對(duì)上方環(huán)殼的拉力：

1.3.3.4 根據(jù)體素平衡方程計(jì)算環(huán)殼環(huán)向應(yīng)力：

4通過（1）-（4）逐步化簡(jiǎn)得到環(huán)殼的經(jīng)向應(yīng)力值和環(huán)向應(yīng)力環(huán)：

由上式可知，在相同的α角的條件下，環(huán)殼的經(jīng)向應(yīng)力大于環(huán)殼環(huán)向應(yīng)力，所以環(huán)殼的設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)選經(jīng)向應(yīng)力。經(jīng)向應(yīng)力隨著α角的變化而變化，當(dāng)si（nα）最小時(shí)經(jīng)向應(yīng)力達(dá)到最大值。

所以 (σφ)max=PD/2δ

由此可見，環(huán)殼的最大應(yīng)力值和灌頂?shù)淖畲髴?yīng)力值相同

所以其設(shè)計(jì)壁厚:

δ：罐頂壁厚 α：計(jì)算點(diǎn)處環(huán)殼半徑與豎直方向夾角。[ρ]許用應(yīng)力η：焊縫系數(shù) C1：腐蝕裕量

1.4 實(shí)例計(jì)算：

已知：儲(chǔ)油罐直徑為20m，內(nèi)壓為0.5MPa，罐頂材料許用應(yīng)力值為400MPa，罐頂?shù)暮缚p系數(shù)為0.85，腐蝕裕量為0.5mm。

由計(jì)算得δ=15.2mm

2 結(jié)語

儲(chǔ)油罐的拱頂球殼設(shè)計(jì)應(yīng)力分析較為容易，而環(huán)殼的設(shè)計(jì)應(yīng)力分析較為復(fù)雜，但是計(jì)算結(jié)果表明，儲(chǔ)油罐在滿足文中所述的條件時(shí)，無論環(huán)殼的第一曲率半徑如何，其應(yīng)力值總是小于拱頂球殼的應(yīng)力值，并且只有在環(huán)殼和拱頂球殼的接觸處，環(huán)殼應(yīng)力值才達(dá)到最大，并且與拱頂球殼的應(yīng)力值相同，這樣會(huì)避免因應(yīng)力突變而產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其缺點(diǎn)在于環(huán)殼和罐壁的接觸處因應(yīng)力值的不同而存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在進(jìn)行這類儲(chǔ)油罐的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。

[1]王輝.10×10^4m3大型浮頂油罐的設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)計(jì),2012,29(2):9-12.

[2]帥健,于桂杰.罐道及儲(chǔ)油罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006:174-237.