管道及储罐强度设计题目整合

管道及储罐强度设计（第二次）

改动的地方:简答题第三题，计算题第一题，计算题第十一题

名词解释

1.工作压力

在正常操作条件下，容器可能达到的最高压力

2．材料强度

是指载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力。屈服点和抗拉强度是钢材常用的强度判据。

3．储罐的小呼吸

罐内储液(油品)在没有收、发作业静止储存情况下，随着环境气温、压力在一天内昼夜周期变化，罐内气相温度、储液(油品)的蒸发速度、蒸气(油气)浓度和蒸气压力也随着变化，这种排出或通过呼吸阀储液蒸气(油气)和吸入空气的过程叫做储罐的小呼吸

4.自限性

局部屈服或小量塑性变形就可以使变形连续条件得到局部或全部的满足，塑性变形不再继续发展并以此缓解以致完全消除产生这种应力的原因。

5．无力矩理论(薄膜理论)

假定壁厚与直径相比小得多，壳壁象薄膜一样，只能承受拉(压)应力弯曲内力的影响，而不能承受弯矩和弯曲应力，或者说，忽略这样计算得到的应力，称薄膜应力。

6．壳体中面

壳体厚度中点构成的曲面，中面与壳体内外表面等距离。

7．安全系数

考虑到材料性能、载荷条件、设计方法、加工制造和操作等方面的不确定因素而确定的质量保证系数。

8．容器最小壁厚

由刚度条件确定，且不包括腐蚀裕量的最小必须厚度。

(1)对碳素钢、低合金钢制容器：

(2)对高合金钢制容器：

不小于2mm

(3)对封头：

9.一次应力

一次应力:由于压力和其他机械荷载所引起与内力、内力矩平衡所产生的，法向或切向应力，随外力荷载的增加而增加。

10.储罐的小呼吸损耗

罐内储液(油品)在没有收、发作业静止储存情况下，随着环境气温、压力在一天内昼夜周期变化，罐内气相温度、储液(油品)的蒸发速度、蒸气(油气)浓度和蒸气压力也随着变化，这种排出或通过呼吸阀储液蒸气(油气)和吸入空气的过程所造成的储液(油品)损耗称作储罐小呼

吸损耗

11耦联振动周期和波面晃动周期

耦联振动周期：罐内液体和储罐结合在一起的第一振动周期。

波面晃动周期：罐内储液的晃动一次的时间

12压力容器工艺设计

工艺设计

1.根据原始参数和工艺要求选择容器形式，要求能够完成生产任务、有较好的经济效益;

2.通过工艺计算确定主要尺寸。

13机械设计

机械设计

1.受力部件应力分析、选材，确立具体结构形式、强度计算、确定各部件结构尺寸;

2.绘制容器及其零部件的施工图。

14韧性

指材料断裂前吸收变形能量的能力，材料韧性一般随着强度的提高而降低。

15刚度

是过程设备在载荷作用下保持原有形状的能力，刚度不足是过程设备过度变形的主要原因之一。

16.最低设计温度

所谓储罐的最低设计温度是指储罐最低金属温度。它是指设计最低使用温度与充水试验时的水温两者中的较低值。设计最低使用温度是取建罐地区的最低日平均温度加13℃o设计温度低于-20℃的特殊情况，必须考虑低温对材料性能、结构形式等方面的影响。设计温度等于低于-20℃的储罐，应当按照低温储罐设计，设计温度的下限由特定的工况确定。

