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立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計實例

文檔作者：劉得建1，溫琦1，張春紅2，徐闖1 文檔來源： 1．無錫中糧工程科技有限公司 2．無錫錢惠污水處理有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月11日
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CHINA 0ILS AND FATS 2012 V01．37 No．10
瀾懶麟
立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計實例
劉得建1，溫琦1，張春紅2，徐闖1
(1．無錫中糧工程科技有限公司，江蘇無錫214035；2．無錫錢惠污水處理有限公司，江蘇無錫214000)
摘要：以5 000 t油罐設(shè)計為例，從罐底設(shè)計、罐壁設(shè)計、罐頂設(shè)計、抗震計算4個方面詳細介紹了油
罐的設(shè)計過程和注意事項，以及在設(shè)計中遇到校核不合格情況的處理方法。
關(guān)鍵詞：油罐；罐底設(shè)計；罐壁設(shè)計；罐頂設(shè)計；抗震計算
中圖分類號：TS22；TU249 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1003—7969(2012)10-0084—04
近幾年，人口增長和生活水平的提高帶動了我
國食用油需求和產(chǎn)量的不斷增長，推動了油脂加工
業(yè)的發(fā)展，油罐儲存量及需求量也在不斷的增加。
筆者根據(jù)油罐設(shè)計的實際經(jīng)驗，對其設(shè)計過程進行
了歸納總結(jié)。現(xiàn)以浙江舟山5 000 t油罐為例，對其
設(shè)計過程及遇到的問題進行探討，以供參考。
1 立式圓筒形鋼制焊接油罐的設(shè)計參數(shù)
設(shè)計條件：根據(jù)工藝要求，確定油罐高度為
18 m，內(nèi)徑為20 m。
罐體材料：碳鋼(Q235一B)；設(shè)計壓力(表壓)：
一490 Pa≤P≤2 000 Pa；設(shè)計溫度：70℃；工作溫度：
常溫；工作介質(zhì)：植物油；介質(zhì)相對密度：920 kg／m3；
全容積：6 280 m3；腐蝕裕量：1．2 mm；基本風(fēng)壓叫。：
500 Pa；地震等級強度：7。
2 立式圓筒形鋼制焊接油罐的設(shè)計
2．1 罐底設(shè)計
罐底的結(jié)構(gòu)形式選用倒圓錐形，中間低四周高，
罐底坡度為1．5％，在罐底中央設(shè)有集油槽，沉積的
存油集中于此，由彎管自上排出。這種倒圓錐形罐
底的優(yōu)點是：①液體放凈口處于罐底中央。不管日
后罐底如何變形，放凈口總是處于罐底的最低點，這
對排凈存油十分有利。②易于清洗，不再設(shè)置清掃
孔。③倒圓錐形罐底可以增加儲罐容量，儲罐直徑
越大、罐底坡度越陡，所增加儲罐容量越多。④較少
形成凹凸變形和沉積(較少沉積物可在清理油罐時
用可移動式快抽泵抽出，方便快捷)，可改善罐底腐
蝕狀況。
為減小罐底組焊時的工作量，減少變形，改善受
收稿日期：2011—11—28；修回日期：2012—06—12
作者簡介：劉得建(1981)，男，工程師，主要從事糧油食品機
械設(shè)計工作(E-mail)liudejianmail@163．eom。
力，節(jié)省材料，減少焊縫長度及泄漏機會，罐底中幅
板選用寬度為1．8 m的板，邊緣板寬度為1．5 m。
罐壁內(nèi)表面至邊緣板與中幅板之間的最小距離己。
不小于計算值?，且不小于600 Inm。三。：j墜：粵些。528(mm)(1) ”
、／H。p,／18×0．92
式中：三。為罐壁內(nèi)表面至邊緣板與中幅板之間
的最小距離，mlTl；t。為罐底環(huán)形邊緣板的最小公稱
