2000m³柴油拱頂罐設(shè)計

第1章緒論1.1研究背景及意義石油是國家的重要戰(zhàn)略資源，也是促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障國家安全的重要支柱。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對石油的需求量是日益增加，許多依靠原油的國家就更加需要增加石油的儲備量，所以這些國家正在建設(shè)大量的石油儲罐，是現(xiàn)在的主要目標(biāo)之一。油罐是石油、化工、國防等一些行業(yè)必不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)備，我國的儲油設(shè)施主要有地上儲罐和地下儲罐，且常見多的是地上儲罐，而且大多數(shù)儲罐都是金屬結(jié)構(gòu)。輸油管道首站的儲油罐用于收集、儲存石油和保證管線輸油量的穩(wěn)定，末站的儲油罐用于接收和儲備來油，并提供給用油單位。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀目前，人們對石油資源的需求在不斷的增加。拱頂油罐是國內(nèi)許多行業(yè)應(yīng)用最多最廣泛的油罐之一，這得益于拱頂罐造價低廉，制造不復(fù)雜。以解決我們所面臨的的各種困難?，F(xiàn)今，有限的石油資源儲存變成了各個國家的主要目標(biāo)，因此建設(shè)更多的大型油罐是現(xiàn)在的首要目的。隨著國內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，國內(nèi)石化企業(yè)也對石油的需求量也在日益增加，所以擴(kuò)充國內(nèi)的石油儲備能力是必不可少的[5]，第一，可以確保國內(nèi)石油原料的供應(yīng)，第二，也可以降低世界石油動蕩給我國帶來的影響。因此建設(shè)更大更多的油罐是必須的。中國的大型化油罐的發(fā)展是20世紀(jì)70年代中后期開始的，國內(nèi)的第一座建成的大型油罐是在上海的陳山碼頭，到目前為止，已經(jīng)在大慶，上海，蘭州，秦皇島，山東，大連等地區(qū)建設(shè)了100余座100000立方米的油罐[6]。1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)對國外80年代末90年代初文獻(xiàn)、專利資料的調(diào)查，認(rèn)為當(dāng)前國外儲液罐（主要為油罐）的發(fā)展動向是：通過各種手段進(jìn)一步減少油品損失，降耗節(jié)能；重視安全和污染，強(qiáng)化防腐和監(jiān)測技術(shù)；地上罐進(jìn)一步大型化的勢頭不甚明顯，結(jié)合各國國情因地制宜；但日本的地中罐發(fā)展很快，單臺罐容量已達(dá)到35萬m3。原油儲罐的建設(shè)中，所建儲罐的容積越大所需成本就越少，建罐的投資較少，而且還方便管理，因而世界各國的儲罐也就越建越大。目前，世界上最大的儲罐有拱頂罐，內(nèi)浮頂罐，其容積已達(dá)到了100000立方米，拱頂?shù)脑O(shè)計所采用的技術(shù)是鋁網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)[7]。其中外浮頂儲罐的容積已經(jīng)達(dá)到了200000立方米，同時最大的錐頂油罐的容積是50000立方米。現(xiàn)在，美國、日本、俄羅斯等一些發(fā)達(dá)國家任然在繼續(xù)研究更大型儲罐的設(shè)計技術(shù)[8]。