17.薄膜应力

沿截面均匀分布的应力，平均应力。

18.弯曲应力

梁、板等结构弯曲产生的应力。

19.结构不连续应力

结构不连续区域满足变形协调条件产生的应力。

20.有力矩理论

认为壳体虽然很薄，但仍有一定的厚度和刚度，因而壳体除拉(压)应力，外还存在弯矩和弯曲应力，实际上，理想的薄壁壳体是不存在，即使壁很薄壳体中或多或少存在弯曲应

力。

21旋转薄壳

由回转曲面的中间面形成的壳体称为回转壳体。

经线：母线在旋转过程中的任一位置。

纬线：圆锥法平面与旋转曲面的交线。

22名义厚度

指设计厚度加上钢材厚度负偏差向上圆整至钢材的标准规格厚度。即标注在图样上的厚度。

23设计压力

在设计温度下用以确定容器壳体厚度的压力，其值大于工作压力。24计算压力

在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。

25安全系数

考虑到材料性能、载荷条件、设计方法、加工制造和操作等方面的不确定因素而确定的质量保证系数。

简答题

1. 简述油罐基础沉陷的类型及危害？

（1）、均匀沉陷

沉陷只有达到很严重的程度时才会造成损坏

（2）、整体倾斜不均匀沉陷

当油罐倾斜时，油面处的平面变成椭圆的。对于机械密封浮顶油罐，其调节量较小，可能会把浮船卡住。如采用软密封时，一般不存在这个问题。

（3）、盘形不均匀沉陷

罐底周边的沉降量比中心沉降量一般要小30%～40%，这种沉陷也不造成真正威胁

（4）、壁板周边的不均匀沉陷

（5）、壁板周边的局部沉陷

此两类沉陷是最危险的沉陷类型。由于罐壁在垂直方向的刚性是很大的，当下部基础沉陷时就会使罐底与罐壁间的角缝和罐底的边缘板受力状况急剧恶化。

2. 简述浮顶油罐浮顶设计必的四个准则。

第一准则的要求：单盘板和任意两个相邻舱室同时破裂（泄露）时浮顶不沉没。

（1）下沉深度不大于外边缘板的高度，且有一定裕量。 可用下式表达：

3b T T α≥++?

式中 3b -外边缘板的高度，m; T -当a=0时的下沉深度，m ；

T α -由于a ≠ 0而引起的浸没深度的增加量，m ； ? -安全裕量，m ；

（2）下沉深度不大于内边缘板高度，且应留有一定裕量。 可用下式表示： 1b T T g α≥+-+?

式中：1b -内边缘板的高度，m ； g – 浮船尺寸，m ；

第二准则是在整个罐顶面积上有250mm 深的雨水积存在单盘上时浮顶不沉没。

第三准则为在操作时单盘与储液之间不存在油气空间 单盘的安装高度C 应满足以下条件： min max C C C << （上下限） 浮顶的强度及稳定性校核（第四准则）

浮顶除符合前三个准则的要求外，还要保证在上述条件下，浮顶不会因强度不够而破坏，也不会因失去稳定而失效。

3. 简述地震对油罐的破坏效应有哪些，简要分析破坏效应产生的原

因。

(1)油罐壁板最下一层局部外凸

由于地震时在水平加速度的作用下，由于倾倒力矩造成罐壁一侧的压应力超过其临界压应力值，罐壁屈曲造成的

(2) 罐壁与罐底间角焊缝开裂

地震时水平加速度作用下水平惯性力使角焊缝中的剪应力超

过其剪切强度极限

(3)罐壁板最下一层沿圆周形成圆环状凸出

由于总体弯曲或结构的梁式作用产生的过大轴向压力所引起壳体失稳，罐内液体晃动，可以在罐壁中引起异常大的应力，损坏开始的现象之一是沿罐壁上的象足凸鼓

（4）罐顶破坏

油罐在液位较高的情况下，在地震时由于液面剧烈晃动，浮顶导向杆失灵，扶梯破坏，浮顶来回碰撞，最终导致浮顶沉没。(5)油罐局部或整体下沉

地震时油罐基础液化，滑坡。

(6)管道接头的破坏

地震时储罐与管道之间的运动不一致

4. 外浮顶罐有哪些附件，并简述各附件的功能？

(1) 中央排水管

中央排水管是由若干段浸没于油品中的Dg 100的金属软管。排水

管上端，以免一旦排水管或接头有泄漏时，储液从排水管倒流到浮顶上来。根据油罐直径的大小，每个罐内可以设1 - 3根排水管。(2) 转动扶梯

浮顶上升到最高位置时，转动扶梯不会与浮顶上任何附件相碰，当浮顶下降到最低位置时，转动扶梯的仰角不大于60度，在浮顶升降的过程中转动扶梯的踏步应能自动保持水平。扶梯处于任何位置时，都能承受5 KN集中荷载。