厚度(不含腐蝕量)，取10 mm；日。為設(shè)計最高液位，
為18 m；p為儲液相對密度，取植物油P=0．92。
經(jīng)實際排版L。為1 280 mm符合要求。罐底板
采用搭接、對接組合的方式，邊緣板之間采用對接，
中幅板之間采用搭接，邊緣板與中幅板之間采用搭
接的焊接方式，排版及焊接形式見圖1。
搭接焊匾邁洹泐
啄盔對接芝焊 卿
／
板。
三層板重疊
圖1罐底板的排版及焊接形式
罐底焊接后，其局部凹凸變形的深度，不應(yīng)大于
變形長度的2％，且不應(yīng)大于50 mm，罐底焊縫應(yīng)在
外觀檢查合格后，用真空箱法進行嚴(yán)密性試驗，試驗
負壓值不得小于53 kPa，無滲漏為合格。
2．2罐壁設(shè)計
罐壁板寬度選用板材1．8 m進行計算，長度可
定制，高度剛好為10張1．8 m的板，以便做到合理
用材的原則。
罐壁厚度計算如下?：
萬方數(shù)據(jù)
2012年第37卷第10期中國油脂85
鏟塑贏產(chǎn)(2)
式中：td為儲存介質(zhì)條件下罐壁板的計算厚度，
mm；婦為油罐內(nèi)徑，20 m；H為計算液位高度，18 rfl；
P為植物油相對密度，0．92“盯]。為設(shè)計溫度下鋼
板(Q235一B)的許用應(yīng)力，157 MPa；妒為焊接接頭
系數(shù)，取p=0．9。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)最低屈服強度大于
390 MPa時，底圈壁板取‘D=0．85。底圈：鏟塑掣掣。11．29(film)
厚度附加量：C=C。+C：=
0．8+1，2=2．0(mm) (3)
式中：C。為鋼材厚度負偏差，0．8 mm；C：為腐
蝕裕量，1．2 mm。
設(shè)計厚度：td+C=11．29+2．0=13．29(mm)
底圈名義厚度取14 mill。其余類推，罐壁自下
至上共lO圈的厚度分別為14、14、12、10、10、8、8、6、
6、6 mm。
風(fēng)載荷作用下罐壁的穩(wěn)定性計算如下¨J：
㈧啪48棼㈦一(4)
玩=Σ見；
／L。=hi(等)
式中：[P。，]為罐壁簡體的許用臨界壓力，kPa；
鞏為筒體的當(dāng)量高度，m；￡?為最薄壁的厚度，mm；
ti為第i圈壁板實際厚度，mm；h；為第i圈壁板實際
高度，m；也為第i圈壁板的當(dāng)量高度，m。
鞏=Σ峨=1．8×(甜。×2“8×
(魯)2．5+-．8×(品)2,5×2+，．8×(詈)2 5×
2“8 x(釬3×3~8-91(m)
[Pc小16．48×品×(嘉)2．5~1．82(kPa)
W☆--tLp。p：訓(xùn)o (5)
式中：伽。為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；應(yīng)為高度z處
風(fēng)振系數(shù)，對油罐p：=1；弘，為風(fēng)荷載體型系數(shù)，應(yīng)
取駐點值此=1；以為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查表以=
1．17；伽。為基本風(fēng)壓，0．5 kPa。
W￡=1×1×1．17×0．5=O．585(kPa)
罐壁筒體設(shè)計外壓¨3Po=2．25w。+q，與大氣連
通口=0。
Po=2．25w^=2．25×0，585—1．3(kPa)
[P，]>Po，可不設(shè)置加強圈。
實際設(shè)計中，在離罐頂3 200 mm和6 400 mm
各設(shè)一道加強圈100×63×8。
罐壁鋼板的焊接采用對接，罐壁相鄰兩圈的縱
焊縫應(yīng)相互錯開，最小距離應(yīng)大于板厚的5倍，且不
得小于100 mm。焊接形式見圖2。
等厚環(huán)焊縫不等厚環(huán)焊縫罐壁和罐底T形焊
莽彝_缸
!!警底O哮圈U罐-壁ZD縱-焊也縫 加焉強。圈焊接
圖2罐壁的焊接形式
2．3罐頂設(shè)計
