油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)

油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)

StrengthDesignOfOilTanksandPipes

目錄

Contents

第一章鋼油罐設(shè)計(jì)的基本知識(shí)

第二章軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力及位移分析

第三章立式圓柱形油罐的尺寸選擇和罐壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)

第四章立式圓柱形油罐罐頂（固定頂）設(shè)計(jì)

第五章浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)

第六章立式鋼油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

第七章立式油罐罐底和油罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

第八章立式鋼油罐的抗震設(shè)計(jì)

第十章地上管道

第十一章地下管道1、油庫(kù)

定義：油庫(kù)即收發(fā)和儲(chǔ)存油品的獨(dú)立的或企業(yè)附屬的倉(cāng)庫(kù)或設(shè)施。組成：收發(fā)油系統(tǒng)和儲(chǔ)存單元。油庫(kù)收發(fā)油系統(tǒng)的主要設(shè)備泵、閥門(mén)和管線(xiàn)各類(lèi)儀表儲(chǔ)存單元——各種油罐2、本課程的研究對(duì)象金屬油罐的優(yōu)點(diǎn)：①安全可靠，經(jīng)久耐用；②不滲漏；

③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便、速度快，可以拆遷再使用；④造價(jià)低，占地面積少，適用范圍廣。一、教學(xué)內(nèi)容第一章鋼油罐設(shè)計(jì)的基本知識(shí)§1-1鋼油罐的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的新課題§1-2鋼油罐的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍§1-3鋼油罐的基本要求§1-4鋼油罐材料的選擇二、教學(xué)目標(biāo)

1、了解金屬油罐的發(fā)展趨勢(shì)及需要面臨的若干新課題；2、熟悉鋼油罐的各種類(lèi)型劃分、各類(lèi)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其適用范圍；3、理解對(duì)鋼油罐的五個(gè)基本要求；4、熟悉各個(gè)國(guó)家對(duì)油罐鋼材的不同要求。

第一章鋼油罐設(shè)計(jì)的基本知識(shí)§1-1鋼油罐的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的新課題鋼油罐發(fā)展的總趨勢(shì)是：⑴大型化⑵操作管理自動(dòng)化Ⅰ、油罐大型化的優(yōu)點(diǎn)節(jié)省鋼材Ⅰ、油罐大型化的優(yōu)點(diǎn)減少投資我國(guó)鲇魚(yú)灣油庫(kù)提供日本提供Ⅰ、油罐大型化的優(yōu)點(diǎn)占地面積少；節(jié)省管線(xiàn)及配件；便于操作管理。Ⅱ、油罐大型化帶來(lái)的新課題

①鋼材的強(qiáng)度越高，斷裂韌性越低，即越容易產(chǎn)生斷裂。

②鋼板越厚，在焊縫或熱影響區(qū)附近越易于產(chǎn)生裂紋，從而增加了斷裂的危險(xiǎn)性。Ⅱ、油罐大型化帶來(lái)的新課題

③鋼板強(qiáng)度等級(jí)越高，其可焊性越低，這要求設(shè)計(jì)者選材時(shí)注意其可焊性，同時(shí)采取合適的焊接工藝。

④隨著油罐的大型化，壁厚t與直徑D之比t/D降低，油罐鋼性降低，導(dǎo)致油罐抵抗風(fēng)荷的能力下降。

可焊性：接頭焊接的可能性（針對(duì)施工而言）和使用時(shí)的可靠性（針對(duì)使用而言）。Ⅱ、油罐大型化帶來(lái)的新課題

⑤隨著油罐的大型化，地震破壞造成的損失也隨之增加。

⑥大型油罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、如何恰當(dāng)?shù)靥岢鰧?duì)于沉陷的要求，以及采用何種結(jié)構(gòu)以增加油罐抵抗不均勻沉陷的能力等。操作管理自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)：①省力；②計(jì)量程度高，便于監(jiān)測(cè)和控制。

油品在收發(fā)時(shí)都要計(jì)量，而影響計(jì)量精度的主要有以下三個(gè)方面的誤差：即系統(tǒng)誤差、偶然誤差和過(guò)失性誤差。目前我國(guó)的計(jì)量精度為5‰。系統(tǒng)誤差具有一定規(guī)律性的誤差，可以消除和計(jì)算出。其原因主要有：儀器不良；周?chē)h(huán)境如T、濕度、P、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等的改變，測(cè)量的方法和理論上的錯(cuò)誤；操作人員的習(xí)慣與偏向等引起的誤差。偶然誤差產(chǎn)生原因無(wú)規(guī)律性，但與測(cè)量的次數(shù)有關(guān)。當(dāng)其測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí)，偶然誤差完全服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。過(guò)失性誤差主要由操作人員的過(guò)失產(chǎn)生。如業(yè)務(wù)技術(shù)不熟、操作不正確或工作作風(fēng)馬虎或過(guò)度疲勞、神智不清、或讀錯(cuò)示值?！?-2鋼油罐的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍一、種類(lèi)按幾何形狀分臥式圓柱形油罐立式圓柱形油罐雙曲率油罐拱頂浮頂內(nèi)浮頂錐頂懸鏈?zhǔn)阶灾С惺借旒苁搅菏蕉?、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍臥式圓柱形油罐人孔筒體板圈三角支撐碟形封頭（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

V≤100m3的臥式油罐一般在工廠(chǎng)內(nèi)造好運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)即可使用；而V＞100m3的油罐都在現(xiàn)場(chǎng)組裝和驗(yàn)收。

罐體一般由鋼板搭接而成，罐圈交互式排列，并取單數(shù)，使兩個(gè)封頭直徑相同。臥式圓柱形油罐（2）優(yōu)點(diǎn)：①承壓能力高；②V≤100m3的可在工廠(chǎng)批量生產(chǎn)；③搬遷安裝方便。臥式圓柱形油罐臥式圓柱形油罐

（3）缺點(diǎn)：

①耗鋼量大，一般為40~50kg/m3。②罐容小，占地面積大。

（4）適用范圍：一般用于高架罐、放空罐、計(jì)量罐或用于儲(chǔ)存品種多、數(shù)量少的油品，也用于貯存液化石油氣。二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍立式圓柱形油罐組成：平底、圓柱形罐壁和罐頂。平底由鋼板搭接而成；罐壁由薄鋼板對(duì)接或搭接而成；罐頂由薄鋼板搭接而成。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量范圍大，應(yīng)用范圍廣，但承壓能力低。拱頂油罐D(zhuǎn)omeRoofTanks①拱頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：頂由4~6mm的薄鋼板和加強(qiáng)筋（通常用扁鋼）組成，形如球面，拱頂載荷靠拱頂板周邊支承于罐壁包邊角鋼上，球面由中心蓋板和瓜皮搭接而成。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，備料和施工方便，造價(jià)低。①拱頂油罐

缺點(diǎn)：

a）蒸發(fā)損耗較大；

b）罐容有一定的限制。適用范圍：廣泛用作容積在10000m3以下的成品油儲(chǔ)罐，目前國(guó)內(nèi)最大的已達(dá)5萬(wàn)方?？癸L(fēng)圈伸縮吊架人孔浮船支柱罐頂平臺(tái)量油管浮梯軌道底板浮船單盤(pán)罐壁盤(pán)梯密封板集液管折疊排水管浮頂油罐

Floating-RoofTanks

②浮頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由薄鋼板組成的圓盤(pán)（單盤(pán)或雙盤(pán)）可隨油面的升降而上下自由移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：a）油品呼吸損耗?。籦）浮頂受力狀況良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易；

c）環(huán)境污染小，火災(zāi)危害性小。②浮頂油罐缺點(diǎn)：對(duì)于單盤(pán)式浮頂罐，頂在浮力的穩(wěn)定性方面欠佳，且頂易被雨水腐蝕而積水難于排除。而雙盤(pán)式價(jià)格較貴。適用范圍：?jiǎn)伪P(pán)式浮頂罐多用于5000m3以上的原油或汽油油罐；雙盤(pán)式多用于5000m3以下的輕質(zhì)油油罐。國(guó)外已建成24萬(wàn)m3的浮頂罐，我國(guó)已建成10萬(wàn)m3的。內(nèi)浮頂油罐

EnclosedFloating-RoofTanks

罐頂罐頂通氣孔罐頂支柱自動(dòng)通氣孔單盤(pán)人孔罐壁通氣孔內(nèi)浮頂密封裝置導(dǎo)向板浮頂支柱③內(nèi)浮頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兼有拱頂罐和浮頂罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：a）蒸發(fā)損失大大減少；b）空氣污染很小，油品質(zhì)量易保證；c）罐頂和罐壁腐蝕小，罐壽命長(zhǎng)；d）附件減少；e）現(xiàn)存的拱頂罐易改造為內(nèi)浮頂罐，投資少，見(jiàn)效快。③內(nèi)浮頂油罐缺點(diǎn)：a）與拱頂罐相比，造價(jià)高，施工技術(shù)要求高；b）與浮頂罐相比，密封結(jié)構(gòu)檢查維修不便；適用范圍：V＜1萬(wàn)m3的內(nèi)浮頂罐多用來(lái)儲(chǔ)存輕質(zhì)油品，目前正在推廣。c）不易大型化（因?yàn)楣绊斒艿较拗疲?。錐頂油罐

ConeRoofTanks

中心立柱外立柱內(nèi)立柱罐壁內(nèi)外檁lin椽chuan頂板底板④錐頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：a）自支承式：頂為圓錐形，載荷由罐頂自承，并且傳遞到罐壁。b）桁架式：載荷由桁架承擔(dān)并傳遞到罐壁，為了防止因橫向載荷所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)，需要采用裝入斜支承等措施。④錐頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：c）梁柱式：罐頂載荷由梁柱承擔(dān)并傳遞到罐壁。梁柱按梁的彎曲理論設(shè)計(jì)。罐頂坡度一般為1/16。在易地震的罐區(qū)，為了防止頂板支承構(gòu)件旋轉(zhuǎn)，需要采用拉桿將外圍支柱相互連接等措施。④錐頂油罐優(yōu)點(diǎn)：不受雨水塵土的影響，易保證油品質(zhì)量。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難，造價(jià)高，而且梁柱式對(duì)地基要求較高。④錐頂油罐適用范圍：b）桁架式：V≥1000m3，內(nèi)徑多為35m左右；c）梁柱式：地基好的地方可選6~7萬(wàn)m3的，一般為4萬(wàn)m3的。不適用于有不均勻沉降的地基上或地震載荷較大的地區(qū)。a）自支承式：V≯100m3；懸鏈?zhǔn)接凸?/p>