(3) 浮顶立柱

浮顶立柱是环向分布安装于浮顶下部的支柱，其高度一般可在1.2m-1.8m范围内调节。设置浮顶立柱的目的有二:

一是避免浮顶与罐内附件相碰撞。

二是便于检修人员由人孔进入罐底与浮顶之间的空间内进行检修或清扫作业。

(4) 自动通气阀

自动通气阀作用有二:

一是发油避免浮顶下出现真空，以免将浮顶压坏。

二是收油避免在浮顶与液面间出现空气层。

(4)紧急排水口

单盘边缘处(位置通过计算确定)有时还设置紧急排水口。

(5)舱室人孔

每个舱室应设置船舱人孔，人孔直径不小于500mm。人孔应设有不会被大风吹开的轻型防雨盖，人孔接管上端应高出浮顶的允许积水

高度。浮顶上至少应设置一个最小公称直径为600mm的人孔，以便油罐排空后在检修时进行通风、透光和便于检修人员的出入。(7) 导向支柱（无）

5. 用图示法表示壁厚的概念（计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度和毛坯件厚度），将符号标注正确。

6. 压力容器设计需满足的基本要求？

基本要求:

(1) 足够强度

(2) 足够刚度(稳定性)

(3) 一定的耐久性(10 -12年，高压容器20年，油罐大于等于20年)

(4) 可靠的密封性

(5) 节约材料、制造方便

(6) 运输操作方便

7. 塑性、韧性好的材料的优点

(1) 有利于压力容器加工

(2) 焊接性能好

(3) 对缺口、伤痕不敏感，可以缓解应力集中的影响

(4) 不易产生脆性破裂

(5) 发生爆炸时能够吸收爆炸能量

8.油罐大型化的优点

(1)节省钢材:油罐容积越大，单位容积所需的钢材量越少，投资费用越低;

(2)节省投资:相同库容下建设储罐数量较少，节省施工费用;

(3)占地面积小:罐与罐之间要求0.4D的防火间距，油罐大型化后，油罐间距占用的土地

面积大量减少，库区总面积减少;

(4)便于操作管理:相同库容下，储罐大型化后，总罐数量减少，检尺、维护、保卫等工作

量大幅降低;

(5)节省配件和罐区管网:相同库容下，储罐大型化后，总罐数量减少，阀门、仪表、消防、

配件的消耗大量降低;

(6)便于实现自动控制:相同库容下，储罐大型化后，总罐数量减少，自动控制的投入和

难度大幅降低。

9.为什么储罐壁板有最大厚度的限制

储罐壁板最大厚度的限制是由下面两个因素引起的。

其一是对一定强度的钢板，由于储罐容量(尺寸)的增大，壁板厚度需相应增加;

其二是随着壁板厚度的增加，为消除壁板在制造和焊接时产生的应力，必须进行现场消除应力的热处理措施。目前对储罐大型化还没能解决热处理的问题，为此只有限制壁板的厚度以确保储罐的安全运行。目前储罐壁板最大厚度限制在45mm范围以内。

10.简述规范设计及其优缺点

按照工程强度进行应力计算，以弹性失效为设计准则，以静力荷载为计算荷载，以平均应力为设计基础。

优点：保险系数大

缺点：1、不能对变力进行分析设计

2、弹性失效并不能说明容器已经失效

3、对某些难以确定的因素取较大的安全系数来保证安全，增加了材料消耗。

11. 简述薄膜应力理论的适用条件

1.回转壳体

2.壳壁厚度无突变；曲率半径是连续变化的；材料的物理性能是相同的

3.载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续的，没有突然变化

（壳体几何形状及载荷分布的对称性和连续性）

12.为什么在压力容器设计中要考虑最小壁厚？

考虑到安装和使用的稳定性要求，因而有最小厚度要求。油罐的稳定性与δ2.5/D1.5有关，所以油罐直径越大（D↑），所用钢板的最小厚度越厚（δsmin↑）

13.油罐抗震加固措施有哪些?

