基于包邊角鋼加強區的20 000 m3內浮頂油罐罐頂結構優化設計

何 禹 大慶油田工程有限公司

基于包邊角鋼加強區的20 000 m3內浮頂油罐罐頂結構優化設計

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針對某20 000 m3內浮頂油罐罐頂結構的設計，可將包邊角鋼加強區，即包邊角鋼以及包邊角鋼在罐頂及罐壁兩側的各16倍壁厚范圍的區域，考慮到罐頂設計之中。經過計算、分析對比可以看出，按照包邊角鋼加強區設計的罐頂結構比常規設計的罐頂結構有效截面積大，結構穩定性強，且在包邊角鋼與罐壁及罐頂連接處結構變化平穩，沒有應力突變問題。

20 000 m3內浮頂油罐；罐頂；包邊角鋼加強區；結構

隨著我國石油化工工業的不斷發展，對大型儲罐的需求量越來越大，對于大型儲罐的結構設計，越發顯示其重要性，安全合理的結構設計，可提高強度且用料省，譬如，20 000 m3內浮頂油罐的罐頂結構設計，若將包邊角鋼加強區的概念引入到其設計當中，罐頂結構比常規設計的罐頂結構將有很大改進。

1 罐頂結構

20 000 m3內浮頂油罐罐頂采用雙子午網殼頂。雙子午網殼頂由空間桿件預制成為球面網架，然后在球面網架上面鋪設鋼板形成球殼，組成完整的密封罐頂。罐頂上的外部荷載全部由網架承受，球殼只是起密封作用的蒙皮，在設計中不考慮球殼板的承載能力。在罐頂與罐壁連接處設置包邊角鋼，以承受從罐頂傳來的橫向力，此橫向力是因罐內或罐外壓力而產生的水平分力。包邊角鋼的結構形式有很多種，設計中采用邊錐板的結構形式，見圖1。

圖1 罐頂與罐壁的結構形式

2 包邊角鋼加強區在設計中的應用

包邊角鋼以及包邊角鋼在罐頂及罐壁兩側的各16倍壁厚范圍的材料共同承受水平力，此區域成為包邊角鋼（共同）加強區[1]。以本次設計的20 000 m3內浮頂油罐為例，設計基本參數見表1。

表1 設計基本參數

按照《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范（GB 50341—2003）》，罐壁計算厚度公式td=及相關抗震及抗風計算，其中腐蝕余量取1 mm，可得頂圈壁板，材質為Q235B，設計壁厚為3.759 mm，名義厚度取8 mm，寬度為1 980 mm。罐頂與罐壁板相連接處的邊錐板，按照自支撐式拱頂的有效抗拉截面積校核公式A≥4.6DR2[2]計算。式中A為固定頂罐罐頂與罐壁連接處有效截面積(mm2)；R2為罐頂與罐壁連接處頂板到罐中心線的垂直距離(mm)。經計算可得，材質為Q345R，邊錐板最小長度為300 mm，厚度為20 mm，罐壁有效截面積及邊錐板有效面積之和為6 767.3 mm2。

當設計外載荷＞2.2 kPa時，需要的有效截面積應按計算值乘以設計外載荷除以2.2，有效截面積的計算，采用《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》的規定，在有效面積上，當承受外載時為拉應力，承受內載荷時為壓應力。

如果考慮包邊角鋼加強區的作用，則與邊錐板相連接的罐壁，在16倍壁厚范圍內，可設計為包邊角鋼加強區，此范圍內的厚度可不按罐壁考慮，厚度可大于頂圈罐壁的名義壁厚（《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范（GB 50341—2003）》第6.1.2條規定，上圈壁板厚度不得大于下圈壁板的厚度），此時邊錐板及罐壁側包邊角鋼加強區的設計尺寸按自支撐式拱頂的有效抗拉截面積校核計算，其中腐蝕余量取1 mm，可計算出在罐壁側加強區的鋼板材質為Q235B，厚度為14 mm，高度為500 mm；邊錐板材質為Q345R，厚度為14mm，長度為300 mm；罐壁有效面積及邊錐板有效面積之和為7 220.9 mm2。

3 結論

經過計算、分析對比可看出，將包邊角鋼加強區，即包邊角鋼以及包邊角鋼在罐頂及罐壁兩側的各16倍壁厚范圍的區域，考慮到罐頂設計之中時，按照包邊角鋼加強區設計的罐頂結構比常規設計的罐頂結構有效截面積大、結構穩定性強，且在包邊角鋼與罐壁及罐頂連接處結構變化平穩，沒有應力突變問題。

[1]徐英，楊一凡，朱萍．球罐和大型儲罐：第一版[S]．北京，化學工業出版社，2005：222-224.

[2]傅偉慶．立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范：GB 50341—2003[S]．北京：中國計劃出版社，2003：27-41.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.022

何禹:工程師，主要從事壓力容器非標設備設計。

2015-01-21

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