SuspendingRoofTanks

懸鏈?zhǔn)焦揄敚ㄓ杀′摪褰M成，只有拉力而無(wú)彎曲應(yīng)力，故稱(chēng)無(wú)力矩罐）中心柱懸鏈最低點(diǎn)易積水、生銹二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍雙曲率油罐

雙曲率油罐可分為滴狀油罐和球形油罐。滴狀油罐可承受0.4~1.2kgf/cm2的剩余壓力，可消除小呼吸損耗，適用于儲(chǔ)存揮發(fā)性大的油品，但這種油罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工困難，建設(shè)費(fèi)用高，故一般不采用。球罐用于儲(chǔ)存液化氣，其設(shè)計(jì)一般劃在受壓容器范圍內(nèi)。滴狀油罐球形油罐Ⅰ球罐的分類(lèi)a）按球罐的用途分在高、中壓，常溫下使用的球罐，如貯存液化石油氣、天然氣等，P=1~3MPa，T=常溫在中、低壓，低溫下使用的球罐，如貯存液氨、乙烯、丙烯等，P=0.4~2MPa，T=-20~-100℃在低壓，深冷下使用的球罐，如貯存-100℃以下的液化氣，P極低，T＜-100℃，為保冷多采用雙重球罐。Ⅰ球罐的分類(lèi)b）按外觀(guān)形狀分圓球形橢球形c）從球殼板組合情況分足球瓣形瓜瓣形混合形Ⅱ球罐的優(yōu)點(diǎn)a）與同容積的圓柱形罐相比，球罐的表面積小，故球罐板面積小。b）球罐受力均勻。在相同直徑和工作壓力下，其薄壁應(yīng)力僅為圓柱形罐的法向應(yīng)力的1/2，故球罐板厚僅約需后者的1/2，使得球罐用料省，造價(jià)低。Ⅱ球罐的優(yōu)點(diǎn)c）對(duì)風(fēng)載荷而言，球罐比圓柱形罐更安全，因?yàn)轫旓L(fēng)面積小。d）球罐基礎(chǔ)簡(jiǎn)單，工程量小，且建造費(fèi)用低。e）由于球罐容積V大，在V總一定時(shí)，球罐質(zhì)量大大減少，給管理帶來(lái)方便。Ⅲ球罐的缺點(diǎn)a）受?chē)?guó)家原材料供應(yīng)（包括板材厚度、規(guī)格尺寸及性能等）的限制程度嚴(yán)格。b）與圓柱形罐相比，球罐的制造、安裝均較困難。c）球罐幾乎全是現(xiàn)場(chǎng)組裝和焊接，條件差，技術(shù)要求高。Ⅲ球罐的缺點(diǎn)d）由于國(guó)內(nèi)鋼材品種少，規(guī)格尺寸偏小，球罐板幅小，焊縫較多，從而增加了工作量。e）現(xiàn)行規(guī)范多而且不統(tǒng)一，檢驗(yàn)工作量大，要求嚴(yán)格。Ⅳ使用范圍球罐大多用于儲(chǔ)存液化石油氣（LPG）、液化天然氣（LNG）、液態(tài)烴、乙烯、丙烯以及O2、N2、H2等易燃易爆和有毒的液體、氣體介質(zhì)?！?-3鋼油罐的基本要求思路：Vt理論上：可解決強(qiáng)度問(wèn)題實(shí)際上：施工是否可行？板厚了，焊接和熱處理都比較難?！?-3鋼油罐的基本要求1、具有足夠的強(qiáng)度：不產(chǎn)生塑性變形（卸載后）。2、具有足夠的韌性：在水壓試驗(yàn)或操作狀態(tài)下，油罐不產(chǎn)生斷裂破壞。衡量韌性的指標(biāo)是：沖韌值（一般采用“V”型試件測(cè)定），即試件“V”型缺口儲(chǔ)存的能量，焦耳（J）?！?-3鋼油罐的基本要求3、具有良好的剛性：整體穩(wěn)定，有良好的抗風(fēng)能力。4、具有一定的抗地震能力：在罐區(qū)最大地震烈度下不產(chǎn)生破壞。5、罐基礎(chǔ)均勻穩(wěn)固：罐基礎(chǔ)的不均勻沉陷要在允許范圍內(nèi)，否則，貯罐產(chǎn)生的應(yīng)力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力?！?-4鋼油罐材料的選擇

1、對(duì)于罐壁用鋼材有三項(xiàng)主要要求：（1）強(qiáng)度要求；（2）可焊性要求；（3）沖擊韌性要求。（1）強(qiáng)度要求

近年來(lái)，對(duì)于作為罐壁用的鋼材（不包括由剛性決定的部分），選用的強(qiáng)度值越來(lái)越高。這一狀況主要由兩種因素造成，一是采用高強(qiáng)度鋼比較經(jīng)濟(jì)。另一因素是各國(guó)規(guī)范均對(duì)罐壁的允許最大厚度做了限制。因此，為建設(shè)更大的油罐，必須在保證可焊性和沖擊韌性的前提下，提高鋼板的強(qiáng)度。（2）可焊性要求對(duì)鋼板的可焊性一般用兩種指標(biāo)控制：

一是碳的當(dāng)量含量；二是熱影響區(qū)的硬度?？珊感裕菏侵镐撛谝欢ǖ暮附硬牧?、工藝和結(jié)構(gòu)條件下，經(jīng)焊接后能獲得一定焊接接頭性能的能力。碳的當(dāng)量含量英國(guó)油罐規(guī)范BS2654對(duì)碳當(dāng)量含量的要求比較嚴(yán)格，該規(guī)范規(guī)定碳當(dāng)量含量按下式計(jì)算：上式為熱分析值。Ceq的限制與鋼板厚度有關(guān)，當(dāng)厚度為20～25mm時(shí)，Ceq≤0.43％；當(dāng)厚度大于25mm時(shí)，Ceq≤0.42％。當(dāng)采用復(fù)核分析時(shí)，碳當(dāng)量按下式計(jì)算，Ceq≤0.43％，日本對(duì)Ceq的要求比英國(guó)寬，例如HW50的Ceq值按下式計(jì)算，Ceq≤0.46％，熱影響區(qū)的硬度

熱影響區(qū)的硬度與Ceq及冷卻速度有關(guān)。Ceq越高、冷卻速度越快，則熱影響區(qū)的硬度越高，當(dāng)把熱影響區(qū)的硬度做為可焊性的指標(biāo)時(shí)，國(guó)際焊按學(xué)會(huì)IIW（InternationalInstituteofWelding）對(duì)冷卻速度規(guī)定為：工件由800℃至500℃的冷卻時(shí)間為7秒。對(duì)HW50鋼板規(guī)定：熱影響區(qū)的硬度不大于390Hv(測(cè)試載荷為10kgf)。（3）沖擊韌性要求沖擊韌性要求是為防止油罐產(chǎn)生脆性斷裂破壞的一個(gè)重要指標(biāo)。影響油罐脆性斷裂的因素如下：1）脆性破壞的產(chǎn)生主要與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。2）脆性破壞的發(fā)生與裂紋所在部位的應(yīng)力水平有關(guān)，應(yīng)力越高則越容易產(chǎn)生脆性破壞。3）與裂紋的尺寸和形狀有關(guān)，裂紋尖而長(zhǎng)則易于產(chǎn)生脆性破壞。（3）沖擊韌性要求4）與罐壁的溫度有關(guān)，溫度越低，鋼材的韌性越差，越容易產(chǎn)生脆性破壞。5）與鋼板的厚度有關(guān)，鋼板越厚越容易產(chǎn)生脆性破壞?！?-4鋼油罐材料的選擇

2、選材原則和選材時(shí)應(yīng)考慮的主要因素：

原則：安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理

考慮因素：1）油罐的設(shè)計(jì)條件：設(shè)計(jì)壓力（針對(duì)封閉式貯罐如拱頂罐而言，指罐體強(qiáng)度和穩(wěn)定性所能承受的壓力）、設(shè)計(jì)溫度（指罐體金屬溫度）、介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)特別是腐蝕性以及材料的使用部位等?！?-4鋼油罐材料的選擇考慮因素：2）材料的機(jī)械性能、化學(xué)成分、焊接性能和抗腐蝕性能等。3）價(jià)格合理。§1-4鋼油罐材料的選擇3、鋼油罐常用材料及其性能：對(duì)于這些普通低碳鋼，其強(qiáng)度較低，焊接性能好。鋼板越薄，韌性越好。只有在罐區(qū)最低日平均溫度低于-20℃時(shí)，才對(duì)t≥12mm的鋼板進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)。1）A3，A3F16Mn，16MnR，15MnVR普通碳素鋼普通低合金鋼容器用鋼3、鋼油罐常用材料及其性能：1）近年來(lái)，貯罐用高強(qiáng)度鋼有很大發(fā)展。它可分為①細(xì)晶粒正火鋼，②調(diào)質(zhì)鋼（經(jīng)淬火加回火而成），其共同特點(diǎn)是，由于Ceq超過(guò)一定值，對(duì)缺口韌性和可焊性產(chǎn)生有害作用，這可以通過(guò)控制碳含量來(lái)改善現(xiàn)場(chǎng)的焊接性能，兩種鋼中C都不應(yīng)＞0.2%（Ceq正火鋼＞Ceq調(diào)質(zhì)鋼），通過(guò)嚴(yán)格控制夏比V型沖擊韌性值，來(lái)保證厚板有足夠的缺口韌性。3、鋼油罐常用材料及其性能：

1）我國(guó)鋼材的各項(xiàng)性能指標(biāo)可查閱SYJ1016-82或QB700-65。國(guó)外鋼材型號(hào)及性能指標(biāo)可查閱各國(guó)的規(guī)范。日本——JIS（JapaneseIndustrialStandards）美國(guó)——ASTM（AmericanSocietyforTestingMaterial）或API（AmericanPetroleumInstitute）英國(guó)——BS（BritishStandards）3、鋼油罐常用材料及其性能：2）對(duì)于小型油罐（1000~1萬(wàn)m3），我國(guó)一般用A3和A3F。A3F最低使用溫度tmin=-10℃，在＞-10℃則用A3F，反之用A3；并在tmin下作水壓試驗(yàn)。3、鋼油罐常用材料及其性能：3）對(duì)于中型油罐（2萬(wàn)m3、3萬(wàn)m3和5萬(wàn)m3）：①罐壁下部，我國(guó)一般用16MnR，按強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)壁厚。②罐壁上部，我國(guó)一般用A3F，按剛度條件設(shè)計(jì)壁厚。4）在我國(guó)，對(duì)于7萬(wàn)和10萬(wàn)m3的大型油罐可供選用的鋼板為16MnR或15MnVR。對(duì)于更大的油罐則需發(fā)展高強(qiáng)度的新鋼種。自學(xué)內(nèi)容：1美國(guó)石油學(xué)會(huì)API650對(duì)油罐鋼材沖擊韌性的要求；2沸騰鋼的缺點(diǎn)和應(yīng)用限制條件。思考題：1為什么鋼油罐的發(fā)展日趨大型化？2為什么立式油罐的高度隨罐容積的增加略有降低？3什么原因?qū)е路序v鋼的冷脆敏感性強(qiáng)？課后要求油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)

