一种梅花形横截面的大型油罐.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()一种梅花形横截面的大型油罐蔡洪涛,陈伟(武汉工程大学 机电工程学院,湖北武汉 )摘要:为了降低大型浮顶油罐的钢材耗量及制造难度,提出了一种梅花形横截面的柱形油罐结构.详细介绍了梅花形横截面各个圆弧半径的定量关系及其连接方法;讨论了这种油罐制造的可行性.计算分析表明:梅花形横截面大型浮顶油罐壁板材料可以采用Q R,这种结构具有节省钢材、制造便利、经济性好等特点,具有一定的推广应用价值.关键词:大型浮顶油罐;结构设计;梅花形横截面中图分类号:TQ TQ 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:蔡洪涛(),男,湖北应城人,副教授,硕士,从事过程装备与控制工程专业教学及压力容器设计研究.引言大型浮顶油罐随着单罐容量的增加,储罐单位容积耗钢量减少,单位容积罐体部分工程造价也随之降低.因此 m超大型浮顶油罐的设计研究将成为今后的发展趋势.这种油罐材料选用屈服强度为 MP a的钢材,最下层圈板厚度已经达到接近 mm.这些因素给油罐的现场制作带来了较大困难,因 此 相 关 标 准 规 定 最 下 层 圈 板 厚 度 不 得 超 过 mm.为此,本文提出一种梅花形横截面柱形油罐,其容积可以突破 m,材料为普通低合金钢Q R.梅花形横截面油罐的主体结构本文所设计的浮顶油罐梅花形横截面如图所示,半径为r和半径为r的圆弧相切构成圆弧段,该圆弧段在半径为r的圆弧上环形陈列,构成一个封闭的曲线.该曲线包围的区域就是浮顶油罐的横截面.半径r取圆形截面浮顶油罐的半径设计值.三个半径的关系如下:r()r()r mm()在油品介质的液压下,半径为r的圆弧受内压,半径为r的圆弧受外压.为了避免外压的出现,可将半径为r的圆弧补全为一个整圆,补的圆弧为圆弧,在其圆柱空间注入液体介质,比如自来水,抵挡来自油品的液压,因此该圆弧基本不受外压.梅花形横截面油罐主视图如图所示.梅花形横截面油罐的可行性分析由压力容器基础设计理论可知,上述油罐只在圆弧和圆弧的连接处存在边缘应力,在远离连接处的地方完全可以根据中径公式计算油罐壁板的厚度.但是采取上述补齐措施后,圆弧受到的介质压力很小,圆弧壁板对圆弧壁板的约束作用很小,因此两圆弧连接边缘处的边缘应力可以不考虑,圆弧和圆弧壁板可以取相同的厚度.圆弧可根据计算采取同一厚度值,补齐部分的高度可以与油罐壁板高度相同,也可以选择略低于壁板.图油罐横截面图梅花形横截面油罐主视图该油罐的浮顶也依然采用梅花形形状.油罐的密封选择橡胶膜筒密封.橡胶膜筒可以较好地阻止浮顶的旋转,缓冲浮顶与壁板的碰撞,延长使用寿命.图中,A、B点是理论上圆弧与圆弧的连接点,但是在实际操作过程中,应该适当做出改变,以免出现上层圈板与下层圈板纵向拼接焊缝重合的情况(共线).同时需要避免圆弧与圆弧在A、B两点连接,可适当加大圆弧的半径,如加大 mm,让连接点变为D、E点,从而避免引起重复受热,造成应力集中.上述结构的柱形油罐没有超出目前油罐的制造技术现状.因为构成梅花截面的圆弧半径比设计半径小很多,故可以采用普通低合金高强度钢板制造油罐,并且板材厚度较小,焊接时不需要焊前预热和焊后热处理,给制造带来了极大便利.油罐设计算例本文以 万立方米油罐设计为例,其直径为 m,最大储液高度为 m.r m,则r可取 m,r可取 m.由 段圆弧和 段圆弧组成的梅花形截面面积s为:s s m上式中的s为图中阴影部分的面积,该面积占原来截面面积的 .为保持容积不变,则储液高度增加到原来高度的 倍.采用Q R钢板,其许用应力为 MP a.焊接接头系数取 ,则油罐圈板的名义壁厚(mm)由下式计算:p D()其中:p为储罐静液压力,MP a;D为储罐直径,m;为罐壁材料的许用应力,MP a;为焊缝系数.对梅花 截面设计方 案而 言,phg g,D mm,MP a,将相关参数代入式(),计算得 mm,最后取名义厚度为 mm.现有设计方案,假定材料为 M n N i V R,phg g,D mm,许用应力 MP a,焊接接头系数 ,将相关参数代入式(),计算得 mm,取名义厚度为 mm.下面计算本设计和现有设计两种设计方案钢材质量的变化,仅仅考虑最下面第一层和第二层圈板.设G为现有设计方案第一圈板(厚度 mm)和第二圈板的质量(厚度 mm),G为圆弧和圆弧的质量,G为圆弧的质量.本设计方案第一圈板和第二圈板的厚度分别为 mm和 mm,圈板高度取m,钢板密度取 k g/m.各圈板质量按其周长、厚度、高度及密度之积计算.并假设圆弧的厚度取mm,高度取 m,材料仍取Q ,圆弧有 件.经计算本文提出的设计方案与现有方案相比较可以减重G k g,可见新型油罐节省钢材是很可观的.另外 M n N i V R价格比Q R高得多,相应的焊接材料也贵得多.因此本文提出的新型油罐相比现有油罐具有较大的成本优势.结论当前国际形势复杂多变,石油储备战略的地位日趋重要,大型储罐必将朝着超大型化的方向发展.