對(duì)立式圓筒形儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)GB 50341—2014中某些問(wèn)題的探討

李 冰，丁天才

(中石化寧波工程有限公司設(shè)備室，浙江 寧波 315103)

1 自支撐式罐頂頂與壁的弱連接問(wèn)題

GB 50341—2014(以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn))中關(guān)于罐頂與罐壁弱連接結(jié)構(gòu)的要求之一“連接處的罐頂坡度不應(yīng)大于1/6”[標(biāo)準(zhǔn)中第7.1.6條1款1)項(xiàng)]對(duì)于罐頂為自支撐式結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)罐幾乎是不可能達(dá)到的，理由如下(所有符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)文末)。

1.1 對(duì)于錐頂

對(duì)于自支撐式錐頂：1/6(tan9.5°)≤tanθ≤3/4(tan37°)(7.3.1條)；

對(duì)于柱支撐式錐頂：tanθ≥1/16(tan 3.5°)(7.4.1條)。

上述條件說(shuō)明，只有θ=9.5°的自支撐錐頂罐(無(wú)實(shí)際意義)以及3.5°≤θ≤9.5°的柱支撐錐頂罐才能滿足弱頂連接規(guī)定中關(guān)于罐頂坡度的要求。

1.2 對(duì)于拱頂

一般取Rs=(0.8～1.2)D，則

=24.6°～38.7°?9.5 °[即arc tan(1/6)]

上述推論說(shuō)明，拱頂罐的罐頂結(jié)構(gòu)根本無(wú)法達(dá)到弱頂連接規(guī)定中關(guān)于罐頂坡度的要求。

既然自支撐式拱頂結(jié)構(gòu)罐頂與罐壁的連接不可能為弱頂結(jié)構(gòu)，則說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)第7.1.6條關(guān)于弱連接結(jié)構(gòu)的要求有局限性。該條規(guī)定實(shí)際上僅適用于θ≤9.5°的柱支撐錐頂罐，建議標(biāo)準(zhǔn)中加以說(shuō)明。

2 抗壓(拉)環(huán)總面積A的問(wèn)題

2.1 計(jì)算公式[標(biāo)準(zhǔn)中式(7.1.6)]關(guān)于罐體材料的適用性討論

暫且將由罐壁及罐壁、罐頂結(jié)構(gòu)件組成的無(wú)頂板部件稱(chēng)為網(wǎng)架頂鐘罩。該鐘罩在罐頂與罐壁連接部位的重力傳遞情況以及抗壓(拉)環(huán)受力分析見(jiàn)圖1。

圖1 承受外壓時(shí)頂壁連接處力的傳遞與抗壓(拉)環(huán)受力分析

抗壓(拉)環(huán)所受的拉力

故抗壓(拉)環(huán)面積

1) 對(duì)于Q235B(Q235C)，取σs=225 MPa作為抗壓(拉)環(huán)破壞時(shí)的屈服強(qiáng)度，則

如需保證網(wǎng)架頂鐘罩在被提起的瞬間抗壓(拉)環(huán)首先被破壞，則應(yīng)滿足

2) 對(duì)于其他牌號(hào)材料，應(yīng)滿足

(1)

如果直接采用標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式確定抗壓(拉)環(huán)的總面積，對(duì)于除Q235系列外的其他碳鋼、低合金鋼儲(chǔ)罐，因A的最大值較真實(shí)控制值大，不能確保抗拉(壓)環(huán)首先破壞，罐體將存在安全隱患；對(duì)于奧氏體不銹鋼儲(chǔ)罐，則因其A的最大值較真實(shí)控制值小，而導(dǎo)致儲(chǔ)罐整體的承壓能力下降。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)中定義的有效面積A與其真實(shí)有效面積Ae的本質(zhì)不同