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教學(xué)內(nèi)容第二章軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力及位移分析§2-1回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念和幾何特征§2-2軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力分析1、單元體力平衡方程2、軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的無(wú)力矩理論3、軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的區(qū)域平衡方程教學(xué)目標(biāo)1、掌握回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念、幾何特征以及研究薄殼問(wèn)題的基本假設(shè)；2、學(xué)會(huì)分析單元體的受力情況，并能列出相應(yīng)的單元體力平衡方程；3、掌握軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的無(wú)力矩理論平衡方程及其適用范圍；4、掌握軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的區(qū)域平衡方程。§2-1回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念和幾何特征

●殼體：兩個(gè)曲面所限定的物體，且兩曲面間距比物體的其它幾何尺寸都小。

●中面：殼體厚度的中點(diǎn)所構(gòu)成的面，即距殼體內(nèi)、外表面有同等距離的面。

●壁厚：殼體內(nèi)外表面間的法向距離。一、基本概念●薄殼：殼體厚度t遠(yuǎn)小于殼體中面的最小曲率半徑R。設(shè)計(jì)上限定t/R＜1/20或t/D＜1/10（D為殼體內(nèi)徑）。對(duì)于薄殼，一般用中面表示其幾何特征?！窕剞D(zhuǎn)面：由一條平面曲線(xiàn)環(huán)繞該平面內(nèi)某一軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)而成的曲面。一、基本概念●回轉(zhuǎn)薄殼：以回轉(zhuǎn)面為中面的薄殼?！褫S對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼：幾何形狀、載荷和約束條件都對(duì)稱(chēng)于回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)薄殼。一、基本概念●回轉(zhuǎn)薄殼及幾何特征母線(xiàn)經(jīng)線(xiàn)經(jīng)線(xiàn)曲率半徑rφ緯線(xiàn)平行圓θ基準(zhǔn)子午面φdφ法線(xiàn)rφdsφdsθrθ經(jīng)線(xiàn)曲率中心緯線(xiàn)曲率中心緯線(xiàn)曲率半徑rθ經(jīng)線(xiàn)曲率半徑rφ緯線(xiàn)曲率半徑rθ平行圓θφdφrφdsφdsθrθrh經(jīng)線(xiàn)曲率中心緯線(xiàn)曲率中心殼體平行圓半徑：經(jīng)線(xiàn)的線(xiàn)素長(zhǎng)度：●中面微元線(xiàn)素長(zhǎng)度及面素●中面微元線(xiàn)素長(zhǎng)度及面素平行圓的線(xiàn)素長(zhǎng)度：故中面面素為：●rφ意義：決定殼體的幾何形狀；●rθ意義：決定殼體的大??；●位置及長(zhǎng)度：任一點(diǎn)處的rφ和rθ位于同一直線(xiàn)上，但除球殼外，其它長(zhǎng)度均不同。二、幾何特征§2-1回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念和幾何特征②對(duì)于幾何形狀較復(fù)雜的殼體，如橢球形殼，一般根據(jù)經(jīng)線(xiàn)的曲線(xiàn)方程和高等數(shù)學(xué)的知識(shí)計(jì)算出rφ

，然后根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出rθ

?！駌φ和rθ的確定

①對(duì)于幾何形狀簡(jiǎn)單的殼體，如球殼和圓柱形殼等的rφ和rθ一般可由作圖法確定。二、幾何特征③常見(jiàn)殼體的rφ

、rθ●圓錐殼式中，R為殼體上任一點(diǎn)的平行圓半徑，α為經(jīng)線(xiàn)與回轉(zhuǎn)軸的夾角。二、幾何特征其中，R為圓柱殼橫截面半徑?！駡A柱殼●球殼其中，R為球殼半徑。二、幾何特征三、研究薄殼問(wèn)題的基本假設(shè)●完全彈性體：σ和ε符合虎克定律，且材料連續(xù)、均勻和各向同性?！裥∥灰疲簹んw受力后各點(diǎn)的位移都遠(yuǎn)小于壁厚?！裰本€(xiàn)法：中面的法線(xiàn)變形前后保持為直線(xiàn)且中面法線(xiàn)及其垂直線(xiàn)段之間的直角保持不變，即該二方向的剪應(yīng)變?yōu)榱??！癫粩D壓：殼體各層纖維變形前后互不擠壓?！?-2軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力分析①取微單元體；②受力分析（外力和內(nèi)力）；③由經(jīng)、緯向及微元中心法向的靜力平衡條件列方程；④整理簡(jiǎn)化。一、有力矩理論基本方程的建立yxzMθMθNθNθNφNφ+dNφMφ+dMφMφQφQφ+dQφrφdφdθP體素中心點(diǎn)P為原點(diǎn)x-φ角增大切向?yàn)檎齳-θ角增大切向?yàn)檎齴-P點(diǎn)內(nèi)法向?yàn)檎弑缀涡螤钆c載荷的軸對(duì)稱(chēng)∴四個(gè)截面上無(wú)扭矩、經(jīng)線(xiàn)截面上無(wú)剪力●內(nèi)力分析（單位長(zhǎng)度）●法向力Nφ和Nθ：若使單元體受拉，取為正；反之若使單元體受壓，則為負(fù)?！駨澗豈φ和Mθ：若使單元體向外撓曲（即增加曲率半徑），則為正；反之為負(fù)。內(nèi)力的正負(fù)規(guī)定●剪力Qφ：若指向z軸正方向而其所作用截面的外法線(xiàn)指向x軸的正方向，或Qφ指向z軸的負(fù)方向，而其所作用截面的外法線(xiàn)亦指向x軸的負(fù)方向時(shí)，則Qφ為正。yxzMθMθNθNθNφNφ+dNφMφ+dMφMφQφQφ+dQφrφdφdθP●σZ＝0●同一緯線(xiàn)上各點(diǎn)位移相同，單元體上無(wú)扭剪力?！瘭姚染曄驊?yīng)力（kgf/cm2）：取決于Nθ（kgf/cm）●σφ經(jīng)向應(yīng)力（kgf/cm2）

：取決于Nφ（kgf/cm）●τφz法向剪應(yīng)力：取決于Qφ主要內(nèi)力相應(yīng)的應(yīng)力●abcd和efgh截面上體素截面上的內(nèi)力●adeh截面上剪力：彎矩：法向力：彎矩：法向力：●bcfg截面上剪力：體素截面上的內(nèi)力彎矩：法向力：●外力q：?jiǎn)挝幻娣e上的外載面力：氣、液壓體力：重力●外力的分解qx(沿x軸正向)、qy(沿y軸正向)、qz(沿z軸正向)軸對(duì)稱(chēng)薄殼體素的外力分析當(dāng)薄殼受自重作用時(shí)，作用在中面kimn上的載荷q可分解為沿x軸上的載荷qx和垂直于面素即z軸上的載荷qz。x軸分力：z軸分力：體素上的外力分解（1）外力q在z軸方向的分力z軸方向上的受力分析dSθ（2）經(jīng)線(xiàn)力Nφ在z軸方向的分力dSφ（3）圓周力Nθ在z軸方向的分力z軸方向上的受力分析（4）剪力Qφ在z軸方向的分力

bcfg截面與adeh截面上的剪力在z軸上的投影，即分別乘以cos(dφ/2)≈1，亦即：體素經(jīng)線(xiàn)截面上的內(nèi)力分解體素緯線(xiàn)截面上的內(nèi)力分解單元體的力平衡方程據(jù)∑Fz=0，可得單元體在z軸上的平衡方程：（2-9）方程兩端同時(shí)除以得：?jiǎn)卧w的力平衡方程

同理，據(jù)∑Fx=0與∑Fy=0，可得單元體在x軸與y軸上的平衡方程：

式（2-11~13）即為殼體內(nèi)力分析的基本方程，含5個(gè)未知數(shù)，尚需補(bǔ)充兩個(gè)位移方程才能求解。

注意：qx與qz均為外載（自重）q沿X軸與y軸正向的分力，若二者實(shí)際方向相反，則必須帶“－”號(hào)。二、無(wú)力矩區(qū)域平衡方程的建立②取隔離體；③隔離體在回轉(zhuǎn)軸方向上的受力分析；④由回轉(zhuǎn)軸方向上的靜力平衡條件列方程；⑤整理簡(jiǎn)化。①無(wú)力矩理論的引入及其假定；

軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼中的彎矩很小，忽略后可以使殼體的應(yīng)力分析大大簡(jiǎn)化。忽略彎矩的殼體理論稱(chēng)為無(wú)力矩理論，亦稱(chēng)薄膜理論。殼體問(wèn)題按無(wú)力矩理論所得到的解答稱(chēng)為薄膜解。軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的無(wú)力矩理論基本假設(shè)：假定整個(gè)薄殼的所有橫截面上都沒(méi)有彎矩，即Mφ=Mθ=0，故Qφ＝0（如果Qφ≠0，則Qφ和Qφ＋dQφ一定會(huì)產(chǎn)生彎矩）。軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的無(wú)力矩假設(shè)

