無T形接頭及大角焊縫的鋼制焊接超大型油罐

倪永良 崔 琴 王海范

(江蘇省化工設(shè)備制造安裝有限公司)

無T形接頭及大角焊縫的鋼制焊接超大型油罐

倪永良*崔 琴 王海范

(江蘇省化工設(shè)備制造安裝有限公司)

設(shè)計了一種無T形接頭及大角焊縫的鋼制焊接超大型油罐，在罐壁與罐底環(huán)形邊緣板之間增加了過渡連接圈，使圓筒形罐壁通過弧形過渡段圓滑過渡到平面形罐底，這種結(jié)構(gòu)可以明顯降低罐壁與罐底連接部位的邊緣應(yīng)力，排除了整個油罐的主要危險點(diǎn)，可使超大型油罐能夠安全運(yùn)行。

超大型油罐 T形接頭 大角焊縫 低周疲勞 提離運(yùn)動 象足屈曲 抗震性能

隨著國民經(jīng)濟(jì)對石油需求量的不斷增加，以及國家石油儲備體系的建立，原油的儲存量不斷增加，建造的油罐容量也不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)在我國新建的儲備原油的油罐，單臺容量都在10×104m3以上，有的已經(jīng)達(dá)到15×104m3，國外最大的單臺容量已經(jīng)超過20×104m3。因此，單臺容量20×104m3的超大型油罐將成為我國今后原油儲罐建設(shè)的重點(diǎn)[1]?，F(xiàn)行的油罐設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要有：我國的GB 50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》[2]、美國的API 650-2013《焊接石油儲罐》[3]、日本的JIS B 8501-2013 《焊接的鋼制石油儲罐》[4]、英國的BS 2654-1997《石油工業(yè)立式鋼制焊接油罐》[5]，其中采用最廣泛的是美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API 650-2013。

到目前為止，國內(nèi)外的油罐均為鋼制焊接立式圓筒形結(jié)構(gòu)，罐體由罐底、罐壁和罐頂組成，其中罐頂有固定頂和外浮頂兩種，大型和超大型的油罐采用外浮頂；容積在10×104m3以上的超大型油罐，因?yàn)橄赖囊螅壳肮薇诘母叨纫话銥?2m左右；罐底由中幅板與環(huán)形邊緣板組成，罐壁底部與環(huán)形邊緣板之間的T形接頭采用角焊縫連接，該角焊縫又稱大角焊縫。有關(guān)專家對油罐上T形接頭區(qū)域及大角焊縫部位所作的應(yīng)力分析以及對該區(qū)域安全性狀況進(jìn)行了評價，認(rèn)為T形接頭區(qū)域是整個油罐的主要危險點(diǎn)，給油罐的安全運(yùn)行帶來很大的危害。針對上述危害的情況，筆者設(shè)計了一種無T形接頭及大角焊縫的鋼制焊接超大型油罐。

1 現(xiàn)行油罐上T形接頭區(qū)域的載荷及大角焊縫部位的應(yīng)力狀況

1.1T形接頭區(qū)域承受的載荷

油罐內(nèi)充滿油品后，罐壁在油品液柱靜壓力的作用下產(chǎn)生周向拉應(yīng)力，罐壁發(fā)生徑向位移。但是在罐壁底部與罐底的T形接頭處，由于罐底的約束，罐壁的徑向位移受到限制，根據(jù)彈性力學(xué)理論[6]，在罐壁底部將產(chǎn)生局部性的彎矩和橫向剪力。由內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析可知，在罐壁與罐底的T形接頭處，由于罐壁與罐底各自的自由變形相互約束(變形不協(xié)調(diào))而產(chǎn)生附加彎矩引起的附加應(yīng)力(邊緣應(yīng)力)，邊緣應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，其中既有二次薄膜應(yīng)力，又有二次彎曲應(yīng)力[7]。

