鋼制儲罐帶肋球殼設計質量控制

顏志偉

(廣東寰球廣業工程有限公司 設備室，廣東 廣州 510655)

鋼制儲罐帶肋球殼設計質量控制

顏志偉

(廣東寰球廣業工程有限公司 設備室，廣東 廣州 510655)

文章結合相關設計工作經驗，推導了外置加強肋球殼的穩定性校核的相關公式，給出了幾種常見規格儲罐的穩定性計算結果，并結合實例對帶肋球殼排板提出了建議。

帶肋球殼；外置加強肋；穩定性；排板

帶肋球殼結構是當前使用最廣泛的大型儲罐罐頂結構，相對于桁架式和柱支撐式錐頂等結構而言，帶肋球殼節省鋼材、制作安裝簡單、安全可靠，有著其他結構不可替代的優勢。外壓穩定性是影響帶肋球殼安全的主要原因，也是其設計的主要控制因素。王紅福等[1]對儲罐罐頂失穩案例進行了研究，指出操作不當引起的外載荷超載、頂板腐蝕減薄及安裝制造缺陷是導致罐頂失穩的主要原因。賈磊等[2]對拱頂油罐罐頂爆裂原因進行分析，提出了蒸汽吹掃過程中預防儲罐罐頂爆裂的相關措施。當前國內較成熟的儲罐設計規范是GB50341，其主要引用美國儲罐規范API 650的設計思想，且加入了帶肋球殼的計算內容。多數情況下,加強肋板置于球殼內部，但對介質腐蝕性強、易聚合、易結晶等場合[3]，肋板外置又不可避免。GB50341的計算模型只考慮加強肋置于儲罐內部的情形，對于外置加強肋的計算，當前國內尚沒有比較成熟的設計規范，設計成果的質量很大程度上依賴于設計者的經驗。

罐頂排板是鋼制儲罐設計和制造過程中一道非常重要的工序，合理的排板方案必須綜合考慮規范要求、鋼材利用率、焊縫數量和長度等多方面因素，排板過程往往是靈活多變、不斷優化的過程。

本文將從外置加強肋球殼的穩定性校核和罐頂排板兩個方面對帶肋球殼設計質量的控制進行論述。

1 外置加強肋球殼穩定性校核

外壓(或負壓)作用下的穩定性是罐頂設計的主要控制因素，API650只給出了光頂球殼的許用外壓公式，GB50341附錄H將帶肋球殼的折算厚度作為球殼的當量厚度，以頂板厚度與當量厚度比值的平方根作為系數對API650的公式進行修正，得到了帶肋球殼的許用外載荷計算公式[4]。GB50341的計算模型為頂板在上，加強肋板在下起支撐作用，當承受外壓時，加強肋板可限制頂板變形，從而起到加強罐頂穩定性的作用。當加強肋板外置時，頂板在下，肋板在上，在外壓作用下，受力模型與肋板內置時有所不同，GB50341的計算模型并不能適用于此種情況，當前國內尚沒有比較成熟的規范可解決此問題。

1.1 失穩翹曲應力

張薇等[3]參考德國儲罐規范DIN4119對外置肋板球殼的穩定性進行了核算，本文對其公式進行推導和簡化，得到外置加強肋球殼的失穩翹曲應力中判定系數K的計算公式如下：

(1)

R-儲罐半徑，m；n-頂板分塊數量；a-罐頂曲率半徑，m；tD-頂板有效厚度，m；

且應滿足：

PB—失穩翹曲應力，kPa。

1.2 加強肋最小截面慣性矩

根據DIN4119規范，對于帶肋拱頂結構而言，罐頂加強肋板的最小截面慣性矩計算公式如下：

(2)

(3)

β—與加強肋板結構有關的系數，β≤1 ；ν—罐頂計算安全系數；Ht—罐頂高度，m；mt—單根肋板重量，kg；m—罐頂板重量，kg；P0—設計外壓，kPa。

對于常用拱頂儲罐β可取為1[5]，對于其他類型儲罐，取該系數為1可以使最小截面慣性矩的結果偏大，其設計結果是偏安全的；而安全系數ν則需要由設計者根據實際情況并綜合考慮安全性與經濟性來確定，本文取ν=2；則上述公式可簡化為：

(4)

1.3 實際計算結果

應用上述公式，本文作者分別對1000 m3、3000 m3、5000 m3和10000 m3四種儲罐的穩定性進行驗算，計算結果列于表1。本文同樣計算了上述四種規格儲罐在肋板內置情況下的許用外壓等數據，列于表2。

表1 外置肋板球殼穩定性校核結果Table 1 Result of stability checking of spherical shell with outer reinforcement rib

表2 內置肋板球殼計算結果Table 2 Result of stability checking of spherical shell with inner reinforcement rib