1.3研究內(nèi)容1.3.1拱頂罐的設(shè)計原則如表1.1所示為本文鋼油罐但聞容積鋼材凈重設(shè)計依據(jù)。其設(shè)計原則如下：（1）節(jié)省鋼材。（2）減少投資。（3）占地面積小。（4）操作簡單，管理方便。（5）管線及其配件造價較低。表1.1鋼油罐單位容積所需鋼材凈重油罐容量m單位容積所需鋼材的凈重,kgf/m500010000200005000010000020000026.223.021.519.215.010.01.3.2拱頂罐的設(shè)計參數(shù)物料：煤油；設(shè)計壓力：正壓：1960Pa負(fù)壓：490Pa設(shè)計溫度：自選（-19℃≤t≤90℃）基本風(fēng)壓：600Pa雪載荷：441Pa抗震設(shè)防烈度：8度場地土類型：=2\*ROMANII類儲液密度：800kg/m3腐蝕裕量：3.5mm焊縫系數(shù)：0.9第2章儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計計算2.1材料選取儲罐材料的選取要考慮設(shè)計的壓力溫度，儲存的油品及其性質(zhì)，還有材料的焊接性能，抗腐蝕性能等多種因素，此次設(shè)計選用的材料為Q235-A型鋼。其中，設(shè)計溫度下鋼板許用壓力為157MPa，常溫強(qiáng)度σb=375×103MPaσs=235×103且因Q235-A型鋼為碳素鋼，彈性模量E=191.6×103MPa。罐壁開口選用10號鋼無縫鋼管。儲罐材料的選取要考慮設(shè)計的壓力溫度，儲存的油品及其性質(zhì)，還有材料的焊接性能，抗腐蝕性能等多種因素，此次設(shè)計選用的材料為Q235-A型鋼。其中，設(shè)計溫度下鋼板許用壓力為157MPa，常溫強(qiáng)度σb=375×103MPaσs=235×103且因Q235-A型鋼為碳素鋼，彈性模量E=191.6×103MPa。罐壁開口選用10號鋼無縫鋼管。2.2高度和直徑的確定等壁厚儲罐最大公稱容積為1000m3，當(dāng)公稱容積大于1000m3時，應(yīng)建造變壁厚儲罐。本次設(shè)計油罐是2000m3，需建造變壁厚儲罐，來確定儲罐的高度和直徑。儲罐高度(2.1)式中：σ—設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力φ—焊縫系數(shù)；γ—儲液重量；s1s2由公式（2.1）得:油罐內(nèi)徑(2.2)其中V是計算容積，V=2200m3由公式(2.2)得:故拱頂罐的高度H=14.08m，直徑D=14.11m。2.3罐壁的設(shè)計計算2.3.1罐壁連接方式及層數(shù)的確定對于縱向焊縫:相鄰兩層壁板的縱向焊縫應(yīng)相互錯開,最小距離應(yīng)大于較厚壁板厚度的5倍，且不得小于100mm，所以，本次設(shè)計搭接距離為50mm。罐壁縱向焊縫的對接接頭形式如下圖所示圖2.1I形坡口上圈壁板厚度不得大于下圈壁板厚度。壁板間的縱向焊縫和環(huán)向焊縫應(yīng)采用內(nèi)表面對齊的方式對接，如下圖所示本次設(shè)計油罐的罐壁鋼板選取尺寸為2000×5300mm[1]油罐的周長：L=πD=3.14×14.11圖2.2I形坡口每圈罐壁筒節(jié)所需鋼板塊數(shù)：N=L/D=49520.925/5300=8.36鋼板的實際高度為:L＇＝5300－20＝5280mm除去余量后實際寬度為:B＝2000－20＝1980mm每塊鋼板加工余量取10mm，鋼板的實際高度為5280mm，實際寬度為B=1980mm，所以每圈鋼板取9塊。油罐高度H=14080mmN=H/B=14080÷1980=7.11所以設(shè)計油罐為8層每層9塊鋼板。