本罐頂采用的是球面帶肋拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，罐
頂板厚6 mill，肋板選用80×10的扁鋼。2 J。中心頂
板直徑D叭，頂板為2 000 mE，中心頂板與橫頂球殼的
搭接寬度曰為40 mm，見圖3。這種結(jié)構(gòu)在儲罐中
使用很廣泛，與錐頂罐相比，拱頂結(jié)構(gòu)簡單、剛性好，
能承受較高的剩余壓力，鋼材耗量少等。
圖3罐頂結(jié)構(gòu)形式
拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸計算：
(1)當(dāng)氣體內(nèi)壓作用下的拱頂球殼與罐壁的
厚度相等時，拱頂?shù)膹姸葹楣薇趶姸鹊?倍。為使
它們的強度相當(dāng)，球面的半徑R；一般按照下式
選取¨。：
R。=0．8～1．2 D (6)
這里取R。=1．2D=1．2×20=24(m)
D1=D+2￡^+20=20 000+2×6+20=
20 032(mm)
D2=D中心頂板一2B---2 000—2×40=
1 920(mm)
sin8。=麗D=麗20=0．417
00=24．6
o
縫一
壁石■塑， 縱i一翼帖焊歹7絲型 絲。 羲
萬方數(shù)據(jù)
86 CHINA 0ILS AND FATS
8si的i=n一p。=赫一。0‘Ds22R=焉一o． 04
0=2．30
(2)展開長度￡。。
A
L1_焉㈣訓(xùn)+20 (7) ￡，=蘭二!鏟×(24，6。一2．3。)+20一
9 356(mm)
(3)大頭弧長AB。
A—B：墮+40
A—B=業(yè)等盟+40一1 614(ram)
(4)小頭弧長CD。
C—D：7rD2+40 一CD=學(xué)+40—191(ram)
(5)大頭展開半徑R，。
Rl=R，tanoo+30
R1=24 000×tan24．6。+30—11 018(mm)
(6)小頭展開半徑R：。
R2=R。tan0
R2=24 000×tan2．3。一964(mm)
(7)帶肋球殼計算‘¨。
一／
／
一——·一——————-——————4，——————t——
氫 6，(6z) ．∽
(8)
(9)
(10)
”1+警(12)
咿·+籠(13)
‰3地[警(竽+丁h,th+秘魯吶"司
‰3=-2f燮L2,f＼_墮3+丁h2ta+譬)+告3一叫。e；】
經(jīng)向肋和緯向肋都為80×10，所以n。=n：=l+揣=1．095 nl
2
n2
2 1+石●_麗2 1·uy3
‰3=r：3m=12[籬802-+學(xué)+百62)+
西63。。95 x6 x3．742】一，5 448 鏟浮(16)
￡，：／堡塑衛(wèi)墅Σ墮塑。19．86 ?！癪f A ?一一
cP，=o．ooo，E(憊)‘(乏)2 c，7，
[P]_0．000?9·000(警)2(忐)T一
7．19(kPa)
[P]>P(罐頂設(shè)計外壓2 000 Pa)，所以安全。
式中：[P]為帶肋球殼的許用外載荷，kPa；t。為
罐頂板有效厚度，6 mm；t。為帶肋球殼的折算厚度，
mm；f，。為緯向肋與頂板組合面折算厚度，mm；h，為
緯向肋寬度，80 mm；b。為緯向肋有效度，10 mm；￡，，
為緯向肋在經(jīng)向的間距，mE(￡。；=1～1 400 mm，這
里取1 400 mm)；／-t。為緯向肋與頂板在經(jīng)向的面積
折算系數(shù)；e．為緯向肋與頂板在經(jīng)向的組合截面形
心到頂板中面的距離，3．74 mm(計算略)；￡：。為經(jīng)向
肋與頂板組合面折算厚度，mm；h：為經(jīng)向肋寬度，
80 mm；b：為經(jīng)向肋有效度，為10 mm；L：。為經(jīng)向肋
在緯向的間距，mm(L：：=1～l 400 mm，這里取
1 400 mm)；幾：為經(jīng)向肋與頂板在緯向的面積折算
系數(shù)；e：為經(jīng)向肋與頂板在緯向的組合截面形心到
頂板中面的距離，ram(e2=eI=3．74 mm)。
2．4抗震計算?