因?yàn)楣薇谂c罐底的T形接頭處在形狀上由圓筒形罐壁突變到平面形罐底，屬于幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)。T形接頭處的總應(yīng)力是由油品的液柱靜壓力引起的一次薄膜應(yīng)力與附加彎曲二次應(yīng)力的總和，所以，在T形接頭處由于邊緣效應(yīng)引起應(yīng)力集中[8]。

1.2大角焊縫部位的應(yīng)力狀況

由于T形接頭的大角焊縫焊接后，焊縫內(nèi)部存在著很大的焊接殘余應(yīng)力[9]，所以在罐壁與罐底的T形接頭處由附加彎矩引起的邊緣應(yīng)力，加上焊接殘余應(yīng)力，在焊縫部位將出現(xiàn)很大的峰值應(yīng)力[10,11]。

雖然由變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的附加彎矩引起的邊緣應(yīng)力具有自限性，根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則，具有自限性的應(yīng)力使容器直接發(fā)生破壞的危險性一般較小，但是邊緣應(yīng)力的自限性是由于不連續(xù)部位的局部范圍材料發(fā)生屈服產(chǎn)生塑性變形而引起的結(jié)果，對于受疲勞載荷作用的容器，如不控制邊緣應(yīng)力，在邊緣高應(yīng)力區(qū)有可能導(dǎo)致脆性破壞或疲勞[8]。

根據(jù)油罐設(shè)計規(guī)范，對T形接頭處罐壁內(nèi)外兩側(cè)的角焊縫尺寸有一定要求，大角焊縫不需要采用全焊透結(jié)構(gòu)，內(nèi)外角焊縫之間存在一定尺寸的不焊接區(qū)域，所以整個大角焊縫屬于未焊透結(jié)構(gòu)(見GB 50341-2014第5.2.10條要求和該標(biāo)準(zhǔn)后面所附的“條文說明”中關(guān)于第5.2.10條的解釋)。另外，大角焊縫在焊接過程中，焊縫內(nèi)不可避免地存在著一些允許的焊接缺陷。由于大角焊縫內(nèi)存在未焊透，在未焊透處存在應(yīng)力不連續(xù)，應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)多次峰值[11]。所以油罐在進(jìn)出油的操作過程中，隨著油罐內(nèi)液位高度的變化，罐壁與罐底的T形接頭部位的應(yīng)力也隨之變化，大角焊縫內(nèi)的應(yīng)力峰值也不斷變化。未焊透和焊接缺陷處的焊縫隨著應(yīng)力峰值的不斷變化容易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展造成低周循環(huán)疲勞破壞[1]，使得該部位成為整個油罐的危險點(diǎn)，國內(nèi)外很多油罐事故都發(fā)生在這一部位[10,12]。

針對罐壁與罐底的T形接頭部位存在的危險性，各國的油罐設(shè)計規(guī)范(GB 50341-2014、API 650-2013、JIS B8501-2013)對該部位大角焊縫的結(jié)構(gòu)和尺寸均提出了明確的要求，因?yàn)樵摻呛缚p的焊腳尺寸過小則焊縫強(qiáng)度不夠，尺寸過大則造成接頭的剛性過大，接頭處所受的應(yīng)力也會增大(見GB 50341-2014所附“條文說明”中關(guān)于第5.2.10條的解釋)。

1.3大角焊縫對超大型油罐安全性的影響

當(dāng)油罐的直徑不大時，罐壁的鋼板厚度不太厚，罐壁與罐底的T形接頭部位的應(yīng)力集中程度并不嚴(yán)重，所以不會對油罐的安全性帶來大的影響。

而對于單臺容積在10×104m3以上的超大型油罐，罐壁的鋼板厚度比較厚，T形接頭的大角焊縫焊接時，焊縫內(nèi)容易產(chǎn)生缺陷，而且隨著鋼板厚度的加大，角焊縫的焊腳尺寸也要相應(yīng)加大，焊縫內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力也隨之增大，T形接頭部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象將非常明顯，該部位潛在的危險性也隨之增大。

