大型储罐设计计算中的抗震验算

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第1期

大型储罐设计计算中的抗震验算

姜国平1，白志浩2

（1.北方民族大学化工学院， 宁夏 银川 750021）（2.中国石油宁夏石化公司， 宁夏 银川 750021）

[摘 要] 介绍了石油化工大型储罐设计计算中容易被忽视的抗震计算等重要内容，用实例说明了抗震计算的程序和步骤，该方法可简化计算过程，提高设计效率，提高大型储罐设计的安全性和可靠性。[关键词] 大型储罐；设计计算；抗震验算；可靠性

作者简介：姜国平（1966—），男，高级工程师，北方民族

大学化工学院过程装备与控制工程专业教师。

抗震设计是大型储罐设计的重要环节。由于储罐抗震性能不好加之抗震措施不到位，因而在近年来国内外发生的地震灾害中，储罐的地震危害屡见不鲜。更为严重的是储罐的损坏有时还伴随着火灾、爆炸和环境污染等次生灾害发生。因此，大型储罐在设计计算中，抗震验算不容忽视。

1 大型储罐设计中的抗震验算方法

立式钢制圆柱形储罐对于承受静液压力是非常有效的，能充分发挥金属的抗拉能力，具有很好的延展性，同时节省材料，在工程中得到广泛应用。由于静液压力随液深而增加，所以储罐往往设计成变壁厚的圆柱壳；对于一般的储罐，罐半径R 与最厚的底圈壁板厚度δ之比往往超过1000，设计罐壁时只考虑环向拉应力作用，不考虑边缘应力引起的弯曲应力。

在设计大型储罐时，设计者往往根据GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》，根据储罐的设计温度、油品腐蚀特性、材料使用部位、材料的化学成分、力学性能、焊接性能及安全可靠性和经济合理性选用各部分的材料后，计算各圈壁板厚度、核算罐壁筒体许用临界压力以确定抗风圈的设置，确定罐顶与罐壁连接的有效面积等设计规范正文中所涉及到的设计计算，但却会忽视非规范正文部分的抗震验算等重要计算内容。本文结合不久前完成的20000m 3原油储罐的抗震验算，探讨大型储罐的抗震验算方法。

设计条件：储罐直径 D=42000mm ；最大液面高度：Hw=15400mm ；

罐壁距底板1/3高度处的有效厚度：δ3=12.7mm ；

油罐内半径：R=21000mm ；储罐内储液总量：m1=21336kg ；底圈壁板有效厚度：t=18.7mm ；底圈罐壁材料设计温度下弹性模量：E=2.045×105MPa ；

罐壁底部垂直荷载：N 1=493359kg ；抗震设防烈度：8度；设计地震分组：第一组；场地土类别：Ⅱ。

1.1 储罐的罐液耦连振动基本周期

Tc=KcHw(R/δ3)0.5

根据D/Hw=2.727查规范附录D 表D.3.3用插入法得Kc=0.48×10-3

代入上式，得Tc ≈0.30s

1.2 储液晃动基本周期Tw=KsD 0.5

根据D/Hw=2.727查规范附录D 表D.3.2用插入法得Ks=1.121

代入上式，得Tw ≈7.267s

1.3 罐壁底部水平地震剪力

Q 0=10-6Cz αY 1mg m=m1Fr

根据D/Hw=2.727查规范附录D 表D.3.4用插入法得F r =0.4187

代入上式，得m=8932.8kg

α值根据T 值及反应谱特征周期Tg 及地震影响系数最大值αmax 按下图计算：

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论文广场

石油与化工设备2011年第14卷

图1 地震影响系数α系数

◆参考文献

[1] GB50341-2003，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].[2] 湛卢炳等编.大型储罐设计[M].上海：上海科学技术出版 社，1986.

[3] 徐英等编.球罐和大型储罐[M].北京：化学工业出版社，

2004.

收稿日期：2010-11-15；修回日期：2010-12-01T 为油罐基本周期，当计算罐壁底部水平地震剪力及弯矩时，T 采用储罐的罐液耦连振动基本周期Tc=0.30s ，按表D.3.1-1选取Tg=0.35，从反应谱曲线看出此时α=αmax

查表D.3.1-2得αmax =0.45

把以上数据代入Q 0=10-6C z αY 1m g ，得Q 0=0.01735MN

1.4 罐壁底部的地震弯矩

M 1=0.45Q 0H w ，将以上数据代入，得M 1=0.1202MN•m

1.5 水平地震作用下，罐内液面晃动波高

hv=1.5αR ，此时α应根据液体晃动基本周期Tw 及αmax 按反应谱曲线选取，

T=Tw=7.267s

α=(3.5Tg/T 2)0.9，αmax =0.0152代入hv=1.5αR ，得hv=0.4788m

1.6 罐壁许用临界应力

〔σc r 〕=0.15E t /D ，代入得〔σc r 〕=13.658Mpa

2 抗震验算

地震作用下罐壁底部产生的最大轴向压应力σ1=CvN 1/A 1+C l M 1/Z 1

计算Z 1=0.785D 2t ，A 1=πDt ，代入M 1，N 1，得σ1=6.364Mpa

σ1≤〔σcr 〕，验算合格。

如果在实际设计中验算不合格，则应考虑适

当增大板厚或选用高强度壁板和边缘板，直到验算合格为止。

在大型储罐设计过程中通常会参考国内、国外的相关油罐标准进行设计和计算，有时按照石油化工设备抗震计算规范进行计算时，若不符合该规范的要求，也会采用土建的抗震计算公式或塔器的地震载荷公式进行计算，按照上述几种计算方法所得出的结果，基本在一个合理的范围之内，可通过对照进行优化设计。此外，有时在设计过程中参考并采用了类似于裙座地脚螺栓座的结构进行局部加强，所以罐底的主要载荷由局部加强圈结构承受，角焊缝处不承受主要应力，因此通常认为是安全的。一般只要考虑其焊缝质量及密封性就可以了。

3 结论

通过算例表明，本文所提出的抗震设计方法，能够更加准确地考虑储罐的抗震设计问题。大型储罐抗震计算方法很多，但上述设计计算是优先选用的方法，其它方法可以作为它的补充和计算精确度的验证。