混凝土低温罐与双钢低温罐承压环设计比较.pdf

静设备 石 油 化 工 设 备 技 术 ， 2 O 1 2 ， 3 3 ( 3 ) 5 P e t r o Che mi c a l Eq ui pme nt Te c hno l o gy 混凝土低温罐 与双钢低温罐承压环 设计 比较 张 清 ( 中国石化工程建设有 限公 司， 北京 1 0 0 1 0 1 ) 摘 要 ： 文章通过对双钢全容罐和预应 力混凝 土全容 罐 两种 结构型式低 温储罐 承压环 的设计和计 算方 法进 行分析对比 ， 指 出其异 同点及 目前所 用简化计算 方法的不足 ， 对低 温储罐 承压环 ， 特别是预 应 力混 凝土 全容罐 承压环的设计提 出一些建议。 关键 词 ： 低温储罐双钢全容罐预应 力混凝 土全容罐承压环锚杆 低 温储 罐是 一种 专 门用 于储 存 和输送 低温 液 体 的装置， 分为单容罐 、 双容罐 、 全容罐三种类型。 选 择何 种型 式 的储 罐 主 要取 决 于 建 造 成 本 、 运 行 费 用 、 占地 面积 、 场地 地质 、 环境 、 与码 头 的距离 以 及外界条件对储罐安全的影响等多种因素 。一般 来讲 ， 全容罐的建造成本高于单容罐 ， 但操作费用 低 于单 容罐 。同时单 容罐 的蒸发 气处 理 系统 和消 防系统 建造 费 用 高 于全 容 罐 。在 安 全 性 上 ， 全 容 罐 的安 全性 高 于 单 容罐 和双 容 罐 。所 以 ， 从 占地 面积 、 安全 性能 、 经济 性及 目前 的技术 发展 等方 面 综 合考 虑 ， 全容罐 越来 越得 到普 遍使 用 。 全容罐又分为双钢全容罐和预应力混凝土全 容 罐 两种 。罐 直径 较 小 时 选 用双 钢 全 容 罐 ， 直 径 较 大 时选用 预应 力混 凝土 全容 罐 。这 两种 类 型储 罐 承 压 环 的功 能 、 工 况 和受 力 条件 不 同 ， 因此 ， 其 设计原则、 设计方法也应 当不同。目前 的低温储 罐 设计 规 范 有 关 于 双 钢 全 容 罐 承 压 环 的设 计 内 容 ， 却 没有 设计 预应 力 混 凝 土 全 容 罐 钢穹 顶 承 压 环 的 内容 。本文 将针 对这 两种 类型储 罐 承压环 的 设 计 进行分 析 比较 。 1 全 容罐 结构 型式 全容罐 由主 容 罐 ( 内罐 ) 和 次 容 罐 ( 外 罐 ) 组 成 。 内外罐 之 间设有 一定 的空 间 ， 内填保 冷材 料 ， 一 旦 内罐的低温液体泄漏 ， 外罐将起到二次 防护 的作 用 。对 装 置 的控 制 和物料 的输送 仍 然可 以继 续， 并可以持续至设备停车。 目前实际工程 中最 常用 的全 容罐 结构 型式有 如下 两种 。 ( 1 )双 钢全容 罐 。 内外 罐 均采 用 耐低 温金 属 材料 ， 可选用不锈钢 、 铝合金或 9 镍 钢。结构型 式 见图 1 。 次容 主容 挠性保冷密封 罐顶( 钢) 吊顶( 保冷层) 基酬 加 热 糸统 基删 罐 J氐保 冷 联 松 散 的保 冷填 料 图 1 双钢全容罐结 卡 句 示意 ( 2 )预应力混 凝 土全 容罐 。内罐 采用 耐低 温 的不锈 钢 、 铝 合金 或 9 镍 钢 ； 外 罐采 用 钢 筋混 凝 土 结构预 应力 混 凝 土 罐 壁 、钢 筋 混 凝 土 底 板 、 钢 穹顶 上 浇 注 钢 筋 混 凝 土 罐 顶 。结 构 型 式 见 图 2。 2双钢 全容 罐承 压环 设计 ( 1 )承压环 的设 计工况 及荷 载 1 )钢 穹 顶气 升 就 位 时 的施 工 工 况 。