卜KcHw j|孚
～03
(18)
式中：￡為儲罐與儲液耦聯(lián)振動周期，s；R為油
罐內(nèi)半徑，10 in；6，為罐壁距底板1／3高度處的有效
厚度，0．010 m；Hw為油罐設(shè)計最高液位，18 m；Kc
為耦聯(lián)振動周期系數(shù)，中間值采用插入法計算，≮=
0．437 X10～。
t=o．437×10。x 18×以羔~0．25
L=K瓶(19)
式中：咒為儲液晃動周期，s；毯為晃動周期系
數(shù)，中間值采用插入法計算，K=I．049。
L．一1．049×何：4．69
萬方數(shù)據(jù)
2012年第37卷第lO期中國油脂87
罐壁底部水平地震剪力?：
qo=10曲C,aYl rag (20)
m=mIF，(21)
式中：Q。為在水平地震作用下，罐壁底部水平
剪力，MN；cl為綜合影響系數(shù)，0．4；d為地震影響系
數(shù)，根據(jù)r值及反應(yīng)譜特征t及地震影響最大系數(shù)
a一選取，a=O．23。YI為罐體影響系數(shù)，1．10；g為
重力加速度，9．81 m／s2；m。為儲罐內(nèi)儲液總量，
m。=5．0×106 kg；m為產(chǎn)生地震作用儲液等效質(zhì)
量，kg；P為動液系數(shù)，中間值采用插人法計算，
E=0．758。
Qo=10—6×0．4 x 0．23×1．1×5．0×106×
0．758×9．81—3．76(MN)
Ml=0．4500也(22)
式中：肘。為總水平地震作用在油罐底板所產(chǎn)生
的地震彎矩，MN·m。
MI=O．45×3．76 X18—30．46(MN·m)
h。=1．5aR(23)
式中：h。為液面晃動波高，m；a為地震影響系
數(shù)，根據(jù)液體晃動基本周期L及地震影響最大系數(shù)
最大值a一選取，a=0．23 x0．05一O．01。
h。=1．5 x0．01×10=0．15(m)
[以]=0．15E-ff‘ (24)
式中：[以]為罐壁許用臨界壓力，MPa；E為設(shè)
計溫度下罐壁材料(Q235一B)彈性模量，E=191×
103 MPa；t為底層罐壁板有效厚度，0．012 m。
[以]=0．15×19l×103×紫硼．19(MPa)
恥警+警
式中：6。為罐壁底部最大軸向壓應(yīng)力，MPa；c。
為豎向地震影響系數(shù)(7度及8度地區(qū)Q=l；9度
地區(qū)Q=1．45)；Nl為罐壁底部垂直荷載，MN；A。
為罐壁橫截面積，A。=IrDt=0．754(m2)；C。為翹離
影響系數(shù)，為1．4；Z。為底圈罐壁斷面系數(shù)，Z。=
0．785D2￡=3．768(m3)。
吼。 2C，百Ⅳ1+．百ClMl2面1×+1．—08．而1．4麗×30一．464
12．75(MPa)
6，<【6，】，儲罐滿足抗震要求。
3總結(jié)
立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計中主要是罐底、
罐壁和罐頂?shù)脑O(shè)計。在罐底設(shè)計中根據(jù)規(guī)范選取厚
度再加上厚度附加量進行排版；罐壁板厚由計算值
再加上厚度附加量，這里還要考慮抗震計算，如果在
實際抗震計算中不合格，則應(yīng)采取措施，重新計算，
直到計算合格為止?？刹扇∫韵麓胧孩贉p小儲罐
的高徑比；②加大罐底環(huán)形邊緣板的厚度，較厚的罐
底環(huán)形邊緣板增加了罐底周邊的提升反抗力，有利
于降低罐壁底部的豎向壓應(yīng)力；③增加底圈壁板厚
度；④用錨固螺栓(通過螺栓座把儲罐錨固在基礎(chǔ)
上)。罐底周邊單位長度上的錨固螺栓抗力，應(yīng)大
于周邊單位長度上的提離力與罐壁重力之差。罐頂
一般根據(jù)對比經(jīng)驗法，然后再進行校核。
參考文獻： ．
[1]GB 50341--2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范
[S]．
[2]成大先．機械設(shè)計手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版
杜。2001．
[3]徐英，楊一凡，朱萍，等．球罐和大型儲罐[M]．北京：化
，，'氣、L“， 學(xué)工業(yè)出版社，2004．
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