管道与储罐强度-油罐的应力分析
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t — 最小板厚，mm； w — 储液密度，g/ml（取值不得小于1）； H — 由该段壁板的下端至设计液位的高度，m； D — 储罐内直径，m； S — 设计许用应力，MPa； P — 设计压力，mbar(对无压储罐可忽略不计)
； C — 腐蚀裕量，mm；
4、美国API650标准（变设计点法）
底圈罐壁板计算厚度
• 大型化的优点：
– 节省钢材； – 减少投资； – 占地面积小； – 便于操作管理； – 节省管线及配件。
对油罐的基本要求
• 强度要求：卸载后，不应留下塑性变形。 • 抗断裂的能力：无论在水压试验或操作条件下
，油罐不得产生断裂。 • 抗风的能力：在建造及使用期间，在建罐地区
的最大风荷下不产生破坏。 • 抗地震能力：要求在整个使用期间，在建罐地
JIS B8501
标准风速取70m/s，距地面15m。
5.2.3 加强圈的设计和计算
• 抗风圈以下的罐壁，仍有可能被吹扁 ，需设置加强圈。
• 风压失稳由不均匀分布外压造成，和 均匀外压失稳的临界压力相比，低 13.6%。罐壁失稳按均匀外压考虑。
区的最大地震烈度下不产生破坏。 • 基础稳固：油罐基础在整个使用期间的不均匀
沉陷要在允许的范围内。
5.1 立式油罐的罐壁强度设计
• 罐壁圈板由多块钢板对接焊成，各圈罐壁的纵 缝应错开，其间距不小于500mm；
• 罐壁相邻上下圈板的连接可采用：
–（a）套筒式；（b）对接式；（c）混合式；
罐壁承受的储液静压力
海（岛）上
0.84 1.00 1.10 1.18 1.29 1.37
5.2.2 抗风圈的设计和计算
• 抗风圈设置在油罐的顶部，通常位于包 边角钢以下1m位置。
• 抗风圈的外形可以是圆的，也可以是多 边形的。
• 抗风圈是由钢板和型钢拼装成的组合断 面结构。
• 抗风圈的刚度由截面系数确定。
结构——抗风圈的扶梯穿过孔
开孔直径超 过250mm
5.2 立式钢油罐的抗风设计
• 油罐的抗风设计和计算很重要，国内外均 发生过在风力作用下罐壁产生局部失稳的 现象；
• 抗风设计的主要措施是在罐顶加设抗风圈 ，对大型油罐，除抗风圈外，在抗风圈的 下面还需加设一圈或数圈加强圈。
5.2.1 风载荷的分布和计算
• 正对着风的一 点称为驻点， 驻点的风压值 最高；
管道与储罐强度-油罐的 应力分析
2020年7月17日星期五
（1） 浮顶油罐
• 罐顶浮在油面上，随油品的收发上下浮动 ，浮顶与罐内壁之间的环行空间有可上下 移动密封装置。
• 优点：
– 不存在气体空间，减少了油品的蒸发。 – 罐顶的自重受储液支持，受力状况良好。
2万m3的浮顶油罐
最大储罐24万m3 ，国内80年代建造了4座10 m3罐。
下节点及罐壁的变形分布图
5.1.1 确定罐壁厚度的几种标准
• 中国SH3046标准（定点法） • 日本JIS B8501标准（定点法） • 英国BS2654标准（定点法） • 美国API650标准（变设计点法）
1、中国SH3046标准（定点法）
t1 — 储存预定介质时的设计厚度，mm； ρ — 储液密度，kg/m3； H — 计算的罐壁板底边至设计储液高度的距离，m； D — 储罐内直径，m； [σ] — 常温下罐壁钢板的许用应力，MPa； Φ — 焊缝系数，一般取0.9； C1 — 钢板厚度负偏差，mm； C2 — 腐蚀裕量，mm；
• 迎风面上大约 600范围受压， 其它部分是吸 力。
风压根据风速计算
• 标准风速以一般平坦地区，离地面10m高，30 年一遇的10分钟平均最大风速为依据。
对于敞口油罐，设计风压按下式计算
风压高度变化系数
离地面或海面高度，m
5 10 15 20 30 40
陆上
0.78 1.00 1.15 1.25 1.41 1.54
两者之中取最小值
各圈壁厚的变点计算法
hi-1——计算圈的下面一圈的圈板高，m； r——油罐半径，m； ti——所需计算的第i圈的罐壁计算厚度，mm； tai——根据变点位置求得的第i圈的壁厚值，mm