沿殼體上任意平行圓（半徑為R）正截殼體，取其中一部分作為研究對(duì)象，如右圖所示。取隔離體及其受力分析RQ1Q2假設(shè)以回轉(zhuǎn)軸oz為正方向，則：（1）外載在oz方向上的合力為：式中：Q1——?dú)んw自重在oz方向的投影；Q2——載荷在oz方向的投影。外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力在隔離體上取dl長(zhǎng)的一個(gè)微元環(huán)，其半徑為r，則：∴dQ2′在oz上的投影為：對(duì)于Q2的計(jì)算：外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力①如果載荷為氣體，即p=Constant，則：②如果載荷為液體，如圖所示，則：∴∴外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力③當(dāng)殼體為開(kāi)式，如圖所示，則：外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力（2）內(nèi)力Nφ在oz方向的投影為：而∴內(nèi)力在回轉(zhuǎn)軸上的合力據(jù)，即，則：∴此即軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的無(wú)力矩區(qū)域平衡方程，它反映了外載與內(nèi)力在回轉(zhuǎn)軸上的平衡。軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的區(qū)域平衡方程三、無(wú)力矩體素平衡方程的建立①取微單元體dsφ×dsθ；②微元體外法線(xiàn)方向上的外力分析；③經(jīng)、緯向力在微元體外法線(xiàn)方向上的分力；④由微元體外法線(xiàn)方向上的靜力整理簡(jiǎn)化。dφ●內(nèi)力分析（單位長(zhǎng)度）●abcd和efgh截面上體素截面上的內(nèi)力●adeh截面上●bcfg截面上（1）外力q在z軸方向的分力（外法線(xiàn)方向?yàn)檎﹝軸方向上的受力分析dSθ（2-6）dSφ（2-2）（2）經(jīng)線(xiàn)力Nφ在z軸方向的分力（3）圓周力Nθ在z軸方向的分力單元體的力平衡方程據(jù)∑Fz=0，可得單元體在z軸上的平衡方程：方程兩端同時(shí)除以得：無(wú)力矩理論的體素平衡方程

事實(shí)上，根據(jù)無(wú)力矩假定及有矩理論的殼體基本方程中式（2-12）：（2-28）請(qǐng)問(wèn)兩式右端為何存在“±”的差異？不難得出：整理得：無(wú)力矩理論的體素平衡方程（2-28′）

式（2-28′）稱(chēng)為軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼無(wú)力矩理論的體素平衡方程，它表明了外力和內(nèi)力在殼體法線(xiàn)方向上的平衡。

然而，軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼沿外法線(xiàn)方向上的外載多用p表示，故上列兩公式對(duì)應(yīng)的應(yīng)力方程為：無(wú)力矩體素平衡方程的補(bǔ)充說(shuō)明●p為連續(xù)分布的軸對(duì)稱(chēng)載荷，且其方向以沿殼體外法線(xiàn)方向?yàn)檎?，反之為?fù)?！瘭姚毡硎窘?jīng)向應(yīng)力，σθ表示緯向應(yīng)力，亦稱(chēng)周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力。若rφ＝∞，則σθ恒大于σφ，于是可直接由式（2-28′）計(jì)算出σθ，并以此作強(qiáng)度設(shè)計(jì)或強(qiáng)度校核?！駧缀涡螤睿罕?yīng)具有連續(xù)曲面，殼體形狀如曲率和壁厚無(wú)突變。●加載方式：薄殼所受載荷應(yīng)連續(xù)分布，且無(wú)任何突變，更不能有集中載荷。無(wú)力矩體素平衡方程的適用條件●邊界條件：殼體邊界固定形式應(yīng)是自由支承的（當(dāng)邊界上法向位移和轉(zhuǎn)角受到約束，在載荷作用下勢(shì)必引起殼體彎曲）。由此可見(jiàn)，薄殼無(wú)力矩狀態(tài)的存在必須滿(mǎn)足殼體幾何形狀、材料和載荷的連續(xù)性，同時(shí)須保證殼體具有自由邊界。當(dāng)這些條件之一不能滿(mǎn)足時(shí)，則不能應(yīng)用無(wú)力矩理論分析殼體的受力情況。無(wú)力矩體素平衡方程的適用條件①計(jì)算殼體幾何特征rφ、rθ；②取隔離體建立區(qū)域平衡方程，求σφ,p；③由體素平衡方程求σθ。四、應(yīng)用薄殼基本平衡方程解題步驟已知：厚度為t，半徑為R的球罐，內(nèi)裝滿(mǎn)密度為ρ的液體。如考慮支柱端部作為球殼的支承帶，試求在支承帶以上即α0角以?xún)?nèi)的球殼φ處由于液壓產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力σφ，σθ。薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例1α0β0φ支承帶σφφαdQzdQzdQoσφRr解：①rφ＝rθ＝R②取隔離體（正切），其受力分析如下所示。則：i.內(nèi)力在oz方向的合力薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例1ii.隔離體上φ處的外載荷σφφαdQzdQzdQoσφRriii.外力在oz方向的合力

●微元環(huán)（陰影）上的外力薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例1●外力在oz上的分力薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例1●外力在oz上的合力由，即得：iv.建立隔離體的區(qū)域平衡方程

薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例1則薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例1③由體素平衡方程得：解得：薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例1故薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例1習(xí)題一已知：厚度為t，半徑為R的球罐，內(nèi)裝密度為ρ的液體。如考慮支柱端部作為球殼的支承帶，試求在支承帶以下即β0角以外的球殼φ處由于液壓產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力σφ，σθ。β0φ支承帶答案：習(xí)題一已知：一有頂圓柱形罐，罐壁直徑為D，罐壁高度為H0，頂是半徑為R的球殼。球殼和圓柱形殼采用半徑為r的環(huán)殼光滑連接。罐內(nèi)裝有密度為ρ的油品。液面上的油品蒸氣壓力為p0，液位高度為H。壁厚均為t，不計(jì)自重。試計(jì)算罐壁的σφ，σθ。HH0薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例2解：①rφ＝∞，rθ＝D/2②建立區(qū)域平衡方程取隔離體，對(duì)其進(jìn)行受力分析，如右所示：薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例2外力在y方向投影為：外力：薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例2內(nèi)力在y方向投影：由得：薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例2③由體素平衡方程得：∴可見(jiàn)薄殼基本平衡方程的應(yīng)用實(shí)例2習(xí)題二HH0已知：一有頂圓柱形罐，罐壁直徑為D，罐壁高度為H0，頂是半徑為R的球殼。球殼和圓柱形殼采用半徑為r的環(huán)殼光滑連接。罐內(nèi)裝有密度為ρ的油品。液面上的油品蒸氣壓力為p0，液位高度為H。壁厚均為t，不計(jì)自重。試計(jì)算球殼和環(huán)殼的σφ，σθ。答案：1）對(duì)于球殼部分：2）對(duì)于環(huán)殼部分：習(xí)題二油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)

StrengthDesignOfOilTanksandPipes

教學(xué)內(nèi)容第三章立式圓柱形油罐的尺寸選擇和罐壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)§3-1罐壁結(jié)構(gòu)

§3-2罐壁鋼板厚度計(jì)算§3-3立式圓柱形油罐直徑和高度的選擇*

§3-4

罐壁邊緣應(yīng)力計(jì)算（下節(jié)點(diǎn)計(jì)算）

§3-5罐壁的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)教學(xué)目標(biāo)1、了解罐壁結(jié)構(gòu)，熟練掌握罐壁厚度的定點(diǎn)設(shè)計(jì)法;會(huì)用變點(diǎn)設(shè)計(jì)法來(lái)計(jì)算罐壁厚度。2、學(xué)會(huì)結(jié)合油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并按材料最省和投資費(fèi)用最低兩種類(lèi)型來(lái)確定油罐的基本尺寸——油罐的直徑和高度。3、掌握罐壁邊緣應(yīng)力的計(jì)算（下節(jié)點(diǎn)計(jì)算）。4、了解罐壁開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的原因，掌握補(bǔ)強(qiáng)的方法及相關(guān)的計(jì)算公式?！?-1罐壁結(jié)構(gòu)

●罐壁排板罐壁的縱截面一般為由下至上的逐級(jí)減薄的階梯形，是由不同厚度的鋼板焊接而成的。各相鄰圈板的厚度，可根據(jù)計(jì)算取相等，但上圈板的厚度不得大于下圈板的厚度，即ti≥ti+1。焊接接頭設(shè)計(jì)一般按國(guó)家現(xiàn)行的《焊接接頭的基本型式與尺寸》GB985~986/20的規(guī)定?！襁B接形式——對(duì)接①所有縱焊縫均采用對(duì)接，且必須全焊透。原因：由于罐壁縱焊縫直接承受液壓產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力，且σθ>σφ?！?-1罐壁結(jié)構(gòu)②為減少焊接影響和變形，相鄰兩圈板的縱向焊縫宜錯(cuò)開(kāi)1/3板長(zhǎng)（向同一方向），焊縫間距≥500mm。③浮頂油罐各圈板之間的連接必須采用對(duì)接，且內(nèi)壁齊平。否則，浮頂難以隨液面升降而上下移動(dòng)?！?-1罐壁結(jié)構(gòu)●連接形式—搭接（即套筒式）拱頂罐相鄰上下圈板的連接可用套筒式搭接，如右圖所示。圈板間的搭接長(zhǎng)度常取為35～60mm或(6～8)t（t為壁厚），但L搭≮30mm。§3-1罐壁結(jié)構(gòu)§3-1罐壁結(jié)構(gòu)大型立式油罐如果不是浮頂罐，下部＞16mm的圈板之間也采用對(duì)接，以保證焊接質(zhì)量，而上部較薄的圈板仍可采用套筒式搭接，這樣就變成了對(duì)接—搭接的混合式連接，如右圖所示?！襁B接形式——混合式§3-1罐壁結(jié)構(gòu)①若對(duì)接鋼板厚度＞6mm，則必須開(kāi)坡口；②罐壁上下圈板采用套筒式搭接時(shí)，罐壁外側(cè)角焊縫采用連續(xù)焊，其焊腳高度≮焊縫上側(cè)壁厚的2/3，且≮4mm，罐壁內(nèi)側(cè)角焊縫常采用間斷焊；但對(duì)腐蝕性介質(zhì)，仍采用連續(xù)焊，以避免搭接縫隙的腐蝕。

●連接注意事項(xiàng)§3-1罐壁結(jié)構(gòu)①圈板寬度越小，階梯形折線(xiàn)越趨近于理論計(jì)算直線(xiàn)，材料也就越省，但環(huán)焊縫數(shù)就越多，增加了制造安裝工作量?！袢Π鍖挾萮i②若底層圈板太窄，則由邊緣力所引起的最大環(huán)向應(yīng)力有可能落在上層圈板的下部，從而造成上圈板比底圈板厚的不合理現(xiàn)象。故圈板寬度不宜太窄！

