國內(nèi)外標準中立式圓筒形儲罐罐壁開口許用外載荷計算討論

樊 飛，張為亮，馮 欣

（揚州秋源壓力容器制造有限公司，江蘇揚州 225106）

目前，對立式圓筒形儲罐的罐壁開口許用外載荷的計算，國際上通行采用API 650—2018“Welded Tanks for Oil Storage”［1］（以下簡稱API 650），國內(nèi)則采用GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》［2］（以下簡稱GB 50341）。文中對這2 個標準中的相關(guān)條文進行分析對比，以期對標準的應用規(guī)則和適用范圍有更深入準確的理解和應用。需要說明的是，文中所出現(xiàn)的物理量的符號、含義及單位均與各自相應標準相同。

1 2個標準相同部分

1.1 適用范圍

GB 50341 附錄J 和API 650 附錄P 都適用于直徑大于36 m 的立式圓筒形油罐罐壁開口承載的計算。

1.2 計算步驟和公式

GB 50341 附錄J 中的公式法和API 650 附錄P.2 中的大部分內(nèi)容是一致的，其理論模型本質(zhì)與文獻［3-4］相同，具體內(nèi)容包括符號定義，罐壁剛度系數(shù)Kc、KL、KR的圖表及計算公式，無約束徑向位移和無約束轉(zhuǎn)角的計算公式，罐壁開口處載荷的確定，罐壁開口的允許外載荷計算公式及諾模圖等。

2 2個標準不同部分

2.1 適用范圍

GB 50341 附錄J 僅適用于直徑大于36 m 的油罐罐壁開口承載計算，沒有提到直徑小于等于36 m 的油罐罐壁開口承載計算方法。

API 650 附錄P 不僅適用于直徑大于36 m 的油罐罐壁開口承載計算，而且指出，當客戶要求時也可以適用于直徑小于等于36 m 的油罐罐壁開口允許載荷計算。

2.2 計算方法種類

GB 50341 附錄J 規(guī)定了2 種計算校核方法，即公式法和有限元法。

API 650 附錄P.3.1.1-a）規(guī)定了4 種計算校核方法，除了附錄P.2 中的公式法和P.3.1.1-b）的有限元法外，還可以采用WRC 297 公報方法［5］或ASME Ⅷ-2—2017 “Rules for Construction of Pressure Vessels Division 2—Alternative Rules”［6］的方法［7］。

相比較而言，API 650 的規(guī)定更加全面，也更加方便合理。API 650 附錄P.2 中的公式法需要查圖表，并手工逐個計算管口，耗時耗力。附錄P.3.1.1-b）的有限元法則需要配備專業(yè)的數(shù)值模擬軟件和有經(jīng)驗的專業(yè)分析工程師，并不是所有單位都能配備足夠條件加以實施。而WRC 297 公報方法則比較簡單，各設(shè)計單位都有WRC 297 的計算軟件，設(shè)計工程師對WRC 的操作界面也比較熟悉，如果輸出結(jié)果在WRC 297 的適用范圍內(nèi)，其結(jié)果是可靠的。

ASME Ⅷ-2—2017 在4.5.15 中明確提出了3種方法，即WRC 537［8］（WRC 107［9］的更新替代版）和 WRC 297、ASME STP-PT-074—2015 《Local Stresses in Nozzles in Shells and Formed Heads from External Loads》方法［10］以及有限元法。WRC 537 和WRC 297 方法簡單直接，如果輸出結(jié)果在其適用范圍內(nèi)，結(jié)果是可靠的。ASME STP-PT-074—2015 相對大部分設(shè)計工程師來說比較陌生，而有限元法同樣存在著軟件及人員的局限性。

2.3 制造商和采購方工作范圍

GB 50341 明確了各相關(guān)數(shù)據(jù)和公式的輸入數(shù)值和輸出結(jié)果，但沒有明確這些數(shù)據(jù)的來源和工作范圍劃分。例如，附錄J.3 中罐壁無約束條件下的徑向位移和轉(zhuǎn)角、附錄J.4 中罐壁開口處載荷WR和θL的計算結(jié)果在后續(xù)J.5 罐壁開口處載荷確定部分完全沒有提及，不知J.3 和J.4 的計算結(jié)果有何用途。另外，附錄J.4.1 規(guī)定，F(xiàn)R、ML與MC應由罐壁剛度、罐壁徑向位移、罐壁轉(zhuǎn)角及管線連接的剛性與約束條件來計算確定。從此條文看，F(xiàn)R、ML與MC是計算得出的，但這不符合工程實踐。