（1）增加罐底边缘板厚度

（2）增大底层壁板厚度

（3）改变油罐的径高比，即改变D/H

（4）加设锚固螺栓

（5）为了防止出现“象足”，可在组合应力最大的部位加上预应力钢筋及垫板

14.油罐基础的设计与施工必须满足以下基本要求

(1)基础中心坐标偏差不应大于20mm;标高偏差不应大于20mm;

(2)罐壁处基础顶面的水平度:钢筋混凝土环梁基础时，任意l0m弧长上应不超过±3.5mm，在整个圆圈上，不超过±6.0mm;碎石环梁基础和无环梁砂垫层，任意3m弧长上不应该超过±3 mm，整个圆周

上，不应超过±13 mm;承台基础，罐壁中心内外各150mm宽的环形面内，水平度要求同钢筋混凝土环梁基础;

(3)基础面层为防腐绝缘层(沥青垫砂层)。基础表面任意方向上不应有突起的棱角。从中心向周边拉线测量基础表面凹凸度不超过25mm;

(4)基础锥面坡度:一般地基为15‰;软弱地基应不大于35‰。基础沉降基本稳定后的锥面角度不小于80‰;

(5)储罐基础直径方向上的沉降差不应超过表9.3所列的沉降差许可值。沿罐壁圆周方向任意10m弧长内的沉降差应不大于25mm，支承罐壁的基础部分与其内侧的基础之间不应发生沉降突变；

（6）基础沉降稳定后，基础边缘上表面应高出地坪不小于300mm。在地坪以上的基础中应设置罐底泄漏信号管，其周向间距不宜大于20m，每罐最少设4个，钢管直径不宜小于，

亦不宜大于;

（7）当油罐的设计温度大95℃时，储罐的基础应适应储罐在高温下的工作要求;

（8）储罐有清扫孔时，基础的设计尚应符合清扫孔的要求;

15.改善地基承载力的方法

①除去不满足要求的土质;

②采用砂桩，并通过预加载进行排水挤密;

③化学方法或注射水泥浆使软地基固化;(粘土)

④端承桩或摩擦桩;(粘土)

⑤振动压实或振动置换压实。(砂土)

16油罐罐底结构主要包括哪几个方面？其中边缘板设计又应注意哪几个方面？为什么对边缘板设计要提出这几个方面的要求？ 答：排版的形式，底板的厚度，搭接连接方式

注意：边缘板的尺寸和厚度以及搭接方式，原因是边缘板的受力比较复杂。

17.压力容器按压力分类分为哪几类? 按压力大小分类：

低压(L)容器 0.1 MPa ≤p ＜1.6 MPa 中压(M)容器 1.6 MPa ≤p ＜10.0 MPa 高压(H)容器 10 MPa ≤p ＜100 MPa 超高压(U)容器 p ≥100MPa

18.简述浮顶油罐的浮顶应满足的四个准则中的第一个准则，并用数学表达式描述该准则，标注公式中各个符号的含义

单盘板和任意两个相邻舱室同时破裂（泄漏）时浮顶不沉没。 (1) 下沉深度不大于外边缘板的高度，且有一定裕量。

3b T T α≥++?

式中 3b -----外边缘板的高度，m; T — 当 a =0时的下沉深度，m;

T α— 由于 a ≠0而引起的浸没深度的增加量，m ； ?— 安全裕量，m 。

(2) 下沉深度不大于内边缘板的高度，且应留有一定裕量。

1b T T g α≥+-+?