例如，單臺容量為15×104m3的超大型油罐，罐壁直徑達(dá)到φ100m。為了降低罐壁的鋼板厚度，目前超大型油罐的罐壁材料普遍采用抗拉強(qiáng)度級別為610MPa(屈服強(qiáng)度為490MPa)的高強(qiáng)度鋼板[13]，鋼板的常溫許用應(yīng)力達(dá)到294MPa。對于超大型油罐，在正常操作情況下，T形接頭處的峰值應(yīng)力就超過了材料的屈服強(qiáng)度，有的甚至達(dá)到或超過了材料的抗拉強(qiáng)度值[1,10,11,14,15]。

另外，現(xiàn)有的大型油罐采用的平板型罐底，罐壁與罐底之間采用T型接頭連接，這樣罐壁下部處于幾何不連續(xù)狀態(tài)，因而其應(yīng)力也處于不連續(xù)狀態(tài)，這對抗地震載荷來說是很不利的。所以，每次發(fā)生較大級別的地震以后，震區(qū)均有不少大型油罐遭受破壞性震害。由此可見，現(xiàn)有的大型油罐在地震中產(chǎn)生的震害之大是有其自身原因的，而決非偶然現(xiàn)象[16,17]。

充滿油品的大型油罐一旦發(fā)生破壞，大量的油品瞬間沖到油罐外，防火堤有被沖垮的危險，甚至引發(fā)大范圍的火災(zāi)爆炸事故，并且造成難于彌補(bǔ)的災(zāi)難性環(huán)境破壞[18]。

由以上所述可知，現(xiàn)有的超大型油罐，由于油罐罐壁與罐底的T形接頭區(qū)域存在著很大的附加彎矩引起的邊緣應(yīng)力，并且大角焊縫部位存在著很大的峰值應(yīng)力，因而使得T形接頭部位成為整個油罐的危險點(diǎn)，給油罐的安全運(yùn)行帶來很大的危害：油罐在進(jìn)出油的操作過程中，隨著油罐內(nèi)液位高度的變化，T形接頭部位的應(yīng)力也隨之變化，因而該部位很容易發(fā)生低周疲勞破壞[10,12,19]；當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，或者遇到地震使油罐罐底作提離運(yùn)動時[16,20,21](在GB 50341-2014D.5“抗震驗(yàn)算”中，用術(shù)語“翹離”代替了“提離”)，現(xiàn)有的油罐T形接頭的大角焊縫在局部范圍受到垂直方向上拉力的作用，容易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展而發(fā)生撕裂破壞[12,17,18]；現(xiàn)有的油罐遇到地震帶來的動載荷沖擊時，使罐壁下部產(chǎn)生象足屈曲[20,22]，油罐T形接頭部位將產(chǎn)生很大的附加彎矩，由該附加彎矩引起的邊緣應(yīng)力與原有的應(yīng)力疊加，將大大超過該部位能夠承受的最大應(yīng)力，而使該部位容易發(fā)生沖擊破壞, 因而現(xiàn)有的大型或超大型油罐的抗震性能較差[16,23,24]。

2 新結(jié)構(gòu)超大型油罐

為了保障超大型油罐運(yùn)行過程中的安全可靠性，消除由于T形接頭及大角焊縫的存在對超大型油罐安全運(yùn)行帶來潛在的危害，排除整個油罐的主要危險點(diǎn)，筆者設(shè)計了一種新結(jié)構(gòu)(圖1)的超大型油罐。新結(jié)構(gòu)的超大型油罐在罐壁與罐底之間采用過渡連接圈連接，取消了現(xiàn)有油罐的罐體上罐壁與罐底之間的T形接頭及大角焊縫。