§3-1罐壁結(jié)構(gòu)根據(jù)API650推薦，圈板hmin≮1.83米，而根據(jù)我國(guó)實(shí)際，鋼板寬度下限為：D＞16.5m，h≥1mD＜16.5m，h≥0.5m§3-2罐壁鋼板厚度計(jì)算●理論基礎(chǔ)：軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)薄殼的無(wú)力矩理論和第一強(qiáng)度理論。第一強(qiáng)度理論認(rèn)為：不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要材料最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到材料單向拉伸斷裂時(shí)的最大拉應(yīng)力即強(qiáng)度極限σb，材料將發(fā)生斷裂。故材料的斷裂條件為：當(dāng)該理論應(yīng)用于構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，其強(qiáng)度條件為：油罐在接近常壓的條件下貯存油品時(shí)，罐壁沿高度所受內(nèi)壓力主要是液體靜壓和較低的蒸汽壓力。在液面以上罐壁僅受蒸汽壓力p0的影響，而距罐底y處的壓力為py=p0+(H-y)ρg。一、罐壁強(qiáng)度條件一、罐壁強(qiáng)度條件業(yè)已導(dǎo)出罐壁經(jīng)向與環(huán)向應(yīng)力σφ和σθ分別為：顯然：D一、罐壁強(qiáng)度條件故按液面以下即H≥y＞0處的最大環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行罐壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)?！嘤傻谝粡?qiáng)度理論得：最大環(huán)向應(yīng)力所在處?、倏拷薜撞康娜Π灏磸?qiáng)度條件計(jì)算，靠近罐頂部的圈板按剛度條件設(shè)計(jì)；②按強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)的圈板應(yīng)以該圈板上的最大環(huán)向應(yīng)力計(jì)算；③儲(chǔ)存油品密度（即容重）比水小，則按靜水壓考慮；反之，按油品實(shí)際密度計(jì)算。二、罐壁鋼板厚度設(shè)計(jì)原則④中小型油罐的壁厚計(jì)算可采用定點(diǎn)法，而大型油罐多采用變點(diǎn)法。①定點(diǎn)設(shè)計(jì)：按距各圈板下端相同位置的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算各圈板的壁厚。三、中小型油罐壁厚的定點(diǎn)設(shè)計(jì)②壁厚計(jì)算：據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)于中小型罐，各圈板環(huán)向應(yīng)力最大的點(diǎn)不一定在圈板的最下端，而在圈板下端以上約0.3m的位置，則：注意各量意義及單位?。?-2）上式中：H—計(jì)算圈板底邊至罐壁頂端（當(dāng)設(shè)有溢流口時(shí)，應(yīng)至溢流口下沿）的垂直高度，m；D

—油罐直徑，m；t0—由強(qiáng)度條件計(jì)算的壁厚，mm；[σ]—設(shè)計(jì)溫度下罐壁鋼板的許用應(yīng)力，kgf/mm2；ρ—儲(chǔ)液容重，當(dāng)γ儲(chǔ)液＞1t/m3時(shí)，取儲(chǔ)液實(shí)際容重；當(dāng)γ儲(chǔ)液≤1t/m3時(shí)，取1t/m3；η—焊縫系數(shù)，取0.9。三、中小型油罐壁厚的定點(diǎn)設(shè)計(jì)

式中：t—罐壁設(shè)計(jì)厚度，mm；t0—罐壁計(jì)算厚度，mm；C0—鋼板厚度允許負(fù)偏差（P49表3-4），mm；C—腐蝕裕量，mm，根據(jù)油品腐蝕性能和對(duì)油罐使用年限的要求確定。（3-1）考慮到鋼板的負(fù)偏差和儲(chǔ)存介質(zhì)的腐蝕性，則罐壁設(shè)計(jì)厚度為：三、中小型油罐壁厚的定點(diǎn)設(shè)計(jì)●鋼板規(guī)格（P49表3-3）由式（3-1）計(jì)算的壁厚須按鋼板規(guī)格選取，故需將其向上圓整。四、中小型油罐壁厚選用注意事項(xiàng)

鑒于大型油罐進(jìn)行焊后熱處理（為消除殘余應(yīng)力）十分困難，故需要限制油罐的最大壁厚。各國(guó)規(guī)定最大壁厚一般不超過(guò)38mm，高強(qiáng)度鋼可取到45mm（日本JISB8501及API650附錄G規(guī)定）；國(guó)內(nèi)罐壁鋼板的最大厚度可按P49表3-2選取。●最大壁厚要求●最小壁厚要求按式（3-1）算得的油罐上部壁厚較薄，這容易造成施工變形過(guò)大，安裝后圓度不易保證，抗風(fēng)能力不足，使用壽命也會(huì)受到影響。四、中小型油罐壁厚選用注意事項(xiàng)為了滿(mǎn)足油罐安裝和使用的穩(wěn)定要求，壁厚應(yīng)符合最小壁厚的規(guī)定，詳見(jiàn)P48表3-1。五、罐壁厚度的變點(diǎn)設(shè)計(jì)●變點(diǎn)設(shè)計(jì)概念：據(jù)各圈板下端不同位置的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算各圈板壁厚的方法。●設(shè)計(jì)思路：考慮到罐壁相鄰圈板之間的相互影響，確定各圈板最大環(huán)向應(yīng)力的位置，并以此計(jì)算各圈板的壁厚。

●變點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：①比定點(diǎn)設(shè)計(jì)更符合罐壁應(yīng)力的實(shí)際情況；②對(duì)大容量罐，可減少某些圈板的壁厚，從而節(jié)省鋼材；③在tmax范圍內(nèi)可選更大直徑的罐。五、罐壁厚度的變點(diǎn)設(shè)計(jì)StartInput：H,D,γ,hi,n,σb,σsγ=1？YNP50表3-5P50表3-5六、罐壁厚變點(diǎn)設(shè)計(jì)的程序框圖Fori=2tonYN式中Hi為第i圈板底部距最高液面的高度六、罐壁厚變點(diǎn)設(shè)計(jì)的程序框圖F≤1.375？YNNextiF＞2.625？YEndN注意單位統(tǒng)一式中tai用tai’替代六、罐壁厚變點(diǎn)設(shè)計(jì)的程序框圖●所用公式中各量的物理意義及單位；●上述變點(diǎn)設(shè)計(jì)法是API650推薦的：七、罐壁厚變點(diǎn)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)①分別按設(shè)計(jì)條件（儲(chǔ)液實(shí)際容重）和充水試驗(yàn)條件（水容重1t/m3）計(jì)算；②t0i=max((toi+C)設(shè)計(jì)，(t0i)水)，并向上圓整；③toi≥to（i+1），且對(duì)于D＞60m的罐toi≥9?！?-3立式圓柱形油罐直徑和高度的選擇*●設(shè)計(jì)油罐的首要問(wèn)題：油罐的基本尺寸——直徑D和高度H?！裨O(shè)計(jì)原則：材料最省、建設(shè)費(fèi)用最低?！窕舅枷耄涸赩設(shè)＝C時(shí)，可從D和H的無(wú)數(shù)組合中找到一組最佳的，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)原則。●方法：建立數(shù)模Q＝f(D，H)，令Df/DH＝0即可得到D，H。一、等壁厚罐材料最省的直徑和高度設(shè)罐半徑為R，高為H，容積為V，壁厚為tsmin，底板厚為tb，頂板厚為tr，且假設(shè)罐底和罐頂為圓板，則罐各部分的材料用量為：罐壁：罐頂：罐底：總材料用量：∵∴一、等壁厚罐材料最省的直徑和高度一、等壁厚罐材料最省的直徑和高度則：（3-10）頂?shù)子昧抗薇谟昧可鲜絻啥藢?duì)H求導(dǎo)，并令dQ/dH＝0，即：一、等壁厚罐材料最省的直徑和高度∴當(dāng)，即，亦即頂?shù)子昧浚?/2罐壁用量時(shí)，油罐金屬用量最省，即：（對(duì)封口罐）一、等壁厚罐材料最省的直徑和高度由得：∴故（3-15）∴一、等壁厚罐材料最省的直徑和高度討論:1）對(duì)于無(wú)頂敞口罐，tr＝0，則：（3-16）故：一、等壁厚罐材料最省的直徑和高度2）對(duì)于頂、底、壁等厚的罐，即tb＝tsmin＝tr，由式（3-15）可得：H＝2R（3-17）∴當(dāng)H＝2R時(shí)，最省用材量為：一、等壁厚罐材料最省的直徑和高度3）等壁厚油罐由于受到壁厚tsmin的限制，因此只能用于一定容積范圍內(nèi)，這個(gè)容積取決于鋼板的機(jī)械性能和所規(guī)定的罐壁、罐頂厚度。實(shí)例對(duì)于A3鋼，[σ]=1600kgf/cm2，鋼板最小厚度為4mm，以此板材焊制成等壁厚罐即tb＝tsmin＝tr＝4mm。假設(shè)焊縫系數(shù)η＝0.9，γ＝0.001kgf/cm3。計(jì)算材料最省的等壁厚罐的容積。①解：②據(jù)等壁厚閉口罐材料最省條件式（3-17），即：H＝2R③據(jù)壁厚計(jì)算公式（3-2），且假設(shè)罐底部環(huán)向應(yīng)力最大，即y＝0處，得：式中：∴則實(shí)例∴結(jié)論：等壁厚油罐的容積約為1000m3，當(dāng)V＞1000m3時(shí)應(yīng)采用變壁厚罐。實(shí)例理論截面二、變壁厚罐材料最省的直徑和高度可能存在下部變壁上部等壁全部變壁D或p0大二、變壁厚罐材料最省的直徑和高度●罐壁承受液壓所需金屬量（圖中陰影部分的三角形環(huán)體積）：●罐頂、底金屬用量：∵∴二、變壁厚罐材料最省的直徑和高度●上部等壁厚各圈板不承受液壓部分H1的無(wú)益耗鋼量（圖中abc部分）：∵∴式中：二、變壁厚罐材料最省的直徑和高度●H1以下變壁厚部分的無(wú)益耗鋼量（各三角形環(huán)體積之和，三角形數(shù)目n＝（H－H1）/h）：

