大型拱頂?shù)蛪簝薜脑O(shè)計分析研究

馮成紅

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

大型拱頂?shù)蛪簝薜脑O(shè)計分析研究

馮成紅

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

通過一個案例，對設(shè)計壓力接近GB 50341規(guī)范上限的大型拱頂?shù)蛪簝薜脑O(shè)計進行了分析，著重對無法用標準中的公式進行計算的罐頂、承壓環(huán)、罐壁以及錨固螺栓的設(shè)計計算思路進行了分析，為類似設(shè)計壓力較高的大型低壓儲罐的設(shè)計計算提供可選的方法。

低壓儲罐；設(shè)計壓力；計算；建模

目前國內(nèi)現(xiàn)有的儲罐規(guī)范有GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》和SH/T 3167—2012《鋼制焊接低壓儲罐》，但壓力適用的范圍既有差異又有重疊。本文以設(shè)計壓力接近GB 50341規(guī)范上限的3×104m3輕石腦油低壓儲罐為例，從設(shè)計規(guī)范的選取、罐壁及罐頂、承壓環(huán)及錨栓的設(shè)計計算幾方面對低壓儲罐的整個設(shè)計計算思路做一分析。

3×104m3的輕石腦油儲罐的設(shè)計條件見表1。

表1 輕石腦油儲罐的設(shè)計條件Tab.1 Design data of light naphtha tank

1 設(shè)計規(guī)范的選取

根據(jù)輕石腦油儲罐的設(shè)計壓力，國內(nèi)適用的儲罐標準有GB 50341—2014以及SH/T 3167—2012，其適用范圍的比較見表2所示。

石腦油儲罐的設(shè)計正壓力滿足GB 50341的適用壓力范圍，設(shè)計負壓可按附錄B要求進行設(shè)計，因此主體選用GB 50341規(guī)范進行設(shè)計計算。

2 罐壁設(shè)計計算分析

在工程設(shè)計中，罐壁厚度通常由三種方法確定，即定點法、變點法以及應(yīng)力分析法。通常大型儲罐的罐壁厚度與直徑之比很小，屬于薄壁容器，所受彎曲力矩較小，故目前國內(nèi)外大多按薄膜理論計算罐壁應(yīng)力。鑒于本儲罐的直徑小于60 m，采用定點法計算，每層圈板環(huán)向應(yīng)力最大的地方不在圈板的下端，而通常在距離每圈板下端0.3 m以上處。[1]

按定點法公式確定罐壁在設(shè)計條件和試水條件下的初始厚度，取其大值。罐壁最終名義厚度還應(yīng)將設(shè)計厚度向上圓整至鋼板的規(guī)格厚度，且不小于規(guī)定的最小厚度值。

儲罐的設(shè)計負壓為1.0 kPa，同時又承受600 Pa的風荷載，因而罐壁筒體需要進行穩(wěn)定性校核，防止儲罐被風吹癟和在負壓下失穩(wěn)，判定儲罐失穩(wěn)的條件見公式（1）。

式中 Pcr——罐壁許用臨界壓力，Pa；

P0——設(shè)計外壓，Pa。

儲罐規(guī)范中臨界壓力的計算公式是由薄壁短圓筒在外壓下的臨界壓力公式推導(dǎo)而得，在公式中引入了一個當量圓筒的概念，就是把各個實際存在的不同厚度的筒節(jié)，按公式折算成內(nèi)徑不變、穩(wěn)定性相同、壁厚均為最小壁厚δmin的假想筒節(jié)，由這些假想筒節(jié)組成的假想筒體叫當量筒體。換句話說，它把一個實際的變截面罐體化成了一個假想的等直徑、等壁厚、等穩(wěn)定性而高度較低的罐體，此假想筒節(jié)的高度稱為當量高度。

加強圈的個數(shù)按公式（2）確定。

式中 n——加強圈的數(shù)量（取整數(shù)）。

通常加強圈數(shù)量不超過3個，按此原則相應(yīng)調(diào)整各圈罐壁厚度，直至滿足要求。

3 罐頂設(shè)計計算分析

球面拱頂是立式圓筒形儲罐中使用很廣的一種罐頂形式，常用容積范圍為100 ～ 500 00 m3。對低壓儲罐而言，按內(nèi)壓引起球面拱頂?shù)谋∧?yīng)力核算的厚度較小，相比較而言，由于球面拱頂是由薄鋼板組成的殼體，在外力作用下可能發(fā)生屈曲變形。因而對罐頂厚度起決定作用的是設(shè)計外壓[1]，外壓下的罐頂板厚度按公式（3）和（4）計算，取其大值。