2.3.2儲罐壁厚的計算罐壁壁厚計算公式主要是由定點法，變點法和應(yīng)力分析法三種，本次2000立方米煤油罐的設(shè)計，直徑不大于61m，則可選擇用定點法來計算罐壁的壁厚[12]。t(2.7)t(2.6)式中：td—儲存介質(zhì)條件下罐壁板的計算厚度tt—試水條件下罐壁板的計算厚度D—儲罐內(nèi)徑，(m)；ρ—儲液相對密度(取儲液與水密度之比);H—計算液位高度(m)，從所計算的那圈罐壁板底端到罐壁包邊角鋼頂部的高度，或到溢流口下沿(有溢流口時)的高度；[σd]—設(shè)計溫度下鋼板的許用應(yīng)力（σt—常溫下鋼板的許用應(yīng)力（Mpa）φ—焊縫系數(shù)，為0.9；C1—鋼板的厚度偏差，mm；查得為0.5mm[C2—腐蝕裕量，mm，為3.5mm罐壁板的最小公稱厚度,不得小于(2.6)式與(2.7)式的計算厚度分別加各自壁厚附加量的較大值。式(2.7)的壁厚附加量需要同時考慮厚度偏差C1和腐蝕裕量C2，而式（2.6)的壁厚附加量無需考慮腐蝕裕量C2,只需考慮厚度偏差C1。即t≥max(td因?qū)訑?shù)向上取整，儲罐上方留有空隙，計算壁厚時將空隙平分至每層。（9×1980-14080）÷9=415.56mm=0.416m1.98-0.416=1.564m（1）第一層壁板的厚度計算（從底算起）：第一層壁板高度：H=14.08mtt因此向上圓整為10mm。（2）第二層壁板的厚度計算：第二層壁板計算時的高度為：H=14.08-1.564=12.516mtt圓整為9mm。（3）第三層壁板的厚度計算：第三層壁板計算時的高度為：H=12.516-1.564=10.952mtt圓整為9mm。（4）第四層壁板的厚度計算：第四層壁板計算時的高度為：H=10.952-1.564=9.388mtt圓整為8mm。（5）第五層壁板的厚度計算：第五層壁板計算時的高度為:H=9.388-1.564=7.824mtt圓整為7mm。（6）第六層壁板的厚度計算：第六層壁板計算時的高度為：H=7.824-1.564=6.26mtt圓整為7mm。（7）第七層壁板的厚度計算：第七層壁板計算時的高度為：H=6.26-1.564=4.696mtt圓整為6mm。（8）第八層壁板的厚度計算：第八層壁板計算時的高度為：H=4.696-1.564=3.132mtt圓整為6mm。表2.1罐壁鋼板材料及厚度名稱壁厚材料厚度（mm）第一層罐壁Q235-A10第二層罐壁Q235-A9第三層罐壁Q235-A9第四層罐壁Q235-A8第五層罐壁Q235-A7第六層罐壁Q235-A7第七層罐壁Q235-A6第八層罐壁Q235-A62.3.3中間抗風(fēng)圈的設(shè)計對于設(shè)有固定頂?shù)挠凸蓿瑹o需設(shè)計頂部抗風(fēng)圈，但隨著其高度不斷的增加，油罐中部的筒體會被風(fēng)吹癟，則需要在下部適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)計中間抗風(fēng)圈，即加強(qiáng)圈，應(yīng)將罐壁全高作為風(fēng)力穩(wěn)定性核算區(qū)間。罐壁筒體的臨界許用壓力：P(2.9)H式中：Pcr—核算區(qū)間罐壁筒體的許用臨界壓力HE—核算區(qū)間罐壁筒體的當(dāng)量高度tmin—核算區(qū)間最薄圈罐壁板的有效厚度Hei—第i圈罐壁板的當(dāng)量高度(m);油罐各層圈板的當(dāng)量高度[1]油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計式(2.7)計算方法：(2.10)式中：h?折算前圈板的實際高度，m；tmin?管壁的最小厚度，亦即管壁最上一圈壁板厚度，mm；t?