式中：h—變壁厚部分各圈板的高度；e—相鄰圈板的厚度差。二、變壁厚罐材料最省的直徑和高度則二、變壁厚罐材料最省的直徑和高度故油罐的總金屬用量為：將Q對(duì)H取一階導(dǎo)數(shù)，并令其為零，即：∴當(dāng)即時(shí)，Q有最小值。Q1Q2二、變壁厚罐材料最省的直徑和高度由此可得結(jié)論：①變壁厚罐用材最省的條件是：頂?shù)子貌牧恐偷扔诎磸?qiáng)度條件的罐壁用材量（即罐壁理論用材量）；由得：（3-29）③變壁厚罐的經(jīng)濟(jì)H取決于tb、tr和罐材強(qiáng)度。②變壁厚罐的經(jīng)濟(jì)H與V無(wú)關(guān)（∵α=[σ]η/γ，且罐材強(qiáng)度實(shí)際上相差不大，∴對(duì)于V大的罐，其H相差不多，而D較懸殊）；二、變壁厚罐材料最省的直徑和高度∴當(dāng)時(shí)：二、變壁厚罐材料最省的直徑和高度同理求得在較大剩余壓力下的經(jīng)濟(jì)高度仍為：此時(shí)：式中：Hp——相應(yīng)于剩余壓力的液柱高度，等于p/γ；p——油罐內(nèi)的剩余壓力；γ——所儲(chǔ)液體的容重。三、立式圓柱形油罐費(fèi)用最省的經(jīng)濟(jì)尺寸●基本思想：把罐壁、頂、底、基礎(chǔ)的造價(jià)和土地費(fèi)用，用單位面積年平均費(fèi)用來(lái)衡量，以貯罐年總平均費(fèi)用最少為原則導(dǎo)出貯罐的經(jīng)濟(jì)尺寸?！裰饕Y(jié)論：按費(fèi)用最省原則的推導(dǎo)過(guò)程及其主要結(jié)果，與上述材料最省原則雷同；況且我國(guó)石油部通用圖與浮頂罐系列一般按材料最省原則決定油罐的經(jīng)濟(jì)尺寸，故“油罐費(fèi)用最省的經(jīng)濟(jì)尺寸”在此就不多敘了。油罐型式材料最省的高度費(fèi)用最低的高度等壁厚無(wú)頂罐H≌RH≌R等壁厚有頂罐H≌2RH≌2R變壁厚有頂罐H≌H≌四、油罐經(jīng)濟(jì)高度和直徑選擇的分析表中C1、C2、C3分別為罐壁、頂、底單位面積的年平均費(fèi)用，￥/a.m2小罐大罐總之，油罐的經(jīng)濟(jì)尺寸應(yīng)和地基條件相聯(lián)系，特別是大型油罐，由于投資大，因此應(yīng)結(jié)合地基條件通過(guò)多方案比較，以便獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。只有總的工程造價(jià)和材料消耗最低，才能得到真正的油罐經(jīng)濟(jì)尺寸。四、油罐經(jīng)濟(jì)高度和直徑選擇的分析§3-4

罐壁邊緣應(yīng)力計(jì)算（下節(jié)點(diǎn)計(jì)算）一、罐壁下節(jié)點(diǎn)基本概念下節(jié)點(diǎn)罐壁因受到靜液壓的作用，會(huì)沿徑向發(fā)生變形。但因罐底約束，節(jié)點(diǎn)處的徑向位移將受到阻礙，因而在罐下端的局部范圍內(nèi)將產(chǎn)生縱向彎曲力矩M0和剪力Q0?！襁吘壭?yīng)和邊緣應(yīng)力由于罐底板約束罐壁邊緣而產(chǎn)生的邊緣力系的現(xiàn)象稱(chēng)為邊緣效應(yīng)。由于罐壁下節(jié)點(diǎn)邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為下節(jié)點(diǎn)邊緣應(yīng)力?！裣鹿?jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核的對(duì)象：高強(qiáng)度大油罐①對(duì)于小油罐（1000m3以下），由于鋼板較薄，板的剛性小，邊緣應(yīng)力影響不大，故不進(jìn)行下節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核；一、罐壁下節(jié)點(diǎn)基本概念②變點(diǎn)法設(shè)計(jì)的油罐，由于已考慮了M0和Q0的影響，可不校核底圈板壁厚，但要校核丁字焊縫和環(huán)板的強(qiáng)度；③定點(diǎn)法設(shè)計(jì)的油罐，需要校核底圈板壁厚；④高強(qiáng)度大油罐，需要校核底圈板壁厚。一、罐壁下節(jié)點(diǎn)基本概念二、罐壁下節(jié)點(diǎn)受力分析假設(shè)將罐壁與罐底從連接處（即下節(jié)點(diǎn)）切開(kāi)，二者之間的聯(lián)系用M0與Q0替代，如右圖所示。因此，M0與Q0、以及罐壁傳來(lái)的載荷G和液壓P(x)都會(huì)在下節(jié)點(diǎn)處使罐壁與罐底產(chǎn)生位移與轉(zhuǎn)角，而實(shí)際上罐壁和罐底并未分開(kāi)，它們之間無(wú)相對(duì)位移。據(jù)下節(jié)點(diǎn)壁、底位移協(xié)調(diào)條件得力法方程：轉(zhuǎn)角位移（3-42）三、罐壁下節(jié)點(diǎn)力法方程

罐壁和罐底因載荷G在i方向上所引起的位移或轉(zhuǎn)角之和。

罐壁和罐底因壓力p在i方向上所引起的位移或轉(zhuǎn)角之和。式中：罐壁罐底1→在M0方向上的轉(zhuǎn)角2→在Q0方向的位移ex：

表示罐壁和罐底因單位力Q0＝1在M0方向上所引起的轉(zhuǎn)角之和。

表示罐壁和罐底因單位彎矩M0＝1在Q0方向上所引起的位移之和。表示位移的方向1→在M0方向上的轉(zhuǎn)角2→在Q0方向的位移1→M0＝12→Q0＝1表示產(chǎn)生位移的單位力柔性系數(shù)，單位力所產(chǎn)生的位移。

罐壁和罐底因單位力j在i方向所引起的位移或轉(zhuǎn)角之和。由位移互等定理得：三、罐壁下節(jié)點(diǎn)力法方程●彈性連接由于罐底水平位移和罐壁位移相比小得多，可近似看作零（罐底為拉伸變形，而罐壁為彎曲變形，顯然后者遠(yuǎn)大于前者），因此可作為彈性連接處理，則：四、罐壁下節(jié)點(diǎn)力法方程的求解∴由式（3-42）得：（3-44）（3-43）聯(lián)解式（3-44）可得：（3-45）四、罐壁下節(jié)點(diǎn)力法方程的求解●鉸接連接∴由式（3-44）得：（3-46）當(dāng)罐壁很厚，罐底很薄時(shí)，可視其連接為鉸接，則M0＝0，且除和不為零外，其余柔性系數(shù)皆為零。四、罐壁下節(jié)點(diǎn)力法方程的求解●固接連接∵罐底一般安裝在專(zhuān)用基礎(chǔ)上，與地面無(wú)相對(duì)滑動(dòng)?！嗫梢暪薇谂c罐底的連接為固接，罐壁（底？）在下節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角與位移均為0，則由式（3-44）可得：（3-48）四、罐壁下節(jié)點(diǎn)力法方程的求解●對(duì)于大中型罐，可按彈性連接計(jì)算；對(duì)于小型罐，可按鉸接計(jì)算；對(duì)于大型厚壁罐，可按固接計(jì)算。●一般地，油庫(kù)油罐下節(jié)點(diǎn)可視為彈性連接，但為了安全，可按固接計(jì)算。因?yàn)槿N連接方式中，固接應(yīng)力最大，鉸接最小，彈性連接居中。五、力法方程求解中的注意事項(xiàng)①分別列出罐壁和罐底的撓曲線(xiàn)微分方程；②解微分方程得撓曲線(xiàn)方程的通解；③據(jù)邊界條件確定待定常數(shù)，即可求出罐壁和罐底的撓曲線(xiàn)方程的特解；④求柔性系數(shù)。六、罐壁和罐底柔性系數(shù)的計(jì)算步驟①取微元體靠近罐底，用兩個(gè)相鄰平行圓與兩個(gè)相鄰經(jīng)線(xiàn)平面截取。②受力分析∵拱頂罐p蒸汽<200mm水柱，而浮頂罐無(wú)p蒸汽∴罐壁上任一點(diǎn)只考慮液壓的對(duì)稱(chēng)作用七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算又∵罐壁變形后各點(diǎn)的曲率不同∴存在dQ與dM取，上式可整理為：（3-50）③據(jù)靜力平衡條件得：yTT④聯(lián)系罐壁的變形a)沿罐壁縱向取一單位寬度的微元條研究，可視其為懸臂梁。yxP(x)七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算其中：D——罐壁筒體的抗彎剛度，t——罐壁厚度；ν——波桑系數(shù)。b)由材料力學(xué)可得：yP(x)xM+Q+M+Q+七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算罐壁環(huán)向應(yīng)變則∴（3-51）c)對(duì)式（3-50）中的T、Q作變換得：環(huán)向力七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算⑤解微分方程為了方便，引入?yún)?shù)：罐壁彈性系數(shù)罐壁特征系數(shù)則（3-52）解得：（3-53）∵又∵

x↑，↑→y↑∴這和x↑，y↓的實(shí)際情況不相符則C1＝C2＝0（3-54）∴罐壁的撓度方程為七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算⑥求解柔性系數(shù)為便于分析，引入尋墨爾函數(shù)、、和，它們都是mx的函數(shù)。具體地：則尋墨爾函數(shù)對(duì)x的一階導(dǎo)數(shù)分別為：七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算∵液壓∴則據(jù)下節(jié)點(diǎn)的邊界條件：，又∵，，，則聯(lián)解上兩式得：七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算∴罐壁的撓度方程為：罐壁上任一點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為：令，則：（3-55）（3-56）七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算由式（3-55）和式（3-56）計(jì)算罐壁柔性系數(shù)：七、罐壁柔性系數(shù)的計(jì)算●罐底撓曲方程的建立①假設(shè)：罐底基礎(chǔ)是彈性的，把罐底當(dāng)作彈性地基梁處理（據(jù)此，基礎(chǔ)對(duì)梁的連續(xù)分布的反力與各點(diǎn)的沉陷量y成正比，即當(dāng)梁上任一點(diǎn)的撓度為y時(shí)，則該點(diǎn)反力為Kby，Kb為地基系數(shù)）。八、罐底柔性系數(shù)的計(jì)算②基本方法：利用彈性地基梁的解法，分別求出罐底在M0、G與液壓作用下的撓曲線(xiàn)方程（P68表3-7，Q0對(duì)罐底撓曲影響不大，忽略），然后疊加即得罐底的撓曲線(xiàn)方程。八、罐底柔性系數(shù)的計(jì)算●計(jì)算罐底柔性系數(shù)（P70表3-8）yxP=HγM0Q0Gc注：將罐壁與罐底柔性系數(shù)代入式（3-45）或（3-48）即可求出M0與Q0，若計(jì)算結(jié)果為負(fù)，則實(shí)際方向與假設(shè)方向相反。①局部性：邊緣應(yīng)力的作用有一定的范圍，在遠(yuǎn)離邊緣處，其影響不大。②自限性：發(fā)生邊緣彎曲的原因是由于下節(jié)點(diǎn)處罐底約束罐壁的徑向位移，亦即薄膜應(yīng)力引起的彈性變形不協(xié)調(diào)，同時(shí)當(dāng)邊緣兩側(cè)的彈性變形相對(duì)約束時(shí)，在該處就產(chǎn)生邊緣應(yīng)力。但當(dāng)邊緣處的局部材料發(fā)生屈服時(shí)，這種約束就趨于緩解，結(jié)果邊緣應(yīng)力就自動(dòng)限制，使變形趨向協(xié)調(diào)而不再繼續(xù)發(fā)展。九、下節(jié)點(diǎn)邊緣應(yīng)力的性質(zhì)九、下節(jié)點(diǎn)邊緣應(yīng)力的性質(zhì)