式中 trs——罐頂板的計算厚度，mm；

Rs——罐頂球面的曲率半徑，m；

T——荷載組合，kPa。

式中 td——自支撐拱頂罐頂板的計算厚度，mm；

Rs——拱頂球面的半徑，m；

E——彈性模量，MPa。

按GB 50341—2014規(guī)定，罐頂板計算厚度不應(yīng)大于12 mm，經(jīng)計算，本儲罐在外壓下所需的罐頂板厚度為18.3 mm，超過12 mm，罐頂必須設(shè)置加強筋來承受外壓。但按規(guī)范規(guī)定帶肋球殼的油罐直徑不宜大于40 m，因為儲罐直徑超過40 m時，采用帶肋拱頂既不經(jīng)濟也很笨重。本項目中石腦油儲罐的直徑為44 m，已經(jīng)超出規(guī)范中帶肋拱頂?shù)淖畲筮m用直徑，不能按規(guī)范中的常規(guī)方法設(shè)計，考慮采用雙向子午線網(wǎng)殼，網(wǎng)殼頂具有質(zhì)量較輕，承載能力較大的優(yōu)點，廣泛適用于大跨度的建筑結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼采用PROSPA程序進行計算，在求解幾何非線性有限元增量方程時采用了“錢偉長法”。

4 承壓環(huán)設(shè)計計算分析

自支撐式拱頂承壓環(huán)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，當罐頂受內(nèi)壓作用時，抗壓環(huán)受壓；受外壓時，抗壓環(huán)受拉。對于低壓儲罐，罐頂與罐壁連接處，主要承受由內(nèi)壓引起的環(huán)向壓縮力，所以對承壓區(qū)域的結(jié)構(gòu)要求較嚴格，承壓區(qū)域的面積主要按承受的內(nèi)壓來計算確定[3]。考慮到儲罐直徑較大，在承壓環(huán)處由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向壓縮力較大，此處采用強頂連接來滿足正常工況下的強度和穩(wěn)定性要求比較可靠。強頂連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算在GB 50341—2014中未作規(guī)定，因此參照SH/T 3167—2012規(guī)范，計算所需承壓環(huán)的面積為498 73 mm2，同時在罐頂上設(shè)置3個安全附件來保障儲罐的安全。

安全附件一：罐頂設(shè)置尾氣回收孔來調(diào)節(jié)罐內(nèi)的蒸汽壓，使罐內(nèi)的蒸汽壓穩(wěn)定在13 kPa以下；

安全附件二：罐頂設(shè)置呼吸閥，開啟壓力為15 KPa；

安全附件三：在罐頂設(shè)置一個DN 500的緊急泄壓人孔蓋，設(shè)定壓力為17 kPa。[4]

承壓環(huán)的結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 罐頂與罐壁連接節(jié)點Fig.1 Connection detail between roof and shell

5 錨固的設(shè)計

經(jīng)計算，內(nèi)壓、風壓及地震彎矩所產(chǎn)生的提升力大于罐頂、罐壁及其支撐的構(gòu)件總重，從而會使罐底板邊緣部分升離地面，造成罐底破裂，因此，需要考慮設(shè)計錨固裝置，將提升力傳遞到基礎(chǔ)上[3]。錨固的設(shè)計分以下三個步驟來進行。

5.1 地腳螺栓數(shù)量與直徑的確定

根據(jù)GB 50341規(guī)范中錨固設(shè)計的相關(guān)公式，分別計算出設(shè)計壓力、試驗壓力、破壞壓力、風荷載、地震荷載、設(shè)計壓力+風荷載、設(shè)計壓力+地震作用七個工況下的舉升力，根據(jù)不同工況下錨固螺栓的許用應(yīng)力，計算出不同工況下所需的地腳螺栓直徑，取其最大值。

5.2 校核螺栓座

螺栓座的計算校核在GB 50341規(guī)范中未作規(guī)定，參照AISI E-1 第Ⅱ卷第Ⅶ部分有關(guān)螺栓座的設(shè)計章節(jié)，根據(jù)第一步中計算得到的螺栓數(shù)量及直徑，分別對筋板、蓋板以及筋板、蓋板與罐壁的焊縫進行校核。同時對不同工況下螺栓座所在位置的罐壁局部應(yīng)力進行校核。[5]

5.3 螺栓座進行有限元建模分析

為驗證新設(shè)計3×104m3石腦油低壓罐錨固螺栓及其螺栓座、壁板與邊緣底板的局部結(jié)構(gòu)的安全性，我們又運用 Ansys有限元方法對油罐上述局部結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力計算與強度評定，以確保大型油罐的安全運行。

分別在七種工況條件（設(shè)計壓力、試驗壓力、破壞壓力、風荷載、地震荷載、設(shè)計+地震載荷、設(shè)計+風載荷）下，對油罐底層罐壁板、螺栓座區(qū)域、大腳焊縫及底板外緣進行有限元計算及強度評定與校核，分析罐體受到的提升力對油罐整體、罐底邊緣板以及螺栓座的影響。