在儲(chǔ)罐的整個(gè)使用年限內(nèi)，均應(yīng)確保在網(wǎng)架頂鐘罩被提離瞬間，抗壓(拉)環(huán)在網(wǎng)架頂鐘罩自身重量的作用下首先破壞(破壞由拉應(yīng)力造成，故該環(huán)此時(shí)被稱(chēng)為抗拉環(huán))。如果按有效厚度來(lái)計(jì)算并控制抗壓(拉)環(huán)的總面積，則僅僅在儲(chǔ)罐使用即將到期的最后時(shí)刻才能保證抗壓(拉)環(huán)先破壞(在如此短的時(shí)間段罐內(nèi)超壓的概率極低)，而在其余絕大部分操作期間罐壁與罐底連接區(qū)域先于抗壓(拉)環(huán)破壞的可能性一直存在，儲(chǔ)罐“先上后下”的預(yù)期破壞順序必然得不到實(shí)現(xiàn)，故面積A的最大值計(jì)算本身也就失去了意義。

因此，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于A的“有效截面面積”的定義不夠嚴(yán)謹(jǐn)，甚至具有一定的誤導(dǎo)性。其“有效”的真實(shí)含義并非是指從各元件名義厚度中扣除腐蝕裕量，而是指參與面積計(jì)算的各元件的有效計(jì)算長(zhǎng)度。

3 計(jì)算破壞壓力計(jì)算公式錯(cuò)誤的問(wèn)題

罐頂與罐壁連接部位的一定區(qū)域參與抵抗由罐頂所傳遞過(guò)來(lái)的力，該區(qū)域習(xí)慣上被稱(chēng)為抗壓(拉)環(huán)。當(dāng)該區(qū)域內(nèi)的金屬達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，罐內(nèi)所對(duì)應(yīng)的內(nèi)壓力即為抗壓(拉)環(huán)的計(jì)算破壞壓力。

將罐頂板及其上的附件頂起需要的內(nèi)壓力

罐頂板(及其上的附件)被頂起后，內(nèi)壓繼續(xù)上升，直至抗壓(拉)環(huán)屈服破壞(破壞由壓應(yīng)力造成，故該環(huán)此時(shí)被稱(chēng)為抗壓環(huán))。在此期間，帶頂板鐘罩(即網(wǎng)架頂鐘罩與頂板組焊后)在罐頂與罐壁連接部位的重力傳遞情況以及抗壓(拉)環(huán)受力分析見(jiàn)圖2。

圖2 承受內(nèi)壓時(shí)頂壁連接處力的傳遞與抗壓(拉)環(huán)受力分析

內(nèi)壓下罐頂被頂起(即抵消罐頂重量)之后所受到的上升力與抗壓(拉)環(huán)所受的周向壓縮力之間的關(guān)系為

所以

抗壓(拉)環(huán)所受的內(nèi)力與罐壁所承受的壓力之間的關(guān)系為

2F=pD

而F=Aσs

因此，計(jì)算破壞壓力(單位換算后)

(2)

用[σ]取代式(2)中的σs，得到最大設(shè)計(jì)壓力Pi

(3)

故標(biāo)準(zhǔn)中式(A.3.5)中的系數(shù)“0.000 746”可能是筆誤，正確值應(yīng)為“0.000 764”。

4 外壓(Pe>0.25 MPa)儲(chǔ)罐某些計(jì)算不必滿足常壓儲(chǔ)罐相關(guān)規(guī)定的問(wèn)題

4.1 關(guān)于拱頂板計(jì)算厚度的計(jì)算

由外壓及常壓拱頂板計(jì)算厚度公式得

其中，取E最大值為2.01×105MPa，則罐頂設(shè)計(jì)總外壓(標(biāo)準(zhǔn)的正文以T表示，標(biāo)準(zhǔn)的附錄B則用Pr表示)T=DL+W+(0.4～1.0)·Pe。

又Pr>T(因外壓Pe>常壓Pe)，

故td-trs>0, 即td>trs

上述推論說(shuō)明，外壓儲(chǔ)罐拱頂板計(jì)算厚度恒大于常壓儲(chǔ)罐，故標(biāo)準(zhǔn)第B.2.4條第1款的規(guī)定沒(méi)有必要。