气 升 压 力 至少需 等 于 钢 穹 顶 重 量 G 。 及 吊顶 重 量 G 之 和对 穹顶产 生 的 压 力 P 才 可 将 其 顶 起 ， 设 计 气 升 压力 为 P P 对 罐 体 内表 面产 生 压 力 。此 时 承 压环 沿其 环 向受压 。最不 利情 况下 的荷 载基本 组 合 为_ 1 ： S= = = y G S s k + y Q S Q k ( 1 ) 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 1 4 。 作者简介 ： 张清 ， 女 ， 1 9 8 7年毕业 于北京 建筑 工程学 院工 业 与民用建筑专业 ， 获工学学 士学位 ， 现从 事土建 结构设计 和 技术开发工作 ， 高级工程师。 E ma i l ： Z h a n g q i n g s e i s i n o p e c c o m 石油化工设备技术 混凝土罐顶 吊顶( 保冷层) 预应力混凝土外罐( 次容器) 挠性 仪冷密 主容器 基 i J h N 热 系统基础 罐 J氐保 冷层 赖应 力 混 凝 土外 罐 内侧保冷层 图 2 预应力混凝土全容罐结构示意 式中： S 荷载效应组合的设计值 ； 7 。 永 久荷 载 的分 项 系 数 ， 当其 效 应对 结 构 有利 时取 1 0 ， 不利 时取 1 3 5 ， 此工 况取 1 0； ) ， 。 可变荷载的分项系数， 取 1 4 ； s 。 按永久荷载标准值 G 计算 的荷载效 应值 ， G k G 。 d +Gd d ； s o 按可变荷载标准值 Q 计算 的荷载效 应值 ， Q P 储罐在钢穹顶和 吊顶作用下 的受力示意见 图 3 。 图 3 储罐在钢穹顶和 吊顶作用下的受力示 意 手工 计算 时可 近似将 其转换 ( 见 图 4 ) 为 ： 4 储 罐 在 钢 穹 顶 和 吊顶 作 用 F的计 算 不 意 Pd ( G。 d + Gd d ) ( n R ) ( 2 ) 故， 钢 穹顶气 升就位 时储 罐 的计 算示意见 图 5 。 2 )储罐正常操作工况。钢穹顶承受其 自重 G d 、 吊顶 自重 G 吊顶处 的保冷材料重 G 。 及储 罐 内部 压力 P 。P 大于 ( G。 a +G +G - ) 对 穹顶 产 生 的压力 P a ， 此时 承压环 沿其 环 向受 压 。最不 利情况 下 的荷 载组 合 同 1 ) ， G G 。 a +Ga a +G 。 ， Q P ， y c 一1 0 。计算示意见图 6 。 图 6储 罐 正 常 操 作 时 的 计 算 不 意 ( 一 ) P d ( G0 d + G d d + G b 1 ) ( n R： ) 3 )储罐正常操作工况。钢穹顶承受其 自重 G口 d 、 吊顶 自重 G 吊顶 处 的保 冷材 料重 G 。 、 穹顶 上活荷载 L L及储罐 内负压 P 。此时承压环沿 其环 向受拉 。 最不利情况下 的荷载组合 同 1 ) ， G 一G 。 + Gd d + Gb l ， Qk LL+P2 ， ) ， G 一 1 3 5 。 计 算示 意见 图 7 。 图 7 储罐正常操作时的计算示 意( 二) P d ( G 口 d + G d d + G b 1 ) ( n R ： ) ( 3 ) ( 2 ) 承压环的边界条件 承 压 环 位 于 外 罐 壁 与 穹 顶 的 连 接 部 位 ， 如 图 8 所示。承压环下边缘仅竖向及环向的位移受 到约束 。 ( 3 )承压环的计算方法 计 算示 意见 图 8 。 设穹顶受面压 P， 依照 AP I 6 2 0 E 。 第 5 1 O 2 5条 ： 第 3 3 卷第 3期 张 清混凝土低温罐与双钢低温罐承压环设计 比较 ( a ) 穹顶 和承乐环几何 寸 ( 1 ) 承压环各项 内力示意 图 8承压 环计算示 意 由 P产生的沿穹顶子午线方向单位力， T1一P R d 2 ( 4 ) 沿纬度 方 向单位 力 ， T2一P R d 2 ( 5 ) 式 中的面 压 P， 在不 同工 况下 分 别 按 照上 述 荷载 组合进 行计 算 ； 当 P 为 内部正 压 时 ， T 为正 ， 对 承 压 环 产 生 沿其 环 向的压力 T R。 c o s 0 ； 由 P内产生的沿罐壁环向单位力 ， T2 s P内R ( 6 ) 式中 P内为罐 内压力 ， 在不 同工况下分别等 于 P。 。 、 P1 、 Pz 。 故 ， 承 压环 沿其 环 向受 力 ， Q T2 W h+ T2 s W 一 T1 R c o s 0 ( 7 ) 承压 环 的强度 设 计 ， 按 上 述 荷 载效 应 的基 本 组合进行荷载( 效应 ) 组合， 采用下列表达式进行 设计 1 ： y 。S R ( 8 ) 式 中 ： y 0 结 构重要 性 系数 ， 取 1 0 ； R 结构构件抗力的设计值 。 依照 GB 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 ( 钢结构设计规范 第 5 1 1 条 l 3 l ： 当承 压环 环 向受 压 时 ， 截 面正应 力 Q A。 f ( 9 ) 当承 压环 环 向受 拉 时 ， 截 面正应 力 口 = = =Q ( A E) f ( 1 O ) 式 中 ： A 承 压环 的有 效受压 面积 ； E 连 接效率 系数 ， 取 0 8 5 ； 厂 钢材的抗拉、 抗压强度设计值 。 以上方法是一种简化计算 ，假定承压环是沿 环向受轴 向力的轴拉 ( 压) 构件 ，而实际上有限元 承 压 环 分 析 结 果 表 明 ，承 压 环 的截 面正 应 力 是 不 均 匀 的， 并且穹顶径向梁会对承压环产生平面外的弯 矩 ，承压环 实 际上处 于三 向应 力状 态 。所 以要 得 到 比较精 确 的 内力 计算 结果 ，需要 对 承压 环进 行 有 限元 分析 。 3预应 力混 凝土 全容罐 承压 环设 计 ( 1 )承 压环 的设计 工况 及荷 载 1 )钢穹顶气升就位时 的施工工况。与双钢 全 容罐 完全相 同 。 2 )顶板 混 凝土 浇 注前 ， 罐 内无充 气 的施工 工 况 。此 时钢 穹 顶 承 受 其 自重 G 小 吊顶 自重 G 、 钢穹顶表面配置的钢筋重量 G 吊顶处的保冷材 料重 G 。 及 活荷 载 L L， 罐 内无 压 力 。此 时承 压 环 沿其环向受拉 。最不利情况下的荷载组合 同 1 ) ， Gk Gq d + Gd d +Gb 1 + G Qk LL， y G 1 3 5。 受 力示 意见 图 9 。 图 9 顶板混凝土浇注前罐内无充气时的受力示 意 同样 ， 手 工计算 时 可近 似将 其 转换 ( 见 图 1 0 ) 为 ： i 图 1 0 顶板混凝土浇注 前罐 内无 充气时的计算示意 8 石油化工设备技术 Pd ( Gq d + Gd d + Gb l + G g j + L L) ( n R ) ( 1 1 ) 3 )顶板混凝土浇注前 ， 罐 内有充气 的施工工 况 。