5.3.1 模型的建立

3×104m3石腦油低壓罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)值模擬分析工作量大。為了減少計算工作量，細化較危險結(jié)構(gòu)處的網(wǎng)格，建模時對罐體結(jié)構(gòu)進行了三方面的簡化處理：

（1）未考慮罐壁第一圈壁板上的開孔影響；

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的軸對稱性，采用了油罐結(jié)構(gòu)的1 / 92 進行建模；

（3）螺柱只建到底板為止，未考慮埋入地基的螺柱情況。

劃分網(wǎng)格時選用具有中結(jié)點的六面體 solid186單元和四面體 solid187 單元。共有節(jié)點 514 930 個，網(wǎng)格數(shù)為 105 775，螺栓座幾何模型詳見圖2。

圖2 油罐螺栓座幾何模型Fig.2 Geometric model of tank anchor bolt chair

5.3.2 模型的接觸分析

結(jié)合實際施工建造時可能遇到的問題，有限元模型中設(shè)置了四處摩擦接觸。大腳焊縫未焊透處、螺栓座墊板與底層罐壁板間未貼合完全、邊緣板與地基摩擦接觸、螺母與螺栓座墊板摩擦接觸。

5.3.3 邊界條件

位移邊界條件：限制剛性地基底面豎直方向位移，并在地基兩端側(cè)面施加對稱位移邊界條件；地基與邊緣板端面施加位移約束；與儲液接觸部分施加內(nèi)壓以及靜液壓力；罐壁頂端施加等效拉應(yīng)力，罐壁兩端側(cè)面施加對稱位移邊界條件；螺柱底面限制三個方向位移；沿Y方向施加 980 6 mm / s2重力加速度。

介質(zhì)密度：設(shè)計壓力、破壞壓力、風載荷+設(shè)計壓力及地震載荷+設(shè)計壓力條件下液體密度按石腦油最大密度進行計算。試驗壓力、風載荷、地震載荷條件下液體密度按水密度進行計算。

5.3.4 應(yīng)力線性化

在設(shè)計壓力、試驗壓力、破壞壓力、風載荷、地震載荷、設(shè)計壓力+風載荷、設(shè)計壓力+地震載荷七種工況下，取 33 條路徑對模型進行應(yīng)力評定。應(yīng)力線性化路徑的選取原則是：

（1）通過應(yīng)力強度最大節(jié)點，并沿壁厚方向的最短距離設(shè)定線性化路徑。

（2）對于相對高應(yīng)力強度區(qū)沿壁厚方向設(shè)定路徑。

通過以上有限元建模分析與應(yīng)力強度評定，表明3×104m3石腦油低壓罐中的錨固螺栓及其螺栓座、壁板與邊緣底板等局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計能滿足選用標準所規(guī)定的應(yīng)力強度要求，正常情況下可安全使用。

6 結(jié)束語

本文通過對3×104m3石腦油儲罐罐頂、頂部承壓環(huán)、罐壁以及錨栓的設(shè)計計算分析研究，明確了對于設(shè)計壓力接近GB 50341規(guī)范上限的大型低壓儲罐的設(shè)計計算思路，特別是承壓環(huán)部分的設(shè)計計算，計算方法的選取與罐頂安全附件的設(shè)置情況息息相關(guān)。最后采用有限元建模分析方法對螺栓座進行應(yīng)力評定來驗證常規(guī)設(shè)計的正確性。

[1]球罐和大型儲罐，化工設(shè)備設(shè)計全書[M]. 北京：化學工業(yè)出版社.

[2]GB 50341—2014 立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范[S].

[3]謝剛. 立式低壓儲罐的設(shè)計計算，四川化工，2011（14）：1.

[4]馮成紅. 內(nèi)浮頂罐和低壓罐儲存石腦油的經(jīng)濟性比較[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)，2015，36（5）：6.

[5]AISI E-1 VolumeⅡ Part Ⅶ.

Analysis and Study of Design Method for Low Pressure Large Tank with Doom Roof

Feng Chenghong
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Exampled with a practical engineering case, the design of large tank with doom roof subjected to low pressure which reaches the upper limit in GB 50341 was analyzed in this article. The design methods for roof, pressurized ring, tank wall and anchor bolts, all of which are lack of equations provided in standard, were emphatically analyzed. The method provided can be referenced for designing similar low pressure large tank.

low pressure tank; design pressure; calculation; modeling

TQ 053

A

2095-817X（2017）01-0041-004

2016-05-05

馮成紅（1970—），女，高級工程師，從事化工設(shè)備設(shè)計工作。