據(jù)ASME鍋爐及受壓容器規(guī)范：具有自限性的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，而薄膜應(yīng)力屬于一次應(yīng)力。因此，在設(shè)計(jì)中如果薄膜應(yīng)力取[σ]＝0.6～0.7σs（材料屈服極限），則對(duì)邊緣應(yīng)力可取較大的許用應(yīng)力。比如一些規(guī)范規(guī)定：一次應(yīng)力和二次應(yīng)力之和可以控制在2σs以?xún)?nèi)（即安定性原理）。對(duì)于這種條件下的結(jié)構(gòu)稱(chēng)之為處于安定狀態(tài)。十、下節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核●下節(jié)點(diǎn)鋼板的最大彎曲應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足：式中t——底圈板壁厚或底板環(huán)板厚度。（按純彎曲）（3-57）●下節(jié)點(diǎn)焊縫剪應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足：（3-58）式中

A——焊縫面積，A＝2×0.7h；W——焊縫截面系數(shù)，W＝0.7h(t＋h)，t為底圈板厚；h——下節(jié)點(diǎn)角焊縫直角高度，一般為底板環(huán)板厚。①對(duì)于罐頂與罐壁連接處，由于兩個(gè)曲率半徑不同的殼體焊在一起，其連接處自由變形不同，故在連接處也將產(chǎn)生邊緣力矩和剪力，其求解法可采用下節(jié)點(diǎn)類(lèi)似的計(jì)算方法。②對(duì)于氣體壓力接近常壓（如200mmH2O）作用下的罐，上節(jié)點(diǎn)的邊緣力并不大，一般可不作計(jì)算。下節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核的補(bǔ)充說(shuō)明③下節(jié)點(diǎn)法以罐基礎(chǔ)是彈性基礎(chǔ)為前提，實(shí)際上它在載荷作用下存在一定的塑性變形，并非完全彈性的。故該法是近似算法。對(duì)四周做有環(huán)形混凝土圈梁的罐基礎(chǔ)，若將其整體視為均勻的、彈性的，則與實(shí)際相距甚遠(yuǎn)，建議采用其它解法，如P74～79所敘?！?-5罐壁的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)一、開(kāi)孔類(lèi)型及作用①進(jìn)出油管孔；②消防管孔；③清掃孔；④人孔二、補(bǔ)強(qiáng)的原因①孔口附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，削弱罐壁強(qiáng)度；②開(kāi)孔結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中會(huì)形成缺陷和殘余應(yīng)力，可能造成疲勞破壞或脆性裂口，使孔口處撕裂。在開(kāi)孔的周?chē)干涎a(bǔ)強(qiáng)圈板，以增大開(kāi)孔周?chē)谋诤瘢档涂字車(chē)膽?yīng)力。①補(bǔ)強(qiáng)金屬應(yīng)直接焊在孔的附近才能起到作用，一般做法都是將補(bǔ)強(qiáng)圈板緊貼孔口周?chē)?。②在人孔補(bǔ)強(qiáng)板橫向中心線(xiàn)上應(yīng)開(kāi)一個(gè)M10（螺紋內(nèi)徑）的訊號(hào)孔（a.利于焊渣和煙排除；b.若存在焊接質(zhì)量，試水時(shí)將發(fā)生泄漏）。三、罐壁開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法●等截面補(bǔ)強(qiáng)：屬經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并規(guī)定：a)用與罐壁相同（材質(zhì)與壁厚）的鋼板作補(bǔ)強(qiáng)板；b)補(bǔ)強(qiáng)板面積A＝D孔×壁厚＝D縱向×t0s（計(jì)算壁厚）。該法偏于保守、較繁，但歷史長(zhǎng)、可靠、應(yīng)用廣?！駱O限分析補(bǔ)強(qiáng)：屬極限設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮到了結(jié)構(gòu)的安定性。其基本點(diǎn)：殼體開(kāi)孔后的屈服應(yīng)力基本上等于未開(kāi)孔時(shí)的屈服應(yīng)力，并使開(kāi)孔周?chē)牟贿B續(xù)應(yīng)力和一次薄膜應(yīng)力迭加后總應(yīng)力＜2σs，該法只允許采用整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。四、罐壁開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則●環(huán)形板環(huán)形板外徑為內(nèi)徑的2倍左右，適用于開(kāi)孔直徑≤Dg250mm。五、罐壁開(kāi)孔等截面補(bǔ)強(qiáng)形式五、罐壁開(kāi)孔等截面補(bǔ)強(qiáng)形式●多邊形板多邊形板的內(nèi)切圓直徑取為補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)孔直徑的2倍左右，適用于開(kāi)孔直徑＞Dg250mm。六、等截面補(bǔ)強(qiáng)的有效范圍由于開(kāi)孔附近應(yīng)力集中的局部性，添加的補(bǔ)強(qiáng)金屬只有在靠孔口的局部范圍內(nèi)才能起到有效的補(bǔ)強(qiáng)作用，稱(chēng)此范圍為有效范圍。接管罐壁tptsdba①有效高度H＝2d＝2×縱向開(kāi)孔直徑接管罐壁tptsdba②有效寬度內(nèi)側(cè)：（對(duì)浮頂罐此項(xiàng)應(yīng)為零）B1＝2.5ts外側(cè)：B2＝2.5tp+a其中tP—接管的壁厚；

ts—開(kāi)孔處罐壁的厚度；

a—補(bǔ)強(qiáng)板厚度，一般與罐壁厚相同。六、等截面補(bǔ)強(qiáng)的有效范圍●需要補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積A：式中t0s——開(kāi)孔處罐壁的計(jì)算壁厚●罐壁ts＞t0s的部分可用作補(bǔ)強(qiáng)的截面積A1：式中ts——開(kāi)孔處罐壁的實(shí)際厚度七、等截面補(bǔ)強(qiáng)金屬面積的計(jì)算●接管上tsP＞top的部分可用作補(bǔ)強(qiáng)的截面積A2：式中B—補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的有效寬度即min(B1，B2)。七、等截面補(bǔ)強(qiáng)金屬面積的計(jì)算

∵補(bǔ)強(qiáng)板厚度通常采用與罐壁相同的厚度∴根據(jù)上式可確定補(bǔ)強(qiáng)板的幾何尺寸●補(bǔ)強(qiáng)板金屬面積A3：

若，則不需要補(bǔ)強(qiáng)；反之，則需要補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)金屬面積為：據(jù)SYJ1016-82規(guī)定：罐壁各種公稱(chēng)直徑的開(kāi)口接管及補(bǔ)強(qiáng)圈板規(guī)格可按P81表3-10選用。表中D外指環(huán)形補(bǔ)強(qiáng)板的外徑或多邊形補(bǔ)強(qiáng)板的內(nèi)切圓直徑，D內(nèi)指補(bǔ)強(qiáng)圈開(kāi)孔直徑。當(dāng)罐壁開(kāi)孔接管直徑不超過(guò)Dg50時(shí)，可不進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。八、罐壁開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)圈板標(biāo)準(zhǔn)系列油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)

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教學(xué)內(nèi)容第四章立式圓柱形油罐罐頂（固定頂）設(shè)計(jì)

拱頂結(jié)構(gòu)及幾何尺寸的計(jì)算；拱頂載荷的計(jì)算；包邊角鋼所需面積；拱頂球殼的穩(wěn)定性校核。教學(xué)目標(biāo)1、了解拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)及特點(diǎn)；2、掌握拱頂?shù)脑O(shè)計(jì)壓力及包邊角鋼的計(jì)算；3、掌握拱頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及拱頂球殼的穩(wěn)定校核。●拱頂組成

中心蓋板和瓜皮（扇形）板組成，形狀近似球面。拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)●拱頂各部分的連接

①瓜皮板塊數(shù)一般取為偶數(shù)，對(duì)稱(chēng)安排。板與板之間可對(duì)接或互相搭接，實(shí)際搭接寬度≮5倍板厚且≮25mm，一般搭接寬度多采用40mm。搭接的瓜皮板在外側(cè)采用連續(xù)焊，內(nèi)側(cè)用間斷焊。

②中心蓋板搭在瓜皮板上，搭接寬度一般取50mm?！翊_定原則

拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸當(dāng)ts＝tr時(shí)，在氣體內(nèi)壓作用下，應(yīng)使，否則罐頂與罐壁將在連接處發(fā)生相對(duì)位移。●球頂曲率半徑R（4-6）一般取球頂曲率半徑與罐徑之差≯20％，即：∵當(dāng)ts＝tr時(shí)，在氣體內(nèi)壓p作用下，罐壁頂部與罐頂?shù)沫h(huán)向應(yīng)力分別為和?！嘁梗厥?。球頂幾何尺寸拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸ρDRh●過(guò)渡部分曲率半徑ρ

當(dāng)ρ↑時(shí)，則拱頂高h(yuǎn)↑、氣體空間↑、用料量↑；反之，過(guò)渡處局部彎曲應(yīng)力σ↑。一般取ρ＝0.1D，此時(shí)h≈0.2D。●瓜皮板幾何尺寸

參見(jiàn)《大型貯罐設(shè)計(jì)》上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1986,8●以圓弧過(guò)渡與罐壁相連