。
变点法到计算圈板底边的距离
式中
三式之中取最小值
变点法需反复试算迭代，计算工作量大
四种标准计算结果的比较（10万方罐）
2、日本JIS B8501标准（定点法）
t — 最小板厚，mm； ρ — 储液比重（当小于1时，取1）； H — 由该段壁板的下端至设计液位的高度，m； D — 储罐内直径，m； fm— 母材的许用应力，MPa ； Φ — 焊缝效率，一般取1.0，其中第一层取0.85
； C — 腐蚀裕量，mm。
3、英国BS2654标准定点法计算
罐壁受力图
由于罐壁厚度较小，可忽略弯曲应力，按薄膜理论考虑 。
应力
壁厚
确定罐壁厚度需要考虑的因素
• 每层罐壁板的厚度不同； • 每层罐壁板中的应力分布不均匀：
–定点法：罐壁中最大应力发生在距下端 300mm（1英尺）处；
–变点法：按罐壁板中的最大应力考虑；
• 焊缝系数； • 腐蚀裕量。
罐体 结构 示意 图
SH3046Baidu Nhomakorabea
WZ——截面模数
D——油罐内径； H——罐顶高度；
基本风压值取700Pa，距地面15m。
假设迎风面风压分布范围所对应的抗风圈区段为两端饺 支的圆拱，沿拱铀线的风呈正弦曲线分布，圆拱所对应 的圆心角为60度，并假设罐壁上半部分的迎风面风压由 抗风圈承担
API650和BS2564 标准风速取45m/s，距地面9m。
（2） 拱顶油罐
• 罐顶为球面的一 部分，由 4~6mm的薄钢 板和加强筋组成 ；
• 优点：施工容易 ，造价低；
• 缺点：中间无支 撑，罐顶直径受 到限制；
（3）内浮顶油罐
拱顶与浮顶的结合，储存贵重油品。
（4）锥顶油罐
• 顶部为自支承式、梁柱式等。
（5）悬链式油罐
也称无力矩油罐。
油罐的发展趋势——大型化
壁厚比较
四种标准计算的罐壁总重量比较（ kg）
罐壁的开孔补强
• 由于使用要求，必须在罐壁上开孔并接管 ；
• 开孔后的罐壁将在孔的附近产生应力集中 ，导致孔口疲劳破坏或脆性裂口，使孔口 撕裂；
• 补强的办法是在开孔的周围焊上补强钢板 ，增大开孔周围的壁厚；
• “等截面”补强方法。
补强板形状
开孔直径不超 过250mm
； C — 腐蚀裕量，mm；
4、美国API650标准（变设计点法）
底圈罐壁板计算厚度
• 大型化的优点：
– 节省钢材； – 减少投资； – 占地面积小； – 便于操作管理； – 节省管线及配件。
对油罐的基本要求
• 强度要求：卸载后，不应留下塑性变形。 • 抗断裂的能力：无论在水压试验或操作条件下
，油罐不得产生断裂。 • 抗风的能力：在建造及使用期间，在建罐地区
的最大风荷下不产生破坏。 • 抗地震能力：要求在整个使用期间，在建罐地
JIS B8501
标准风速取70m/s，距地面15m。
5.2.3 加强圈的设计和计算
• 抗风圈以下的罐壁，仍有可能被吹扁 ，需设置加强圈。
• 风压失稳由不均匀分布外压造成，和 均匀外压失稳的临界压力相比，低 13.6%。罐壁失稳按均匀外压考虑。
区的最大地震烈度下不产生破坏。 • 基础稳固：油罐基础在整个使用期间的不均匀
沉陷要在允许的范围内。
5.1 立式油罐的罐壁强度设计
• 罐壁圈板由多块钢板对接焊成，各圈罐壁的纵 缝应错开，其间距不小于500mm；
• 罐壁相邻上下圈板的连接可采用：
–（a）套筒式；（b）对接式；（c）混合式；
罐壁承受的储液静压力
海（岛）上
0.84 1.00 1.10 1.18 1.29 1.37
5.2.2 抗风圈的设计和计算
• 抗风圈设置在油罐的顶部，通常位于包 边角钢以下1m位置。
• 抗风圈的外形可以是圆的，也可以是多 边形的。
• 抗风圈是由钢板和型钢拼装成的组合断 面结构。
• 抗风圈的刚度由截面系数确定。
结构——抗风圈的扶梯穿过孔
开孔直径超 过250mm
5.2 立式钢油罐的抗风设计
• 油罐的抗风设计和计算很重要，国内外均 发生过在风力作用下罐壁产生局部失稳的 现象；
