5萬m3浮頂油罐抗風(fēng)圈的兩種設(shè)計方法

王盛智，藍(lán)曉民，王國維

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院, 遼寧 撫順 113001）

5萬m3浮頂油罐抗風(fēng)圈的兩種設(shè)計方法

王盛智1，藍(lán)曉民2，王國維1

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院, 遼寧 撫順 113001）

針對立式圓柱形浮頂油罐的罐壁頂部抗風(fēng)穩(wěn)定性問題，設(shè)計一種抗風(fēng)圈，在滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性要求的同時兼做罐頂工作所需的人行環(huán)道，通過常規(guī)設(shè)計方法計算此抗風(fēng)圈的截面系數(shù)，進(jìn)而判斷抗風(fēng)圈的安全穩(wěn)定性；同時探索一種新的設(shè)計方法，通過AutoCAD精確繪圖，并依靠其提供的查詢“面域質(zhì)量特性”的方法，確定該組合截面的形心、主力矩及截面系數(shù)，從而使組合截面系數(shù)的力學(xué)計算大大簡化，最后通過兩種方法得到的結(jié)果對比，驗證新設(shè)計方法的可行性。

浮頂罐；抗風(fēng)圈；截面系數(shù)； AutoCAD

立式圓柱形浮頂油罐的罐壁設(shè)計，除應(yīng)滿足強(qiáng)度條件外，還應(yīng)具有足夠的抗風(fēng)能力，以避免油罐在風(fēng)載作用下失穩(wěn)，由于浮頂油罐的頂部為敞口，所以在風(fēng)載荷的作用下非常容易變形，尤其是隨著油罐大型化和高強(qiáng)度鋼的采用，油罐罐壁減薄，壁厚與油罐直徑的比值減小，油罐穩(wěn)定性降低，所以油罐的抗風(fēng)穩(wěn)定性設(shè)計就更加重要。

浮頂油罐頂部的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)是抗風(fēng)圈，一般是在罐頂?shù)陌吔卿撓? m處設(shè)置，當(dāng)敞口油罐(浮頂油罐,以下簡稱油罐)受風(fēng)載荷作用時，罐壁頂部設(shè)置的抗風(fēng)圈就起到保持油罐壁圓度的作用。抗風(fēng)圈設(shè)計的主要內(nèi)容是確定抗風(fēng)圈所需的最小截面系數(shù)，而抗風(fēng)圈在設(shè)計中通常會考慮兼做其他用途，因此其截面可以有很多種不同的截面形式，這就使得抗風(fēng)圈的設(shè)計難于統(tǒng)一，常規(guī)設(shè)計需要大量材料力學(xué)的相關(guān)計算，截面的少許變化即帶來大量復(fù)雜計算，極易出錯，因此探索一種簡便易行的設(shè)計方法，對于提高設(shè)計效率、避免設(shè)計錯誤是十分必要的。

本文通過1臺5萬m3米浮頂油罐的一種抗風(fēng)圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計，進(jìn)行常規(guī)的設(shè)計，同時提出一種全新的AutoCAD“面域質(zhì)量特性”的方法，通過二者的對比，找出一種抗風(fēng)圈簡便易行、安全可靠的設(shè)計方法。

1 抗風(fēng)圈截面系數(shù)的常規(guī)設(shè)計

1.1 抗風(fēng)圈所需最小截面系數(shù)計算

本文設(shè)計的抗風(fēng)圈采用包括抗風(fēng)圈腹板、與抗風(fēng)圈腹板焊在一起的部分罐壁（16倍壁厚范圍），以及槽鋼組成的組合截面，見圖1實(shí)心線部分（圖中尺寸單位為mm），其中腹板考慮兼做人行通道。

油罐尺寸為：油罐內(nèi)徑D=60 m，油罐罐壁高度H=19.35 m，罐址基本風(fēng)壓W0=441 N/m2。

圖1所示抗風(fēng)圈所需的最小截面系數(shù)為:

Wz=0.082×10-9D2HW0

式中：Wz—抗風(fēng)圈所需最小截面系數(shù),m3;

W0—罐址基本風(fēng)壓,N/m2;