此形式連接處無(wú)橫推力，受力情況較好，邊緣應(yīng)力小，承壓能力較高，但需沖壓加工，施工較難。拱頂與罐壁的連接形式●以包邊角鋼將罐頂與罐壁相連罐頂傳來(lái)的橫推力由角鋼承擔(dān)，安裝制造方便，廣泛用于承壓較低的液體貯罐。SYJ1016-82第3.4.5條規(guī)定：“罐頂與包邊角鋼間的連接，應(yīng)采用弱頂結(jié)構(gòu)。外側(cè)用連續(xù)焊，焊腳高度≯頂板厚度的3/4，且不得＞4mm，內(nèi)側(cè)不予焊接”。拱頂與罐壁的連接形式注意：

“罐頂與包邊角鋼間采用弱頂結(jié)構(gòu)”的目的：在儲(chǔ)罐運(yùn)行中，萬(wàn)一操作失誤，使罐內(nèi)壓力過(guò)大，罐體開(kāi)始破裂時(shí)，首先把罐頂板掀開(kāi)而迅速泄壓，從而避免因罐壁破裂帶來(lái)更大的損失。拱頂與罐壁的連接形式（a）（b）球殼球殼罐壁罐壁包邊角鋼包邊角鋼筋板①拱頂部分存在油氣空間；②能承受較高的內(nèi)壓，一般為0.02kgf/cm2，最大可達(dá)到0.1kgf/cm2（當(dāng)閥阻塞時(shí)）;③剛性好，施工方便，多采用充氣倒裝法施工，高空作業(yè)少，施工周期短，施工費(fèi)用低。拱頂?shù)奶攸c(diǎn)式中qE——作用在球殼上的外載荷，kgf/m2；q1——球殼自重（按投影面積），kgf/m2；q2——罐內(nèi)設(shè)計(jì)負(fù)壓，即操作條件下，罐內(nèi)可能產(chǎn)生的最大真空度；它是因抽空或氣體空間中氣體因溫降收縮而形成的，一般取1.2倍的吸氣閥開(kāi)啟壓力或50mmH2O，即50kgf/m2；拱頂?shù)脑O(shè)計(jì)壓力——單位面積的垂直載荷●設(shè)計(jì)外壓qE（4-7）q3——雪載，可按最新版的《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》（GB50009-2001）中有關(guān)章節(jié)選取，也可根據(jù)建罐地區(qū)實(shí)際氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)選取，通常取30kgf/m2；q4——活載荷（主要考慮貯罐頂部檢修人員及工具的重量等外載荷），通常取40kgf/m2。拱頂?shù)脑O(shè)計(jì)壓力——單位面積的垂直載荷●設(shè)計(jì)內(nèi)壓qi式中qi——作用在球殼上的內(nèi)載荷，kgf/m2；q5——罐內(nèi)最大正壓力，可取呼氣閥的開(kāi)啟應(yīng)力，通常取200mmH2O，即200kgf/m2；K——超載系數(shù)，取K＝1.2。拱頂?shù)脑O(shè)計(jì)壓力——單位面積的垂直載荷（4-8）●注意事項(xiàng)①q2+q3+q4的取值最小不應(yīng)＜120kgf/m2；

②qE估計(jì)不足時(shí)，會(huì)使球殼受壓失穩(wěn)，也會(huì)使包邊角鋼拉壞；qE估計(jì)過(guò)高時(shí)，會(huì)造成材料上的浪費(fèi)；③qi是由罐內(nèi)的氣體壓力產(chǎn)生的，它會(huì)使球殼產(chǎn)生薄膜應(yīng)力，并使包邊角鋼成為受壓環(huán)。拱頂?shù)脑O(shè)計(jì)壓力——單位面積的垂直載荷●作用

加固罐體上部邊緣，對(duì)固定頂罐還傳遞罐頂載荷。包邊角鋼●包邊角鋼的規(guī)格①浮頂罐內(nèi)徑（m）包邊角鋼最小尺寸（mm）D≤20∠63×6D＞20∠75×8②內(nèi)浮頂罐和拱頂罐內(nèi)徑（m）包邊角鋼最小尺寸（mm）D≤20∠63×620＜D≤36∠75×836＜D≤48∠90×8D＞48∠100×10包邊角鋼●連接方式①自身連接：對(duì)接或沖壓成型。若對(duì)接則必須全焊透、全熔合。②與固定頂?shù)倪B接：搭接，采用弱頂結(jié)構(gòu)。③與罐壁的連接：對(duì)接或搭接，但角鋼的水平肢，對(duì)于浮頂罐，必須朝外；對(duì)于固定頂或內(nèi)浮頂罐，可朝外或朝內(nèi)。包邊角鋼①邊緣力系Mf、Qf很小，可忽略；上節(jié)點(diǎn)拱頂罐上節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算罐壁上部②薄膜應(yīng)力：罐頂拱頂罐上節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算③包邊角鋼橫截面所受的力FFFT2a、受力分析當(dāng)qE＞qi時(shí)的受力狀況T2T1αQ拱頂罐上節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算b、外力▲罐頂總垂直載荷T2T1αQ（4-9）▲罐頂沿周邊單位長(zhǎng)度上的經(jīng)向力（4-11）T1水平分力或橫推力（4-12）FFT2拱頂罐上節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算

式中T2的方向由確定，當(dāng)qE＞qi即拱頂受外壓時(shí)，包邊角鋼受拉，T2背向圓心；反之，包邊角鋼受壓，T2指向圓心。c、包邊角鋼橫截面受力（4-13）●加強(qiáng)區(qū)：包邊角鋼以及包邊角鋼在罐頂及罐壁兩側(cè)的各16倍壁厚范圍內(nèi)的材料共同承受水平力，此區(qū)域稱(chēng)為加強(qiáng)區(qū)，如右圖所示。包邊角鋼所需面積球殼罐壁包邊角鋼16ts16tr式中[σ]——許用應(yīng)力，kgf/cm2，取，其中σs為材料的屈服極限，kgf/cm2，通常包邊角鋼采用A3F，σs＝2400kgf/cm2；η——焊縫系數(shù)，可取η＝0.85。包邊角鋼所需面積●加強(qiáng)區(qū)最小面積（4-14）●包邊角鋼所需面積式中A——包邊角鋼的截面積，cm2；ts——與包邊角鋼相連的壁板厚度，cm；tr——罐頂板厚度，cm。注：日、美、英規(guī)范給出了不同的Amin計(jì)算式（4-16～4-18）。包邊角鋼所需面積（4-15）①?gòu)?qiáng)度校核：由qi計(jì)算薄膜應(yīng)力，用第一強(qiáng)度理論校核。②穩(wěn)定性校核：在qE作用下的情況。當(dāng)穩(wěn)定性不夠時(shí)，則采用加強(qiáng)筋。球殼設(shè)計(jì)●球殼設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容●球殼類(lèi)型①光面：V≤1000m3；②加筋：V＞1000m3，在滿(mǎn)足拱頂穩(wěn)定性的情況下，使拱頂重量最輕?！袂驓ぐ搴?/p>

球殼板厚均有一定的限制，超過(guò)該限制是不合理的，對(duì)此各個(gè)國(guó)家均有自己的規(guī)定，日、美、英及我國(guó)的規(guī)定見(jiàn)P89）。球殼設(shè)計(jì)●必要性：球形拱頂是由薄鋼板組成的殼體，在外力作用下可能發(fā)生屈曲變形。例如：當(dāng)呼吸閥失靈，或試水（放水）時(shí)吸氣閥未打開(kāi)，或放液速度過(guò)快時(shí)，會(huì)造成罐內(nèi)真空度過(guò)大而使罐頂局部失穩(wěn)。為此，應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)外壓下的穩(wěn)定性校核。拱頂球殼的穩(wěn)定性校核●光面球殼穩(wěn)定性校核Ⅰ計(jì)算球殼臨界載荷式中Pcr——臨界載荷，kgf/cm2；t與R——板厚與球殼曲率半徑，cm；E——彈性模量，kgf/cm2。拱頂球殼的穩(wěn)定性校核①古典球殼臨界載荷公式（4-20~21）一般取ν＝0.3②krenzke的修正公式（4-22~23）拱頂球殼的穩(wěn)定性校核③卡門(mén)和錢(qián)學(xué)森公式（4-24）（4-25）Ⅱ計(jì)算[Pcr]

國(guó)內(nèi)常用方法：由式（4-21）右端除以穩(wěn)定安全系數(shù)1.2得：III判據(jù)

當(dāng)[Pcr]＞qE時(shí)，則穩(wěn)定，否則應(yīng)加厚或加筋或更換鋼材。拱頂球殼的穩(wěn)定性校核●帶筋拱頂球殼穩(wěn)定性校核（參見(jiàn)P90～91，自學(xué)）油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)

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第五章浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)§5-1浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)§5-2浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則§5-3第一準(zhǔn)則的計(jì)算和校核§5-4第二準(zhǔn)則的計(jì)算和校核§5-5第三準(zhǔn)則的計(jì)算和校核§5-6浮頂?shù)膹?qiáng)度及穩(wěn)定性校核教學(xué)內(nèi)容1、了解油罐浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特征以及密封裝置的類(lèi)型和性能；2、掌握浮頂設(shè)計(jì)的基本原則；3、掌握第一、第二準(zhǔn)則的具體應(yīng)用及有關(guān)計(jì)算公式的適用條件，掌握第三準(zhǔn)則的應(yīng)用，掌握浮頂?shù)膹?qiáng)度和穩(wěn)定性校核的方法和應(yīng)用。教學(xué)目的●結(jié)構(gòu)類(lèi)型一、浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)

①雙盤(pán)式：耗鋼量大、費(fèi)用高、自重大、操作不便、保溫效果好，多用于輕質(zhì)油的貯存，罐容≤5000m3。艙室（有靜止空氣）蓋板單盤(pán)浮船（艙室）②單盤(pán)式：耗鋼量少、費(fèi)用省、熱損耗大，應(yīng)用廣，罐容≥5000m3。●單盤(pán)式浮頂一、浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)

（1）結(jié)構(gòu)：a）浮艙：浮船由隔板分隔成若干互不滲漏的艙室。b）單盤(pán)：鋼板搭接（①寬度≮5t且≮25mm；②上（外）側(cè)連續(xù)滿(mǎn)角焊，下（內(nèi)）側(cè)間斷焊，但剛性較大的構(gòu)件或立柱周?chē)?00mm內(nèi)須連續(xù)滿(mǎn)焊）c）單盤(pán)-浮船連接：角鋼連接一、浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)

（2