• 抗风设计的主要措施是在罐顶加设抗风圈 ，对大型油罐，除抗风圈外，在抗风圈的 下面还需加设一圈或数圈加强圈。
5.2.1 风载荷的分布和计算
• 正对着风的一 点称为驻点， 驻点的风压值 最高；
管道与储罐强度-油罐的 应力分析
2020年7月17日星期五
（1） 浮顶油罐
• 罐顶浮在油面上，随油品的收发上下浮动 ，浮顶与罐内壁之间的环行空间有可上下 移动密封装置。
• 优点：
– 不存在气体空间，减少了油品的蒸发。 – 罐顶的自重受储液支持，受力状况良好。
2万m3的浮顶油罐
最大储罐24万m3 ，国内80年代建造了4座10 m3罐。
下节点及罐壁的变形分布图
5.1.1 确定罐壁厚度的几种标准
• 中国SH3046标准（定点法） • 日本JIS B8501标准（定点法） • 英国BS2654标准（定点法） • 美国API650标准（变设计点法）
1、中国SH3046标准（定点法）
t1 — 储存预定介质时的设计厚度，mm； ρ — 储液密度，kg/m3； H — 计算的罐壁板底边至设计储液高度的距离，m； D — 储罐内直径，m； [σ] — 常温下罐壁钢板的许用应力，MPa； Φ — 焊缝系数，一般取0.9； C1 — 钢板厚度负偏差，mm； C2 — 腐蚀裕量，mm；
• 迎风面上大约 600范围受压， 其它部分是吸 力。
风压根据风速计算
• 标准风速以一般平坦地区，离地面10m高，30 年一遇的10分钟平均最大风速为依据。
对于敞口油罐，设计风压按下式计算
风压高度变化系数
离地面或海面高度，m
5 10 15 20 30 40
陆上
0.78 1.00 1.15 1.25 1.41 1.54
两者之中取最小值
各圈壁厚的变点计算法
hi-1——计算圈的下面一圈的圈板高，m； r——油罐半径，m； ti——所需计算的第i圈的罐壁计算厚度，mm； tai——根据变点位置求得的第i圈的壁厚值，mm
。
变点法到计算圈板底边的距离
式中
三式之中取最小值
变点法需反复试算迭代，计算工作量大
四种标准计算结果的比较（10万方罐）
2、日本JIS B8501标准（定点法）
t — 最小板厚，mm； ρ — 储液比重（当小于1时，取1）； H — 由该段壁板的下端至设计液位的高度，m； D — 储罐内直径，m； fm— 母材的许用应力，MPa ； Φ — 焊缝效率，一般取1.0，其中第一层取0.85
； C — 腐蚀裕量，mm。
3、英国BS2654标准定点法计算
罐壁受力图
由于罐壁厚度较小，可忽略弯曲应力，按薄膜理论考虑 。
应力
壁厚
确定罐壁厚度需要考虑的因素
• 每层罐壁板的厚度不同； • 每层罐壁板中的应力分布不均匀：
–定点法：罐壁中最大应力发生在距下端 300mm（1英尺）处；
–变点法：按罐壁板中的最大应力考虑；
• 焊缝系数； • 腐蚀裕量。
罐体 结构 示意 图
SH3046Baidu Nhomakorabea
WZ——截面模数
D——油罐内径； H——罐顶高度；
基本风压值取700Pa，距地面15m。
假设迎风面风压分布范围所对应的抗风圈区段为两端饺 支的圆拱，沿拱铀线的风呈正弦曲线分布，圆拱所对应 的圆心角为60度，并假设罐壁上半部分的迎风面风压由 抗风圈承担
API650和BS2564 标准风速取45m/s，距地面9m。
（2） 拱顶油罐
• 罐顶为球面的一 部分，由 4~6mm的薄钢 板和加强筋组成 ；
• 优点：施工容易 ，造价低；
• 缺点：中间无支 撑，罐顶直径受 到限制；
（3）内浮顶油罐
拱顶与浮顶的结合，储存贵重油品。
（4）锥顶油罐
• 顶部为自支承式、梁柱式等。
（5）悬链式油罐
也称无力矩油罐。
油罐的发展趋势——大型化
壁厚比较
四种标准计算的罐壁总重量比较（ kg）
罐壁的开孔补强
• 由于使用要求，必须在罐壁上开孔并接管 ；
• 开孔后的罐壁将在孔的附近产生应力集中 ，导致孔口疲劳破坏或脆性裂口，使孔口 撕裂；
• 补强的办法是在开孔的周围焊上补强钢板 ，增大开孔周围的壁厚；
• “等截面”补强方法。
补强板形状
开孔直径不超 过250mm