圖1 新結(jié)構(gòu)超大型油罐的罐體結(jié)構(gòu)示意圖

為了使過渡連接圈具有一定的彈性，應(yīng)當(dāng)取較小的厚度，但厚度過小會降低罐壁的穩(wěn)定性，所以不能太小。過渡連接圈的厚度可以取與罐底環(huán)形邊緣板相同的厚度，材料與罐壁底圈相同。過渡連接圈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

過渡連接圈的加工方法為：將一定寬度的鋼板沿寬度方向預(yù)彎成圖2所示的斷面形狀，鋼板的寬度即為圖2中斷面的展開尺寸，并且沿鋼板的長度方向按罐壁的直徑大小彎制成圓弧形，根據(jù)所用鋼板的長度和罐壁的周長，確定需要預(yù)彎成形的預(yù)彎件的數(shù)量，然后將這些預(yù)彎件拼接成整圈。

圖2 過渡連接圈的結(jié)構(gòu)

超大型油罐的罐底環(huán)形邊緣板厚度為20～24mm，過渡連接圈鋼板的厚度與罐底環(huán)形邊緣板等厚，弧形過渡段的彎曲半徑取150～200mm，底部環(huán)形段的寬度應(yīng)不小于150mm，在預(yù)彎成形后成形質(zhì)量得到保證的前提下，該寬度應(yīng)盡量大。立式圓筒段的直段高度應(yīng)大于500mm，具體高度根據(jù)所用鋼板的寬度確定。

對于超大型油罐，罐壁的厚度是按照罐內(nèi)裝滿油品時的液柱靜壓力計算確定的，而罐底環(huán)形邊緣板的壁厚小于罐壁底圈的厚度，按照GB 50341-2014第5.1.2條，環(huán)形邊緣板的厚度只有罐壁底圈厚度的一半左右。罐壁與罐底之間采用過渡連接圈連接以后，過渡連接圈上部的立式圓筒段成了罐壁的一部分，如果過渡連接圈的厚度小于罐壁底圈的厚度，則過渡連接圈上部的立式圓筒段不能滿足強(qiáng)度要求，所以需要對立式圓筒段進(jìn)行加強(qiáng)。立式圓筒段的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 3種立式圓筒段的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖3a所示的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，過渡連接圈的立式圓筒段與罐壁底圈內(nèi)表面平齊，加強(qiáng)板的上端與立式圓筒段的上端平齊并與罐壁底圈對接連接。這種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，由于立式圓筒段和加強(qiáng)板與罐壁底圈的對接焊縫在同一位置，從焊縫的受力情況來說不是很好，但這種結(jié)構(gòu)施工方便。

圖3b所示的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，過渡連接圈的立式圓筒段與罐壁底圈外表面平齊，罐壁與立式圓筒段的連接處作削薄處理，加強(qiáng)板貼在外側(cè)，上端超過立式圓筒段與罐壁的連接環(huán)焊縫。這種結(jié)構(gòu)環(huán)焊縫的受力情況比較好，但罐壁下端要作削薄處理，增加了施工的工作量。

圖3c所示的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，是圖3a所示的結(jié)構(gòu)的改進(jìn)版，這種結(jié)構(gòu)環(huán)焊縫的受力情況更好，但這種結(jié)構(gòu)增加了罐壁底圈下端加工的難度。

在超大型油罐的罐壁與罐底之間增加了過渡連接圈以后，使原來的圓筒形罐壁通過T形接頭突變到平面形罐底的幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)，改為圓筒形罐壁通過弧形過渡段逐漸過渡到平面形罐底的曲線圓滑過渡結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)取消了油罐罐壁與罐底的T形接頭以及該接頭部位的大角焊縫，可明顯降低油罐罐壁與罐底過渡部位的附加彎矩引起的邊緣應(yīng)力，消除了原來由于焊接大角焊縫而存在的很大的焊接殘余應(yīng)力。新結(jié)構(gòu)過渡連接圈與罐壁和罐底環(huán)形邊緣板之間均采用對接接頭連接，焊縫質(zhì)量容易保證，可使超大型油罐罐壁與罐底過渡部位的受力情況從根本上得到改善，排除了整個油罐的主要危險點(diǎn)，使超大型油罐的安全運(yùn)行有了保障：