此 时钢 穹 顶 承受 其 自重 G 吊顶 自重 G 、 钢穹顶表面配置的钢筋重量 G 、 吊顶处的保冷材 料重 G 。 ， 罐 内有充气压力 P。 。此时承压环沿其 环 向受压 。最不利情况下的荷载组合同 1 ) ， G = = = G d +Gd d +Gb l +Gg j ， Qk P3 ， y G 1 0 。 计算示意见图 1 1 。 图 1 1 顶板混凝土浇注f j = 罐内有充气时的计算示意 P d ( G d +Gd d +Gb l +Gg j ) ( n R： ) ( 1 2 ) ( 2 )承压环 的边 界条件 在 钢穹 顶气 升就位 时如 图 1 2 所 示 ， 承压环 下 边缘 可视 为 固定 铰支 座 ， 如 图 1 3 所 示 。 图 l 2 气升就位 时承压环示意 图 1 3 气 升 就 位 时 承 压 环计 算不 意 顶板混凝土浇注前 ， 如图 1 4所示 ， 罐 内有充 气 或 无 充 气 时 ， 承压 环 下 边 缘 可 视 为 固结 支 座 ， 如 图 1 5 N示 。 ( 3 )承 压环 的计算 及建议 据 了解 ， 在 目前 的 预 应 力 钢 筋 混 凝 土 L NG 储 罐设 计 中 ， 工 况 1 ) 、 2 ) 采 用 的 计算 方 法 与 双 钢 全容罐相同， 计算简 图见 图 1 3 ， 很显然与实际情 况图 1 2和 图 1 4不相符。另外 ， 由于预应力混凝 土全 容罐 的直径 较 大 ， 钢 穹顶 的矢 跨 比通 常小 于 1 7 ， 按国内相关规范要求， 在工况 2 ) 下， 钢穹顶 的承载力计算应由网壳的整体稳定计算控制 ， 而 整体稳定 的计算无法通过手算 近似进行， 需要采 用专门的软件进行计算。工况 3 ) 采用 的计算方 法是 ， 钢穹顶的受力均由锚杆承受， 这样会导致锚 杆的计算受力很大 ， 只能按分两层浇注穹顶混凝 土进行设计 。但实际上， 此工况下大部分承压环 与锚 杆 已经锚 固于混 凝土穹 顶环梁 内 ， 如 图 1 4所 示 ， 承压环 可 以分 担 一 部分 锚 杆 的 受力 。但 锚 杆 与承压环 分担 受力 的 比例无 法 通 过 手算 实 现 ， 需 要通过有限元分析才能确定 。 图 1 4 顶板混凝土浇注 前承压环示意 图 1 5顶板 混凝 土浇 注前承压环计算示意 4 结 语 通过比较可以看 出， 双钢全容罐与预应力混 凝 土全 容罐 承压环 的设计 有着 很大 的不 同 。设计 工况不 同， 受 力边界 条件 也不 同 。很显 然 ， 不适 宜 采用相同的计算方法 。要想使得设计更为经济 、 合理 ， 只有通过有限元分析才能够得出更为精确 、 更 为实 际的 内力 结果 。 参 考文献 ： 1- 1 GB 5 0 0 0 9 -2 0 0 1 建 筑结构荷载规范 s 北京 ： 中 国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 2 D e s i g n a n d C o n s t r u c t i o n o f L a r g e ，We l d e d ，L o w pr e s s u r e St o r a ge Ta nk s API STANDARD 62 0 ELEVENTH EDI TI ON FEBRUARY 2 00 8 AD DENDUM 1。M ARCH 20 09 3 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 钢结构设计 规范 s 北京 ： 中国 计划出版社 ， 2 0 0 3