D—油罐內(nèi)徑,m;

H—罐壁高,m。

Wz=0.082×10-9D2HW0=0.082×10-9×602×19.35×441 =2.52×10-3(m3)

圖1 抗風(fēng)圈截面圖Fig.1 Wind section

1.2 抗風(fēng)圈實(shí)際截面系數(shù)

1.2.1 腹板截面慣性矩（見圖2）

圖2 抗風(fēng)圈腹板截面圖Fig.2 Wind circle web section

1.2.2 罐壁截面慣性矩（見圖3）

圖3 罐壁截面圖Fig.3 Tank wall section

1.2.3 槽鋼截面慣性矩（見圖4）

查型鋼表，熱軋普通槽鋼22a的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：面積：A3=31.84(cm2)，

對Y3軸的截面慣性矩:Iy3=157.8(cm4)，

截面系數(shù)：Wy3=28.17(cm3)，形心為O3。

圖4 槽鋼截面圖Fig.4 Channel section

1.3 組合截面形心坐標(biāo)C（見圖1）

以槽鋼左上角為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系XOY，腹板形心O1至Y軸距離為

罐壁板部分形心O2至Y軸距離為:

X2=117.1+0.5=117.6(cm)

槽鋼形心O3至Y軸距離為X3=1.4+0.7=2.1(cm)

組合體形心C至Y軸距離為：

1.4 各截面對形心主軸的慣性矩

腹板：

罐壁板：Iy2‘=Iy2+(116.1+1-59.44+0.5)2A2=1.083×105（cm4）

槽鋼：Iy3‘=Iy3+(59.44-2.1)2A3=1.05×105（cm4）

組合截面：

2 抗風(fēng)圈截面系數(shù)的CAD計算方法

CAD方法的求解過程如下：

1）繪制抗風(fēng)圈截面圖形（見圖1）

2）做面域

點(diǎn)擊“繪圖-面域”，然后選擇繪制完的抗風(fēng)圈截面圖形。

3）查詢質(zhì)心坐標(biāo)

點(diǎn)擊“查詢-面域/質(zhì)量特性”，記錄下質(zhì)心坐標(biāo)。

4）將質(zhì)心設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)

輸入“UCS(坐標(biāo))-n(新建)”，然后輸入上一步查詢到的質(zhì)心坐標(biāo)，此時質(zhì)心就成為坐標(biāo)原點(diǎn)。

5）查詢截面慣性矩

再次點(diǎn)擊“查詢-面域/質(zhì)量特性”，就得到CAD查詢的最終結(jié)果。下面就是上述油罐的主力矩查詢結(jié)果：I=3 173 527 675.351 7(mm4)

6）截面系數(shù)計算

由圖中查詢到組合截面上的最大 X坐標(biāo)為594.37 mm，由此計算得截面系數(shù)為

W=3 173 527 675.3517/594.37 =5 339 313.349（mm3）

截面慣性矩查詢與計算差：

Two Types of Design Methods of Wind Girder on 50000m3Floating Roof Tank

WANG Sheng-zhi1, LAN Xiao-min2, WANG Guo-wei1
（1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China；2. School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001, China)

Aimed at the problem of the wind resistance stability of tank skin top on vertical cylindrical shaped floating roof tank, a new type of wind girder to meet the requirement of wind resistance and use as the staff passing loop was designed. The traditional method was used to calculate the coefficient of section of wind girder to determine its safety and stability. At the same time, a new design method was discussed. By applying AutoCAD graphing and relying on its region quality characteristic searching function, centroid, the main torque and section coefficient of compound section were determined, which could significantly simplify the mechanical calculation of section coefficient. The feasibility of this new method was proven by comparison of the results with the traditional one.

Floating roof tank; Wind girder; Coefficient of section; AutoCAD

TE 832；TH 126.2

A

1671-0460（2014）12-2570-02

2014-05-22

王盛智（1963-），女，遼寧撫順人，副教授，1985年畢業(yè)于西安公路學(xué)院工程力學(xué)專業(yè)，研究方向：油氣儲運(yùn)設(shè)備強(qiáng)度。E-mail：15241329549@163.com。