a. 提高了超大型油罐罐壁與罐底過渡部位的抗疲勞能力，不容易發(fā)生低周疲勞破壞；

b. 當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降或遇到地震使油罐罐底作提離運(yùn)動時，過渡部位可以通過局部彈性變形以適應(yīng)基礎(chǔ)的沉降或者罐體的運(yùn)動，而且過渡連接圈與罐底邊緣板及罐壁之間的對接焊縫受力情況好、承載能力大，所以這種結(jié)構(gòu)的超大型油罐罐壁與罐底的過渡部位的連接焊縫不容易發(fā)生撕裂破壞；

c. 這種結(jié)構(gòu)的超大型油罐遇到地震帶來的動載荷沖擊時，因?yàn)檫^渡連接圈的弧形過渡段是彈性結(jié)構(gòu)，在沖擊載荷的作用下將產(chǎn)生彈性變形，可以降低過渡部位的附加彎矩，減輕罐壁下部象足屈曲的程度，防止該部位發(fā)生沖擊破壞，從而可以提高油罐的抗震性能。

3 結(jié)束語

筆者總結(jié)了近年來國內(nèi)有關(guān)方面的專家對大型和超大型油罐的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及安全性方面研究的成果，設(shè)計了一種無T形接頭及大角焊縫的鋼制焊接超大型油罐，在罐壁與罐底環(huán)形邊緣板之間增加過渡連接圈，使圓筒形罐壁通過弧形過渡段圓滑過渡到平面形罐底，這種結(jié)構(gòu)可以明顯降低罐壁與罐底連接部位的邊緣應(yīng)力，同時能消除原來大角焊縫內(nèi)存在的很大的焊接殘余應(yīng)力，排除了整個油罐的主要危險點(diǎn)，使超大型油罐的安全運(yùn)行有了保障。新結(jié)構(gòu)的超大型油罐現(xiàn)在還在理論探索階段，謹(jǐn)請各方面專家對其合理性、適用性進(jìn)行分析和論證，以期盡早投入實(shí)際工程應(yīng)用。

[1] 劉發(fā)安，宋嘉寧，白光野，等. 20×104m3特大型浮頂原油儲罐應(yīng)力分析與安全評定[J]. 油氣儲運(yùn)，2013，32(2)：199～202.

[2] GB 50341-2014，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[3] API 650-2013，Welded Tanks for Oil Storage[S]. USA: American Petrolenm Institute,2013.

[4] JIS B 8501-2013，焊接的鋼制石油儲罐[S].Japan: Japanese Industrial Standards ,2013.

[5] BS 2654-1997，石油工業(yè)立式鋼制焊接油罐[S].British: British Standard Aerospace Series,1997.

[6] 徐芝綸. 彈性力學(xué)(下冊)[M].北京：高等教育出版社，2006：190.

[7] 刁玉瑋，王立業(yè)，喻健良. 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2006：82～85.

[8] 余國琮. 化工容器及設(shè)備[M].天津：天津大學(xué)出版社，2003：116～123.

[9] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊第3卷“焊接結(jié)構(gòu)”[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：107～108.

[10] 陳志平. 大型油罐大角焊縫處峰值應(yīng)力分析[J]. 壓力容器，2005，22(5)：12～15.

[11] 張雪銘. 超大型原油儲罐大角焊縫處應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 化工設(shè)計，2014，24(2)：26～29.

[12] 吳云龍，王小珊，武銅柱. 12.5萬m3外浮頂原油儲罐主要結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 石油化工設(shè)備，2003，32(3)：35～36.