受困于材料的发展以及结构的设计,当前的大型储罐依然以 万立方米和 万方立方米的为主;且储罐减重项目仍旧以特定的项目为主,并不具有普遍性,不能广泛开展.本文所提出的梅花形横截面的大型储罐能够有效解决罐壁厚度的问题,相较传统设计方法的壁厚,依照本文设计方法进行壁厚的设计,可以达到至少减厚 的效果.随着壁厚的减小,不仅仅可以达到为储罐减重的目的,同时更加有利于罐壁及其他部位的焊接.随着国家开始对 万立方米石油储罐进行建造,过大的壁厚也加大了储罐的建造难度,特别是在各个部件的焊接上难度增大,容易出现受热不均、焊缝裂纹等现象.本文所提出的新型结构由于罐壁厚度较小,可以有效避免上述问题的产生;同时可以据此设计出更大容量的原油储罐,突破现有大型储罐的容积瓶颈,降低生产成本.()由上述分析可知,新的储罐结构是对原有的圆形截面储罐进行重新设计,通过圆弧的拼接构成类似于梅花截面的储罐结构.本文所提出的储罐结构能够满足设计要求,不会造成应力集中而导致储罐安全性下降的问题,并且制造工艺未超出现有制造工艺水平.同时由于壁厚的减少,更加有利于储罐的施工建造.()通过选用性能良好的普通低合金钢Q R来代替 M n N i V R,罐壁的壁厚大幅减小,因此使得罐壁的耗材量大幅减少.这样不仅可以可以大幅减少材料的用量,并且可以降低施工成本.综上所述,本文所提出的梅花形横截面的柱形油罐不仅在设计和制造上可行,而且在经济上具有较大优势,达到了减重目的,值得大力推广.另外,梅花形横截面柱形罐也可应用在大型L NG罐和L P G罐上.参考文献:傅伟庆,武铜柱,许对大型浮顶油罐技术发展J化工设备与管道,():王硕超大型浮顶油罐设计关键点分析与研究J石化技术,():中国石油天然气管道工程有限公司,中国石油天然气股份有限公司规划总院,中国石化工程建设公司,等 G B 立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范S北京:中国计划出版社,:蔡洪涛,何毅斌浮顶罐的密封装置及橡胶膜干式气柜:中国,Z L P L a r g eO i lT a n kw i t hQ u i n c u n xC r o s sS e c t i o nC A IH o n g t a o,C H E N W e i(S c h o o l o fM e c h a n i c a l&E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,W u h a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t or e d u c e t h es t e e l c o n s u m p t i o na n dm a n u f a c t u r i n gd i f f i c u l t yo f l a r g ef l o a t i n gr o o fo i l t a n k,ac y l i n d r i c a lo i l t a n ks t r u c t u r ew i t hq u i n c u n xc r o s ss e c t i o ni sp r o p o s e d T h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po fe a c ha r cr a d i u so fq u i n c u n xs e c t i o na n di t sc o n n e c t i o nm e t h o da r e i n t r o d u c e di nd e t a i l,a n dt h ef e a s i b i l i t yo fm a n u f a c t u r i n gt h i sk i n do fo i l t a n ki sd i s c u s s e d C a l c u l a t i o na n da n a l y s i ss h o wt h a tQ Rc a nb eu s e da st h ew a l lp l a t eo f l a r g ef l o a t i n gr o o fo i l t a n kw i t hq u i n c u n xc r o s ss e c t i o n,w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f s a v i n gs t e e l,c o n v e n i e n tm a n u f a c t u r i n ga n dg o o de c o n o m y,a n d i sw o r t h yo fp r o m o t i o n K e y w o r d s:l a r g e f l o a t i n gr o o f t a n k;s t r u c t u r ed e s i g n;q u i n c u n xc r o s ss e c t i o n 年第期蔡洪涛,等:一种梅花形横截面的大型油罐