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油罐的尺寸选择和强度设计2022.ppt

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    • 教学内容教学内容第三章第三章 立式圆柱形油罐的尺寸选择和立式圆柱形油罐的尺寸选择和罐壁强度设计罐壁强度设计 3-1 罐壁结构罐壁结构 3-2 罐壁钢板厚度计算罐壁钢板厚度计算 3-3 立式圆柱形油罐直径和高度的选择立式圆柱形油罐直径和高度的选择*3-4 罐壁边缘应力计算(下节点计算)罐壁边缘应力计算(下节点计算)3-5 罐壁的开孔补强罐壁的开孔补强1ppt精选版精选版教学目标教学目标1、了解罐壁结构,熟练掌握罐壁厚度的、了解罐壁结构,熟练掌握罐壁厚度的定点定点设计法设计法;会用会用变点设计法变点设计法来计算罐壁厚度来计算罐壁厚度2、学会结合油罐结构特点,并按、学会结合油罐结构特点,并按材料最省材料最省和和投资费用最低投资费用最低两种类型来确定油罐的基本尺两种类型来确定油罐的基本尺寸寸油罐的直径和高度油罐的直径和高度3、了解罐壁开孔补强的原因,掌握补强的方、了解罐壁开孔补强的原因,掌握补强的方法及相关的计算公式法及相关的计算公式2ppt精选版精选版3-1 罐壁结构罐壁结构 罐壁排板罐壁排板 罐壁的纵截面一般为由下至上的逐级减薄的罐壁的纵截面一般为由下至上的逐级减薄的阶梯形,是由不同厚度的钢板焊接而成的。

      各阶梯形,是由不同厚度的钢板焊接而成的各相邻圈板的厚度,可根据计算取相等,但上圈相邻圈板的厚度,可根据计算取相等,但上圈板的厚度不得大于下圈板的厚度,即板的厚度不得大于下圈板的厚度,即titi+13ppt精选版精选版 连接形式连接形式对接对接 所有纵焊缝均采用对接,所有纵焊缝均采用对接,且必须且必须全焊透全焊透原因:由于罐壁纵焊缝直接原因:由于罐壁纵焊缝直接承受液压产生的环向拉应力,承受液压产生的环向拉应力,且且3-1 罐壁结构罐壁结构4ppt精选版精选版 为减少焊接影响和变形,相邻两圈板的纵为减少焊接影响和变形,相邻两圈板的纵向焊缝宜错开向焊缝宜错开1/3板长(向同一方向),焊缝板长(向同一方向),焊缝间距间距500mm浮顶油罐各圈板之间的连接必须采用对接,浮顶油罐各圈板之间的连接必须采用对接,且内壁齐平否则,浮顶难以随液面升降而且内壁齐平否则,浮顶难以随液面升降而上下移动上下移动3-1 罐壁结构罐壁结构5ppt精选版精选版 连接形式连接形式搭接(即套筒式)搭接(即套筒式)拱顶罐相邻上下圈板的连接可拱顶罐相邻上下圈板的连接可用套筒式搭接,如右图所示用套筒式搭接,如右图所示圈板间的搭接长度常取为圈板间的搭接长度常取为3560mm或或(68)t(t为壁厚),为壁厚),但但L搭搭 30mm。

      3-1 罐壁结构罐壁结构6ppt精选版精选版3-1 罐壁结构罐壁结构大型立式油罐如果不是浮顶罐,大型立式油罐如果不是浮顶罐,下部下部16mm的圈板之间也采用的圈板之间也采用对接,以保证焊接质量,而上部对接,以保证焊接质量,而上部较薄的圈板仍可采用套筒式搭接,较薄的圈板仍可采用套筒式搭接,这样就变成了对接这样就变成了对接搭接的混合搭接的混合式连接,如右图所示式连接,如右图所示连接形式连接形式混合式混合式7ppt精选版精选版3-1 罐壁结构罐壁结构 若对接钢板厚度若对接钢板厚度6mm,则必须开坡口;,则必须开坡口;罐壁上下圈板采用套筒式搭接时,罐壁外罐壁上下圈板采用套筒式搭接时,罐壁外侧角焊缝采用连续焊,其焊脚高度侧角焊缝采用连续焊,其焊脚高度 焊缝上侧焊缝上侧壁厚的壁厚的2/3,且,且 4mm,罐壁内侧角焊缝常采,罐壁内侧角焊缝常采用间断焊;但对腐蚀性介质,仍采用连续焊,用间断焊;但对腐蚀性介质,仍采用连续焊,以避免搭接缝隙的腐蚀以避免搭接缝隙的腐蚀连接注意事项连接注意事项8ppt精选版精选版3-1 罐壁结构罐壁结构 圈板宽度越小,阶梯形折线越趋近于理论圈板宽度越小,阶梯形折线越趋近于理论计算直线,材料也就越省,但环焊缝数就越计算直线,材料也就越省,但环焊缝数就越多,增加了制造安装工作量。