上述表格中四種規格儲罐頂板分塊數分別為26、22、22、24，外置徑向加強肋用工字鋼，緯向肋用與內置時同規格的扁鋼，表1中慣性矩皆是徑向肋板的截面參數。表1中所用徑向加強肋的規格是綜合考慮頂板分塊、肋板分布、所需截面慣性矩和失穩翹曲應力的試算結果，由表1的計算結果可以看出，儲罐直徑越大，所需的截面慣性矩將越大，由表2中最后兩列數據可以看出，外置肋板結構總重遠大于相應內置結構的肋板重，且內置肋板結構的受力情況要優于外置肋板結構。因此，本文作者認為，在非必須情況下，設計者應優先選取肋板內置。

2 罐頂排板

在滿足標準規范的要求下，帶肋球殼排板的基本原則是：保證結構安全可靠，盡量減少焊縫數量和長度，有利于拼板并減少鋼板利用率。由于影響因素眾多，罐頂排板方案往往不是唯一的，不同的設計方案往往有不同的側重點，本文作者將結合相關設計工作經驗，對帶肋球殼排板提出幾點建議。

首先，經驗表明，徑向加強肋的加強作用遠遠大于緯向加強肋，故設計中成熟的做法是盡量保證徑向肋不斷開。為滿足徑向肋與頂板截面形成GB50341附錄H所述的兩端支撐結構，徑向肋板端部應與中心頂板環向加強肋相連，如圖1示。為滿足儲罐施工規范GB50128[6]對于焊縫間距L不得小于200 mm的要求，當R1分別取1.8 m和1.9 m時，該處徑向肋板數(即頂板分塊數)都不得大于28。為滿足GB50341附錄H.1.2肋板間距不得大于1.5 m的要求，對于直徑為D的儲罐，當肋板外翻時和肋板內翻時，靠近罐壁處徑向肋板數分別不得小于π(D+50+2t)/1.5、π(D-50)/1.5。

其次，對于直徑較大的拱頂，為解決前文所述焊縫間距和肋板間距的矛盾，常用圖2示結構，在徑向肋板間距為1.5 m附近設一圈緯向肋(該處距罐中心線間距為R)，以此圈緯向肋為界，頂板靠近罐中心側下設一塊徑向肋，靠近罐壁側下設2塊以上徑向肋。當頂板弧長大于12m時或考慮拼板方便，可以按前述在R處將頂板分成兩帶，內外帶頂板搭接連接。以10000 m3(30×16.62)儲罐為例，本文作者在設計時考慮：為符合前文所述的焊縫距離和肋板間距要求，在距罐中心線11.5 m處將頂板分成兩帶，將內帶頂板分成24塊，每塊頂板下設一塊徑向肋，外帶頂板同樣分為24塊，為保證靠近罐壁處肋板環向間距小于1.5 m，外帶每塊頂板下設3塊徑向肋，其結構如圖3示，該結構即滿足了規范的相關要求，同時也減少的焊縫長度，且拼板結果表明鋼材能得到比較充分的應用。

圖3 10000立罐頂板分板圖

3 結語

本文作者經過對現有研究結果的推導和簡化，得到了外置加強肋球殼的失穩翹曲應力及加強肋最小截面慣性矩的計算公式，并對幾種常用規格儲罐外壓穩定性進行了校核，并對結果進行了討論。本文對帶肋球殼罐頂排板給出了建議，本文的穩定性計算模型以及罐頂排板的相關建議可為儲罐設計過程中肋板選用、罐頂結構設計等提供參考。

[1] 王紅福，張明廣.儲罐罐頂的失穩分析[J].油氣儲運,2002,21(5):49-52.

[2] 賈 磊.拱頂油罐罐頂爆裂的原因分析及預防措施[J].油氣儲運,2002,21(8):52-54.

[3] 張 薇，夏 莉.帶加強肋的儲罐罐頂設計探討[J].石油化工設備技術,2010,31(5):13-15.

[4] 中國石油天然氣集團公司.GB 50341-2014 立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范[S].北京: 中國計劃出版社,2014.

[5] DIN4119-1.2 Deutsches Institut fur Normng e.V[S].DIN：in English，the German Institute for Standardization,1961.

[6] 中國石油天然氣集團公司.GB 50128-2014 立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工規范[S].北京: 中國計劃出版社,2014.

(本文文獻格式：顏志偉.鋼制儲罐帶肋球殼設計質量控制[J].山東化工,2017,46(11):141-142,144.)

Control of the Design Quality for Spherical Shell with Rib Reinforcement

YanZhiwei

(HQCEC(Guangye) Co.,Ltd., Guangzhou 510655,China)

Combined with relevant design experience, this paper derived the formula of stability checking for spherical shell with outer reinforcement rib, and showed the result of stability checking of several common tanks, some suggestions of annular plates has also been given.

spherical shell; the outer reinforcement rib; stability; annular plates

2017-04-10

顏志偉(1989—)，男，湖南常德人，助理工程師，碩士，主要研究方向為化工設備設計。

TQ053.2

B

1008-021X(2017)11-0141-02