1b —内边缘板的高度，m ； g —浮船尺寸，m 。

19.简述浮顶油罐的浮顶应满足的四个准则中的第二个准则，并用数学表达式描述该准则，标注公式中各个符号的含义

答：第二准则是在整个罐顶面积上有250mm 深的雨水积存在单盘上时浮顶不沉没。 设计允许的积水量为Q

203004

,,/,,=250Q D h g

Q N D m kg m h m h mm π

ρρ=

----单盘上允许的最大积水重量,；油罐内径；

水的密度；

允许的降水量取。

3012012,,100~200,50b T T T T m T m T Q m mm mm ≥+?++?

-?--?-?浮船本身的沉没深度,；

加上单盘以后浮船下沉增加量；由积水量引起的浮船下沉增加量；

安全裕量。一般取为最小不得低于。

20.什么是容器的最小壁厚?

答：由刚度条件确定，且不包括腐蚀裕量的最小必须厚度。 21.简述浮顶油罐的浮顶应满足的四个准则中的第三个准则，并用数学表达式描述该准则，标注公式中各个符号的含义

答：第三准则为在操作时单盘与储液之间不存在油气空间

min max

min max C C C C C C <<--单盘安装位置的下限；单盘安装位置的上限；-单盘安装高度。

min 01min 031=0/d d P C T g

C T m P pa kg m ραρ-

----单盘安装位置的下限；

为时的下沉深度，；单盘单位面积的重量，；

储液的密度，。

2max 0

2

1max 031210.479=10//d

d P C T g

C T m P pa kg m

D D ττραρτ+------单盘安装位置的上限；

为时的下沉深度，；单盘单位面积的重量，；储液的密度，；

。

计算题

1．30000m 3

外浮顶油罐，内装汽油，密度ρ1=740kg/m 3

，已知浮船外径D 1=45.6m ，D 2=40.6m ，外边缘板高度b 3=820mm ，内边缘板高度b 1=720mm ，设浮舱顶底坡度相等，单盘板厚度δ=5mm ，舱室总数为m=20，浮船质量为45000kg ，单盘加上其一半附件质量为55000kg ，试按单盘及两舱室同时破裂泄漏情况，校核其沉没安全性。（20分）

解：1.具体概念等参考：书P212或PPT 第十四次课

02222

1

2

145000'0.18()(45.640.6)7404

4

Q g

T D D g

g

π

π

ρ?=

=

=--?

21=/40.6/45.60.89D D τ==

22

2

5500042.540.64

4

d g

P g D π

π

=

==?单盘总重

22122

10.8942.5()=(0.005)0.2110.89740d P g

T g g

τδτρ=--=-- 2=

0.314m

π

?= 3344281sin 2810.89sin 0.314==0.10373120310.89 3.14a m τ?τπ--=+??+??-- '010.18+0.2=0.424110.1037T T T a +==--

31120.820.72

tan 0.012()2(45.640.6)

b b D D α--=

==-?-

1(1)(12)(10.89)(120.89)

tan =45.60.01=0.01236(1)6(10.89)

T D αττατ-+-+?=

?++

=200mm ?取安全裕量

3=0.424+0.0123+0.2=0.63630.82T T m b m α++?<=

满足外边缘板要求

10.820.72

=0.63630.58630.722

T T G m b m α-++?--

=<= 满足内边缘板要求 综上满足第一准则的要求

2、球形容器如图示，半径为R ，壁厚为t ，试求下述两种情况下A 、B 两点的径向和环向薄膜应力（30分） （1）容器仅受气体内压P 作用。（5分）

（2）容器充有高度为2R-H 高度的储液，同时液面上方具有气体内压P 0作用，已知储液密度为ρ。（15分） （3）充液情况下容器支座处的约束反力。（10分）

解：

3．拱顶罐，V=30000m3，储液比重G=0.8，H=18.2m，内径D=46.0m，罐体总质量为485402Kg，d1=22mm，距离底板1/3高度处壁板厚度d3n=15mm，C=1.5mm，钢材为Q235-A，8烈度区，处于第二抗震设计组，Ⅱ类场地土，由建罐地区及设防烈度查得设计基本地面加速度为0.3g，验算是否符合抗震要求？