4.2 關(guān)于抗壓(拉)環(huán)所需面積的計(jì)算

由外壓及常壓時(shí)抗壓(拉)環(huán)所需面積計(jì)算公式得

則

上述推論說(shuō)明，外壓儲(chǔ)罐抗壓(拉)環(huán)所需面積恒大于常壓儲(chǔ)罐(相差20%以上)，故標(biāo)準(zhǔn)B.2.4條2款規(guī)定沒(méi)有必要。

5 正文與附錄B關(guān)于罐壁穩(wěn)定計(jì)算相互矛盾的問(wèn)題

5.1 罐壁外壓穩(wěn)定計(jì)算公式的推導(dǎo)

罐壁外壓穩(wěn)定計(jì)算是以米賽斯(R. V. Mises)公式經(jīng)簡(jiǎn)化后得到的近似公式為基礎(chǔ)的，該簡(jiǎn)化式亦稱(chēng)為拉姆(B. M. Lame)公式，其表達(dá)式為

(4)

對(duì)于常壓儲(chǔ)罐，取穩(wěn)定安全系數(shù)m=1、E=2.01×105MPa，經(jīng)單位換算后，式(4)變形為

(5)

將L=HE、te=tmin代入式(5)，即得到標(biāo)準(zhǔn)中的式(6.4.3-1)。

對(duì)于外壓儲(chǔ)罐，取穩(wěn)定安全系數(shù)m=1.25ψ，并經(jīng)單位換算，則式(4)變形為

故

(6)

將L=Hsafe、te=tsmin、 [Pcr]=Ps代入式(6)，即得到標(biāo)準(zhǔn)中的式(B.3.4)。

5.2 常壓條件下罐壁的外壓穩(wěn)定安全系數(shù)相互矛盾

當(dāng)Pe≤0.25 kPa時(shí)，罐壁的外壓穩(wěn)定計(jì)算有正文中式(6.4.3-1)及附錄B中式(B.3.4)兩種形式。通過(guò)上述公式推導(dǎo)過(guò)程得知，兩者關(guān)于罐壁的穩(wěn)定安全系數(shù)分別取為“1.0”及“1.25”(按B.3.2條第1款規(guī)定，此時(shí)取ψ=1)，故該標(biāo)準(zhǔn)正文與附錄B在Pe≤0.25 kPa時(shí)是相互矛盾的。附錄B中不應(yīng)包括Pe≤0.25 kPa的常壓條件，應(yīng)將B.3.2 條第1款規(guī)定刪除。

6 關(guān)于作用于外壓儲(chǔ)罐罐壁上的設(shè)計(jì)風(fēng)壓W的計(jì)算問(wèn)題

倘若根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)附錄F表F.0.1中關(guān)于W的說(shuō)明，外壓儲(chǔ)罐罐壁設(shè)計(jì)風(fēng)壓按W=1.23ω0計(jì)算，則

對(duì)于A、B、C、D類(lèi)四種地面粗糙度區(qū)域，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表6.4.5-1“風(fēng)壓高度變化系數(shù)μZ”，μZ分別取1.09、1.00、0.65、0.51，則有

實(shí)際上，在C類(lèi)(有密集建筑群的城市市區(qū))及D類(lèi)(有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū))地面粗糙度類(lèi)別的地區(qū)，建造盛裝易燃易爆甚至有毒介質(zhì)的石化儲(chǔ)罐幾乎是不可能的。這樣，則有