[13] 武銅柱. 大型立式油罐發(fā)展綜述[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，25(3)：56～59.

[14] 白生虎，陳志平，武銅柱，等. 15×104m3國產(chǎn)鋼板浮頂油罐應(yīng)力測試分析[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)，2010，31(1)：5～8.

[15] 黃衛(wèi)東. 鋼制立式儲罐常見失效模式及檢測技術(shù)[J]. 化工裝備技術(shù)，2015，36(6)：26～29.

[16] 韋樹蓮. 必須重視大型石油儲罐的抗震問題[J]. 國際地震動態(tài)，1995，(3)：17～20.

[17] 孫建剛，張榮花，張亮. 基于概率估計方法的立式儲罐地震易損性研究[J]. 世界地震工程，2009，25(1)：37～42.

[18] 劉強(qiáng)，王建華，趙澤霖，等. 大型油罐破裂泄漏特征研究[J]. 當(dāng)代化工，2015，44(3)：570～576.

[19] 魏化中，何亞瑩，游鋒，等. 大型儲罐大角焊縫裂紋的可靠性分析[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報，2014，36(2)：68～72.

[20] 張如林，程旭東，管友海. 大型儲罐抗震研究現(xiàn)狀與發(fā)展綜述[J]. 四川建筑科學(xué)研究，2015，41(1)：205～209.

[21] 李梁峰，林建華. 大型儲罐抗震能力可靠度評估[J]. 地震工程與工程振動，2004，24(4)：152～157.

[22] 陳志平，曾明，余雛麟，等. 大型油罐應(yīng)力分析與屈曲穩(wěn)定性研究[J]. 油氣儲運(yùn)，2008，27(12)：7～12，46.

[23] 潘家華. 中國的能源問題和國家石油儲備[J]. 油氣儲運(yùn)，2004，23(12)：1～3.

[24] 鐘江榮，趙振東，于世舟. 故障樹分析方法評估儲油罐地震次生火災(zāi)[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報，2013，22(6)：191～194.

Ultra-largeSteelOilTankWeldedWithoutT-jointandBigFilletWeld

NI Yong-liang, CUI Qin, WANG Hai-fan

(JiangsuChemicalEquipmentManufacture&InstallmentCo.,Ltd.,Changzhou213002,China)

A ultra-large steel oil tank welded with T-joint and big fillet weld was designed where a transition connecting ring was added between the tank wall and the annular edge plate of the tank bottom so that the cylindrical tank wall can transit to a flat bottom from an arc transition section. This structure can significantly reduce edge stress of the joint between the tank wall and the tank bottom so as to eradicate the main danger points there and to ensure a safe operation of the ultra-large oil tanks.

ultra-large oil tank, T-joint, big fillet weld, low cycle fatigue, lift-off motion, elephant- foot buckling, anti-seismic performance

*倪永良，男，1959年1月生，高級工程師，總工程師。江蘇省常州市，213002。

TQ053.2

A

0254-6094(2016)06-0754-05

2016-07-10，

2016-10-27)

(Continued from Page 753)

AbstractA hydraulic clay refining equipment for illite soil was designed and both structure and parameters of a 50kt/a equipment were determined, including a 3m diameter of the drum cylinder, 10m in the drum length, 0.5m in the screw push plate’s height, 0.5m adjacent plate spacing and 0.3 m/s rotating speed of the cylinder; meanwhile, the main components of the equipment were illustrated and matters needing attention in the manufacturing, installation and the operation were discussed. The application results show that, the mineral soil processing speed can reach 25 to 30 t/h with 60 t/h water consumption and 42.2kW·h electricity consumption; the slurry’s solids content stays at 17 to 19 g/L and the slurry sediment is 14.7 g/L in 30min along with a≤0.125mm mesh illite particle size. The whole equipment has excellent performance, stable operation and strong continuity.

Keywordsclay refining and filter, illite,equipment design