      多,增加了制造安装工作量圈板宽度圈板宽度hi 若底层圈板太窄,则由边缘力所引起的最若底层圈板太窄,则由边缘力所引起的最大环向应力有可能落在上层圈板的下部,从大环向应力有可能落在上层圈板的下部,从而造成上圈板比底圈板厚的不合理现象而造成上圈板比底圈板厚的不合理现象故故圈板宽度不宜太窄!圈板宽度不宜太窄!?9ppt精选版精选版3-1 罐壁结构罐壁结构根据根据API650推荐,圈板推荐,圈板hmin 1.83米,而根据米,而根据我国实际,钢板宽度下限为:我国实际,钢板宽度下限为:D16.5m,h1m D16.5m,h0.5m10ppt精选版精选版3-2 罐壁钢板厚度计算罐壁钢板厚度计算 理论基础:理论基础:轴对称回转薄壳的无力矩理论和第一轴对称回转薄壳的无力矩理论和第一强度理论强度理论第一强度理论认为:不论材料处于何种应力状态,只要材第一强度理论认为:不论材料处于何种应力状态,只要材料最大拉应力料最大拉应力1达到材料单向拉伸断裂时的最大拉应力即达到材料单向拉伸断裂时的最大拉应力即强度极限强度极限b,材料将发生断裂故材料的断裂条件为:,材料将发生断裂故材料的断裂条件为:当该理论应用于构件的强度计算时,其强度条件为:当该理论应用于构件的强度计算时,其强度条件为:11ppt精选版精选版油罐在接近常压的条件下贮存油品时,罐壁油罐在接近常压的条件下贮存油品时,罐壁沿高度所受内压力主要是液体静压和较低的沿高度所受内压力主要是液体静压和较低的蒸汽压力。

      蒸汽压力在液面以上罐壁仅受蒸汽压力在液面以上罐壁仅受蒸汽压力p0的影响,而距的影响,而距罐底罐底y处的压力为处的压力为py=p0+(H-y)g一、罐壁强度条件一、罐壁强度条件12ppt精选版精选版一、罐壁强度条件一、罐壁强度条件业已导出罐壁经向与环向应力业已导出罐壁经向与环向应力和和分别为:分别为:显然:显然:D13ppt精选版精选版一、罐壁强度条件一、罐壁强度条件故按液面以下即故按液面以下即Hy0处的最大环向应力进处的最大环向应力进行罐壁强度设计行罐壁强度设计由第一强度理论得:由第一强度理论得:最大环向应力所在处!最大环向应力所在处!14ppt精选版精选版 靠近罐底部的圈板按强度条件计算,靠近靠近罐底部的圈板按强度条件计算,靠近罐顶部的圈板按刚度条件设计;罐顶部的圈板按刚度条件设计;按强度条件设计的圈板应以该圈板上的最按强度条件设计的圈板应以该圈板上的最大环向应力计算;大环向应力计算;储存油品密度(即容重)比水小,则按静储存油品密度(即容重)比水小,则按静水压考虑;反之,按油品实际密度计算水压考虑;反之,按油品实际密度计算二、罐壁钢板厚度设计原则二、罐壁钢板厚度设计原则 中小型油罐的壁厚计算可采用定点法,而中小型油罐的壁厚计算可采用定点法,而大型油罐多采用变点法。

      大型油罐多采用变点法15ppt精选版精选版 定点设计:按距各圈板下端相同位置的环向应力定点设计:按距各圈板下端相同位置的环向应力计算各圈板的壁厚计算各圈板的壁厚三、中小型油罐壁厚的定点设计三、中小型油罐壁厚的定点设计 壁厚计算:壁厚计算:据理论分析和实验测定,对于中小型罐,各圈板环向据理论分析和实验测定,对于中小型罐,各圈板环向应力最大的点不一定在圈板的最下端,而在应力最大的点不一定在圈板的最下端,而在圈板下端圈板下端以上约以上约0.3m的位置,则:的位置,则:注意各量意注意各量意义及单位!义及单位!(3-2)16ppt精选版精选版上式中:上式中:H 计算圈板底边至罐壁顶端(当设有溢流口时,应计算圈板底边至罐壁顶端(当设有溢流口时,应至溢流口下沿)的垂直高度,至溢流口下沿)的垂直高度,m;D 油罐直径,油罐直径,m;t0由强度条件计算的壁厚,由强度条件计算的壁厚,mm;设计温度下罐壁钢板的许用应力,设计温度下罐壁钢板的许用应力,kgf/mm2;储液容重,当储液容重,当储液储液1t/m3时,取储液实际容重;时,取储液实际容重;当当储液储液1t/m3时,取时,取1t/m3;焊缝系数,取焊缝系数,取0.9。