即外壓儲(chǔ)罐罐壁的設(shè)計(jì)風(fēng)壓不會(huì)超過(guò)常壓儲(chǔ)罐的0.55倍。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，外壓儲(chǔ)罐罐壁加強(qiáng)圈少于常壓儲(chǔ)罐這種不合理現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的(Pe>0.25 MPa的外壓界定條件使絕大部分儲(chǔ)罐很容易被劃入外壓儲(chǔ)罐類(lèi)，這表面看似對(duì)承受外壓的儲(chǔ)罐提高了要求，但實(shí)則使設(shè)計(jì)出的外壓儲(chǔ)罐變得更不安全)。

應(yīng)該說(shuō)，儲(chǔ)罐罐壁所承受的風(fēng)壓大小，除與基本風(fēng)壓、地面粗糙度類(lèi)別、儲(chǔ)罐的質(zhì)心標(biāo)高以及罐體幾何尺寸等有關(guān)外，與罐內(nèi)是常壓還是負(fù)壓無(wú)關(guān)。因此，對(duì)于內(nèi)部為負(fù)壓的外壓儲(chǔ)罐，作用于罐壁上的風(fēng)壓也應(yīng)取W=2.25μZω0[參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)中的式(6.4.3-5)及式(6.4.3-6)]，而絕不應(yīng)取為W=1.23ω0。

7 外壓增加時(shí)罐壁加強(qiáng)圈數(shù)量不增反降的問(wèn)題

7.1 問(wèn)題的根源

綜合上述，由外壓儲(chǔ)罐罐壁穩(wěn)定安全系數(shù)的取值與標(biāo)準(zhǔn)附錄B中B.3.2條的規(guī)定可看出，罐壁的穩(wěn)定安全系數(shù)m的取值是變化的?？紤]其使用的安全可靠性，m隨外壓的增加而相應(yīng)增大，最大可達(dá)1.25×3=3.75，此值比壓力容器筒體外壓穩(wěn)定安全系數(shù)“3”高出1/4。

但在實(shí)際計(jì)算時(shí)，卻出現(xiàn)了外壓增大而罐壁的穩(wěn)定安全系數(shù)m反而變小的情況?，F(xiàn)通過(guò)對(duì)穩(wěn)定系數(shù)ψ取值進(jìn)行討論，分析該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，并提出避免這種不合理情況的建議。

現(xiàn)將B.3.2條規(guī)定所對(duì)應(yīng)的曲線繪制成圖3，其中穩(wěn)定系數(shù)ψ曲線由四段實(shí)線組成，各線段對(duì)應(yīng)于該規(guī)定中的各項(xiàng)條款。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)ψ曲線

由圖3可見(jiàn)，第二段曲線ψ=(Pe+0.7)/0.95 與第三段曲線ψ=Pe+0.48在其交界處斷開(kāi)，出現(xiàn)ψ=1.18～1.47 的缺口，此時(shí)兩段曲線所對(duì)應(yīng)的自變量Pe的取值范圍分別為0.42 kPa≤Pe≤0.70 kPa及0.70 kPa

7.2 B.3.2條規(guī)定的修正建議

針對(duì)上述現(xiàn)象，提出如下修正建議：

1) 取消原B.3.2條第1款；

3) 原B.3.2條第4款改為“Pe大于1.2 kPa且小于或等于 6.90 MPa時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)ψ應(yīng)取3.0”。

修正后穩(wěn)定系數(shù)ψ對(duì)應(yīng)的曲線見(jiàn)圖4。

圖4 修正后的穩(wěn)定系數(shù)ψ曲線

8 關(guān)于罐頂外壓穩(wěn)定安全系數(shù)的討論及帶肋拱頂計(jì)算公式的修改建議

以下僅針對(duì)自支撐式罐頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。

8.1 外壓穩(wěn)定計(jì)算公式來(lái)源

罐頂外壓公式(系由球殼彈性小撓度理論得到)為

(7)

故球殼(光面拱頂)板厚計(jì)算公式為

(8)

(9)

(10)

(11)

8.2 罐頂外壓穩(wěn)定安全系數(shù)m

取不同的外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，則會(huì)得到不同的公式表達(dá)式?，F(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于罐頂計(jì)算公式及其對(duì)應(yīng)的m取值匯總于表1。