所計算的那層圈板的壁厚，mm；He?所計算的那層圈板在厚度為tmin時的當(dāng)量高度，m。將數(shù)據(jù)帶入（2.10）得：第一層H第二層H第三層H第四層H第五層H第六層H第七層H第八層表2.2各層圈板當(dāng)量高度層數(shù)H(m)t,(mm)He(m)12.0100.5622.090.7332.090.7342.080.9752.071.3662.071.3672.062.0082.062.00HE＝∑He＝0.56+0.73×2＋0.97+1.36×2＋2.00×2＝9.71mHP對于存在內(nèi)壓的固定頂油罐的罐壁筒體的設(shè)計外壓:P式中：P0—壁筒體的設(shè)計外壓(kPa)ωk—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；q—罐頂呼吸閥負(fù)壓設(shè)定壓力的1.2倍(kPa)。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)根據(jù)下式計算[3]ω式中βZ—高度Z處風(fēng)振系數(shù),對油罐取μS—風(fēng)荷載體型系數(shù),應(yīng)取駐點值μZ—風(fēng)壓高度變化系數(shù);經(jīng)查表計算得1.114567[ω0—基本風(fēng)壓(kPa/m2)計算得

ω則

P由此可得

所以，應(yīng)設(shè)一個中間抗風(fēng)圈，中間抗風(fēng)圈的位置在12HE處，且因油罐內(nèi)徑小于20m2.4罐底設(shè)計計算2.4.1罐底結(jié)構(gòu)的確定油罐內(nèi)徑小于12.5m時,罐底可不設(shè)環(huán)形邊緣板;油罐內(nèi)徑大于或等于12.5m時，罐底宜設(shè)環(huán)形邊緣板。罐底選用的是錐形罐底形式，中間高四周低，可以更好地排除雜質(zhì)和水分，能夠很好地提高罐內(nèi)煤油的品質(zhì)。圖2.3設(shè)環(huán)形邊緣罐底拱頂罐罐底環(huán)形邊緣板外緣應(yīng)為圓形，內(nèi)緣為正多邊形。2.4.2罐底直徑計算表2.3邊緣板最小公稱厚度底圈罐壁板厚度(mm)邊緣板最小公稱厚度(mm)≤6等底圈罐壁板厚度7-10611-20821-3010＞3012由于罐底圈厚度為10mm，故邊緣板最小公稱厚度為8mm(2.11)式中：D1—罐底直徑，mmδ—邊緣板的外伸量，為100mm；D—油罐內(nèi)徑mm；δ1—底圈板厚度mm2.4.3中幅板的設(shè)計表2.4中幅板最小公稱厚度儲罐內(nèi)徑(m)中幅板最小公稱厚度(mm)D＜12m412≤D＜455D≥20m6已知D=14.11m，故中幅板的最小公稱厚度為5mm中幅板的厚度一個基值一般不小于6mm[3]，此次設(shè)計時考慮了腐蝕余量以及焊接的難易操作性，再加上中幅板對地基的影響，因而取中幅板的厚度為：其中：δ1——幅板的最小值；δ2—5mm，地震焊接等因素所增加；δ3—3.5mm，腐蝕余量。則罐底采用Q235-A型鋼材，直徑為14.11m，設(shè)有環(huán)形邊緣板，且邊緣板外緣為圓形，內(nèi)緣為多邊形，中幅板與邊緣板采用搭接方式，中幅板厚度為13.5mm。2.5罐頂設(shè)計計算2.5.1拱頂球面曲率半徑的選取圖2.5扇形板形式球頂?shù)那拾霃降扔谟凸拗睆?一般取球頂曲率半徑與油罐直徑的差值不能超過20%。Rs＝(0.8～1.2)D(2.12)式中：Rs—拱頂球面曲率半徑，mm；D—油罐內(nèi)直徑，mm；即:取曲率半徑Rs＝1.0D＝14110mm。