API 650 明確了各相關(guān)數(shù)據(jù)和公式的輸入數(shù)值和輸出結(jié)果，也規(guī)定了數(shù)據(jù)的來源和工作范圍劃分。附錄P.2.8 規(guī)定了雙方的工作范圍，制造商需要按照附錄P.2.4 和附錄P.2.5 將罐壁剛度系數(shù)Kc、KL、KR及罐壁無約束條件下的徑向位移和轉(zhuǎn)角提供給采購方，而采購方應按照附錄P.2.6 將罐壁開口處載荷提供給制造商。制造商還應按照附錄P.2.7 進行最終的外載荷是否超標的計算和評定。

對比分析可以得出，GB 50341 附錄J.2.3 中的罐壁剛度系數(shù)及附錄J.3 中罐壁無約束條件下的徑向位移和轉(zhuǎn)角，應該是制造商計算完畢后，將Kc、KL、KR、Wd、θr的計算結(jié)果提供給采購方即可。而附錄J.4 中的FR、ML與MC則應由采購方提供，這也和工程實踐經(jīng)驗一致。

2.4 計算算例

GB 50341 中沒有給出計算算例，工程人員使用時存在理解偏差和歧義的可能性。如果給出算例，將會對此規(guī)范和公式的正確使用提供良好的導向作用。

在API 650 附錄P.2.9 中，則提供了公制單位制和習慣單位制2 種計算算例，算例的計算步驟詳細、清晰，非常便于工程人員理解與參考使用。尤其是在計算算例最后部分，通過公式反推算，得出允許外載荷的最大許用值，直接進行數(shù)值比較即可，無需在圖表中插點復核，使用更加方便。此計算算例對GB 50341 的正確使用也有很好的參考作用。

2.5 有限元方法詳細說明

GB 50341 附錄J.1 提到也可以采用有限元應力分析法來確定管口許用外荷載，但沒有給出具體的建模、分析和評定標準等?；诓煌姆治鋈藛T，其評估結(jié)果可能會有差別。

API 650 附錄P.3.2 和附錄P.3.3 提供了具體的建模、分析和評定標準等內(nèi)容，便于分析人員統(tǒng)一要求和評估方法，有利于規(guī)范化。尤其是附錄P.3.2.6 提到“有限元法經(jīng)常會出現(xiàn)管口接管部分在單獨產(chǎn)品載荷下的應力超標，但是，此應力是自限性的且接管的應變值很小。因此，接管應力可以不用分析。”此條說明有效避免了由于考慮接管應力超標而帶來的過度設(shè)計，降低了成本，提高了經(jīng)濟性。

2.6 開孔處設(shè)計物料靜壓產(chǎn)生的壓力載荷FP

GB 50341 附錄J.5 罐壁開口的允許外荷載公式中明確有FP的值，但是整個附錄J 中卻沒有提到FP的具體定義和計算方法，尤其是在附錄J.2.2 中已經(jīng)有了FR、FL的說明，卻唯獨沒有對FP的規(guī)定。

而在API 650 附錄P.2.3 的符號定義中，對FP明確規(guī)定了定義及計算公式，具體的計算公式為FP=πa2P。

2.7 補強類型

GB 50341 的圖J.2.3-1～J.2.3-12 中分為罐壁補強板和僅管頸補強板這2 種情況。但是，補強板都是在罐壁上的，根本不存在僅管頸補強板這種情況。

API 650 的圖P.2a～P.2l 中也分為2 種情況，即Reinforcement on Shell、Reinforcement in Nozzle Neck Only。

根據(jù)專業(yè)經(jīng)驗，GB 50341 的插圖名稱理解為罐壁補強（罐壁多余金屬補強或補強圈補強［11］）、僅接管補強（接管多余金屬補強或者厚壁管補強［11］）更為合適。

2.8 FR、ML 與MC 數(shù)值來源

GB 50341 附錄J.4.1 指出，“在罐壁開口接管處，由外荷載產(chǎn)生的彈性變形應按下列公式計算。FR、ML與MC應由罐壁剛度、罐壁徑向位移、罐壁轉(zhuǎn)角及管線連接的剛性與約束條件來計算確定”。此段文字中的2 個計算很容易讓人誤解是需要制造商計算，可是制造商根本就無法獲得足夠的相關(guān)信息來計算FR、ML與MC的值。

API 650 附錄P.2.6 說明，F(xiàn)R、ML與MC應通過管道柔性分析獲得。

通過對比可以看出，F(xiàn)R、ML與MC輸入數(shù)據(jù)應由采購方提供給制造商，而不是由制造商自己計算得出。

3 結(jié)束語

API 650 和GB 50341 中對立式圓筒形儲罐罐壁開口的許用外載荷都給出了計算和校核方法，但存在一定的差異。仔細理解2 個標準制訂的原理和推導步驟，并結(jié)合算例進行復核，對標準規(guī)范的準確使用很有幫助。