表1 GB 50341—2014關(guān)于固定頂?shù)挠?jì)算公式及對(duì)應(yīng)的外壓穩(wěn)定安全系數(shù)匯總

8.3 罐頂外壓穩(wěn)定安全系數(shù)m值的調(diào)整變動(dòng)史

各時(shí)期立式圓筒形儲(chǔ)罐固定頂外壓穩(wěn)定安全系數(shù)m的取值是不同的，其表現(xiàn)形式為罐頂計(jì)算公式的不同?，F(xiàn)按時(shí)間先后順序?qū)㈠F頂(無(wú)肋)、光面拱頂及帶肋拱頂三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的m的取值情況與對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式匯總成表2。

從表2中可以看到，錐頂?shù)姆€(wěn)定系數(shù)經(jīng)歷了27→24→19.36的調(diào)整過(guò)程(由高到低)，光面拱頂?shù)姆€(wěn)定系數(shù)則恰恰相反，由最初的12提高到目前的19.36/24，但帶肋拱頂?shù)姆€(wěn)定系數(shù)m=12卻一直沒(méi)有變化，顯然是不合理的。

表2 各時(shí)期固定頂外壓穩(wěn)定安全系數(shù)m取值情況及其計(jì)算公式匯總

注：表內(nèi)計(jì)算公式中無(wú)Et項(xiàng)的，系按Et=2.0×105MPa得到的公式。

8.4 帶肋罐頂許用外載荷計(jì)算公式的調(diào)整建議

對(duì)于帶肋錐頂，無(wú)論常壓(Pe≤0.25 kPa)還是外壓(Pe>0.25 kPa)，為與不帶肋錐頂一致，均取m=19.36并代入式(11)，得到帶肋錐頂許用外載荷計(jì)算公式

(12)

對(duì)于常壓(Pe≤0.25 kPa)帶肋拱頂，為與光面拱頂一致，取m=19.36(并取R=Rs)代入式(9)，得到常壓帶肋拱頂許用外載荷計(jì)算公式

(13)

對(duì)于外壓(Pe>0.25 kPa)帶肋拱頂，為與光面拱頂一致，取m=24(并取R=Rs)代入式(9)，得到外壓帶肋拱頂許用外載荷計(jì)算公式

(14)

符號(hào)說(shuō)明：

p——罐壁所受的壓力，kPa；

F——罐壁承受的內(nèi)力[作用于抗壓(拉)環(huán)有效面積上]，N；

σs、σs＇——分別為Q235系列及除Q235系列外其他材料的屈服強(qiáng)度，MPa；

Ae——罐頂與罐壁連接處有效面積A在扣除材料負(fù)偏差與腐蝕裕量之后的面積，mm2；

Pi1——將罐頂板及其上的附件頂起需要的內(nèi)壓力，kPa；

Pi2——Pi1之后壓力繼續(xù)上升直至計(jì)算破壞壓力時(shí)的內(nèi)壓增量，kPa；

m——罐壁外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，無(wú)量綱；

te——罐壁或罐頂板的有效厚度，mm；

tn——罐頂板的名義厚度，mm；

R——球殼頂曲率半徑或錐頂在其與罐頂包邊角鋼連接點(diǎn)的曲率半徑，m；

[T]——罐頂許用外載荷，kPa；

P——罐頂計(jì)算(設(shè)計(jì))外載荷， CD130A2—84中采用的符號(hào)，kg/m2；

P0——罐頂計(jì)算(設(shè)計(jì))外載荷，SH 3046—92中采用的符號(hào)，Pa；

[Pcr]——罐頂許用外載荷，CD130A2—84中采用的符號(hào)，kg/m2；

[P]——罐頂許用外載荷，SH 3046—92與GB 50341—2014中采用的符號(hào)，單位分別為kg/m2及kPa。

其余符號(hào)說(shuō)明同GB 50341—2014。