2.5.2扇形頂板尺寸罐頂起始角：(2.13)將=14.11,D=14.11代入公式(2.10)可得：拱頂頂板長：(2.14)由公式（2.11）得：每塊頂板所對的圓心角：(2.15）由公式（2.12）可得：其中，r—拱頂中心孔的半徑如下表所示表2.5拱頂中心半徑油罐公稱容積/m3r/mm100≤V＜10007501000≤V＜100001000V≥100001050頂板塊數(shù)：大端弦長：AB=(2.16)式中：?—寬度取50mm：由公式（2.13）可得：小端弦長：(2.17)式中：?—搭接寬度mm;R—拱頂中心孔的半徑。因此由公式（2.15）得：第3章油罐抗震設(shè)計計算3.1油罐抗震計算說明地震我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷淖匀粸?zāi)害之一，因為油罐是直接坐落于地基之上，所以地震給油罐帶來的災(zāi)害也是非常巨大的，強(qiáng)烈的地震會引起油罐內(nèi)儲液的晃動，容易使油罐變形，開裂，甚至?xí)霈F(xiàn)漏油等較大的事故，所以對有關(guān)的抗震設(shè)計也是必不可少的。3.2油罐抗震設(shè)計計算3.2.1傾覆力矩的計算M=(3.1)式中：M—水平載荷對罐底底面的彎矩:N.m;Q0—水平H—罐底底部至液面的高度，cm。Q0按照公式(6.2)Q(3.2)式中：Cz—綜合影響系數(shù)αmax—地震影響系數(shù)最大值，與地震強(qiáng)烈度有關(guān)，從表6.1Wo—產(chǎn)生地震載荷油罐的總重量，kgf，按公式（3.3表3.1地震影響系數(shù)最大值地震烈度789α0.230.450.90W(3.3)式中：W'—Fr—動液系數(shù)，由H/R按照表3.2R—底層圈板的半徑，cm。表3.2動液系數(shù)H/R≤0.80.81.01.21.41.61.82.0Fr0.210.270.320.370.400.420.450.47由公式(3.1)(3.2)(3.3)得WH由表3.2可得FrW因為地震烈度為8度，所以由表3.1得αmaxQM=1.3.2.2罐壁壓應(yīng)力的計算底層圈板的最大壓力σ=(3.4)式中：σ——底層壁板的最大壓應(yīng)力，kgf/cm3N——底層壁板承受的重力；A——底層壁板的界截面積，cm3A=πDt(3.5)W——底層壁板的截面系數(shù)，cm3W=0.785(3.6)D——油罐的直徑，cm；T——油罐底層壁板的厚度，cm；由公式（3.6）可得：W=0.785×由公式（3.5）可得：A=3.14×由公式（3.4）可得：σ=第4章油罐附件及其選用4.1煤油概述煤油是輕質(zhì)石油產(chǎn)品的一種，由天然石油或人造石油經(jīng)分餾或裂化而得。油罐附件主要有：梯子、欄桿、人孔、透光孔、量油孔、進(jìn)出油短管、放水管、排污孔、消防冷卻噴淋系統(tǒng)、消防泡沫系統(tǒng)、照明設(shè)施。4.2油罐通用附件4.2.1人孔人孔的作用可以看作是外界和儲罐內(nèi)的通道，通過人孔可以進(jìn)入儲罐進(jìn)行檢修以及清理工作，如果需要安裝或者拆卸一些儲罐的內(nèi)部附件，也可以通過人孔進(jìn)行操作[19]。罐壁人孔其中心距離罐底約800mm，便于工作人員在安裝、清洗、維修時進(jìn)出油管和通風(fēng)。罐壁人孔應(yīng)符合表4.1的要求，罐壁人孔一般選用的直徑為600mm表4.1人孔、透光孔及量油孔選用表容積m罐壁人孔透光孔量油孔數(shù)量直徑(mm)質(zhì)量(kg)數(shù)量直徑(mm)質(zhì)量(kg)數(shù)量直徑(mm)質(zhì)量(kg)400~7001600126150047.711507.61000~20001600126250047.711507.630001600126250047.711507.65000~100001600126350047.711507.64.2.2量油孔量油孔又叫測量孔，它是為了測量油面高低、取樣、測溫而設(shè)置的，每個油罐設(shè)一只，其直徑一般為150mm，量油孔通常與通氣孔是配套使用于固定頂儲罐上的，其主要是為檢尺、測溫、取樣所設(shè)計的，量油孔的安裝位置位于固定罐壁附近的罐頂部位。