      三、中小型油罐壁厚的定点设计三、中小型油罐壁厚的定点设计17ppt精选版精选版 式中:式中:t 罐壁设计厚度,罐壁设计厚度,mm;t0 罐壁计算厚度,罐壁计算厚度,mm;C0钢板厚度允许负偏差,钢板厚度允许负偏差,mm;C 腐蚀裕量,腐蚀裕量,mm,根据油品腐蚀性能和对油罐,根据油品腐蚀性能和对油罐使用年限的要求确定使用年限的要求确定3-13-1)考虑到钢板的负偏差和储存介质的腐蚀性,则罐壁考虑到钢板的负偏差和储存介质的腐蚀性,则罐壁设计厚度为:设计厚度为:三、中小型油罐壁厚的定点设计三、中小型油罐壁厚的定点设计18ppt精选版精选版 钢板规格钢板规格(P49表表3-3)由式(由式(3-1)计算的壁厚须按钢板规格选取,故)计算的壁厚须按钢板规格选取,故需将其向上圆整需将其向上圆整四、中小型油罐壁厚选用注意事项四、中小型油罐壁厚选用注意事项 鉴于大型油罐进行焊后热处理(为消除残余应力)鉴于大型油罐进行焊后热处理(为消除残余应力)十分困难,故需要限制油罐的最大壁厚十分困难,故需要限制油罐的最大壁厚各国规定最大壁厚一般不超过各国规定最大壁厚一般不超过38mm,高强度钢,高强度钢可取到可取到45mm;国内罐壁钢板的最大厚度可按;国内罐壁钢板的最大厚度可按P49表表3-2选取。

      选取最大壁厚要求最大壁厚要求19ppt精选版精选版 最小壁厚要求最小壁厚要求按式(按式(3-1)算得的油罐上部壁厚较薄,这容易造成)算得的油罐上部壁厚较薄,这容易造成施工变形过大,安装后圆度不易保证,抗风能力不施工变形过大,安装后圆度不易保证,抗风能力不足,使用寿命也会受到影响足,使用寿命也会受到影响四、中小型油罐壁厚选用注意事项四、中小型油罐壁厚选用注意事项为了满足油罐安装和使用的稳定要求,壁厚应符合为了满足油罐安装和使用的稳定要求,壁厚应符合最小壁厚的规定,详见最小壁厚的规定,详见P48表表3-120ppt精选版精选版五、罐壁厚度的变点设计五、罐壁厚度的变点设计 变点设计概念:变点设计概念:据各圈板下端不同位置的据各圈板下端不同位置的环向应力计算各圈板壁厚的方法环向应力计算各圈板壁厚的方法设计思路:设计思路:考虑到罐壁相邻圈板之间的相考虑到罐壁相邻圈板之间的相互影响,确定各圈板最大环向应力的位置,互影响,确定各圈板最大环向应力的位置,并以此计算各圈板的壁厚并以此计算各圈板的壁厚21ppt精选版精选版 变点设计优点:变点设计优点:比定点设计更符合罐壁应力的实际情况;比定点设计更符合罐壁应力的实际情况;对大容量罐,可减少某些圈板的壁厚,从对大容量罐,可减少某些圈板的壁厚,从而节省钢材;而节省钢材;在在tmax范围内可选更大直径的罐。

      范围内可选更大直径的罐五、罐壁厚度的变点设计五、罐壁厚度的变点设计22ppt精选版精选版3-3 立式圆柱形油罐直径和高度的选择立式圆柱形油罐直径和高度的选择*设计油罐的首要问题:设计油罐的首要问题:油罐的基本尺寸油罐的基本尺寸直径直径D和高度和高度H设计原则:设计原则:材料最省、建设费用最低材料最省、建设费用最低基本思想:基本思想:在在V设设C时,可从时,可从D和和H的无数组合的无数组合中找到一组最佳的,以满足设计原则中找到一组最佳的,以满足设计原则方法:方法:建立数模建立数模Qf(D,H),令,令Df/DH0即可即可得到得到D,H23ppt精选版精选版一、等壁厚罐材料最省的直径和高度一、等壁厚罐材料最省的直径和高度设罐半径为设罐半径为R,高为,高为H,容积为,容积为V,壁厚为,壁厚为tsmin,底板厚为,底板厚为tb,顶板厚为,顶板厚为tr,且假设罐底,且假设罐底和罐顶为圆板,则罐各部分的材料用量为:和罐顶为圆板,则罐各部分的材料用量为:罐壁:罐壁:罐顶:罐顶:罐底:罐底:24ppt精选版精选版总材料用量:总材料用量:一、等壁厚罐材料最省的直径和高度一、等壁厚罐材料最省的直径和高度25ppt精选版精选版一、等壁厚罐材料最省的直径和高度一、等壁厚罐材料最省的。

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