量油孔的使用過程中需注意以下幾點:（1）量油孔的正下方不要放置加熱器或其它設(shè)備；（2）量油孔的法蘭需水平，為使其密封性好，可在內(nèi)側(cè)刻一圈加強(qiáng)密閉性凹槽；（3）量液孔殼的材質(zhì)可以使用有色金屬，可以避免摩擦產(chǎn)生火花，發(fā)生危險情況。4.2.3盤梯平臺及欄桿盤梯平臺以及欄桿是為了工作人員上罐頂取樣、檢尺而設(shè)計的[21]，盤梯的最小寬度一般為600mm，每一個踏步的最小寬度為200mm，盤梯的升角一般是45度，并且所有的升角都是相同的，盤梯的踏板要選用防滑板，以防雨雪天氣打滑，發(fā)生意外，盤梯的外側(cè)還要有欄桿，同時盤梯要用三腳架牢固的固定在罐壁上，與此同時，罐頂?shù)钠脚_的設(shè)計寬度不能低于1m，平臺要一直設(shè)計到量油孔，方便工作人員的操作，并且盤梯以及平臺欄桿的高度不能低于1m。4.2.4透光孔透光孔又稱采光孔，主要用于油管清洗或維修時的采光和通風(fēng)。設(shè)置數(shù)量與人孔相同，且在圓周上布置在人孔的對面。4.3輕質(zhì)油品油罐專用附件4.3.1呼吸閥呼吸閥是油罐不可缺少的附件之一，它的作用是保持油罐的密閉性，同時對油罐有一定的保護(hù)作用，還可以降低油品的蒸發(fā)損耗，一般安裝在灌頂中心附近。4.3.2液壓安全閥機(jī)械呼吸閥有時因銹蝕或凍結(jié)而失靈，為了保證油罐的安全，灌上還裝設(shè)液壓安全閥。液壓安全閥主要有閥罩、閥體和中心管等組成。液壓安全閥是利用液體的靜壓力來控制油罐的呼氣壓力和吸氣真空度的。4.3.3阻火器阻火原理：吸收熱量器壁效應(yīng)。結(jié)論本次設(shè)計的油罐是2000m3的立式拱頂油罐，通過老師的精心指導(dǎo)以及查閱相關(guān)資料作為參考，主要對罐體材料，罐的直徑還有高度的確定，同時還進(jìn)行了罐壁、罐底、罐頂、儲罐的抗震設(shè)計計算，以及其連接方式和油罐上一些必需的附件進(jìn)行了選擇和設(shè)計計算。得出以下七點結(jié)論：1．選擇的基本材料為Q235-A型鋼，不僅能滿足罐體對強(qiáng)度和剛度的要求，也大大節(jié)約了制造成本，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)合理的目地油罐的直徑為14.11m，罐壁高為14.08m；2.罐壁共設(shè)計八層，自最底層開始分別是10mm、9mm、9mm、8mm、7mm、7mm、6mm、6mm，在12HE處設(shè)置一個抗風(fēng)圈（加強(qiáng)圈），且因油罐內(nèi)徑小于20m3.罐底的設(shè)計上，罐底選用的是錐形罐底形式，油罐罐底采用的排版形式單面焊對接結(jié)構(gòu)，因為焊接變形最小、方便施工，還可以節(jié)省罐底的鋼材；4.罐頂選用光面球殼，頂板厚度為6mm，中心孔直徑1000mm，包邊角鋼材料為20R，面積為1200cm2，尺寸為∟63×5.在對罐體主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，還對油罐的抗震進(jìn)行了設(shè)計，進(jìn)過詳細(xì)的設(shè)計計算，設(shè)計的油罐在設(shè)計時的地震情況下，油罐