十万立方米油罐设计.doc
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辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸
摘要
近一、二十年来，油罐的设计与施工技术都较过去有了更快的发展，明显的趋势是大型化，油罐大型化给人们带来许多经济利益，也带来了一些技术课题。
浮顶油罐是目前国内外在大中型油罐中最常用的一种结构形式，它几乎全部消灭了气体空间，从而大大减少了油品的蒸发损耗和大气污染等。
铁岭地区地质状况良好，适合建罐，设计基本风压为550Mpa，对钢材的选择考虑了强度，可焊性和冲击韧性三项主要要求。
罐壁厚度计算采用变点设计法，分别计算了充水和储油两种不同储存介质的情况，用它计算大容量罐时，可减少某些圈的壁厚和罐壁总用钢量。
设计中不仅包括了罐顶，罐壁，罐底的整体轮廓计算，还包括抗风圈，加强圈和密封的计算，抗风圈和加强圈设计采用我国国内标准。
油罐的抗震设计也参照国内外的设计规范，可承受9级以上的地震。
校核部分包括浮顶四个准则，强度和稳定性校核，下节点校核以及开孔补强校核。
根据设计需要绘制六张CAD施工图，包括一张总图,一张罐基础结构图,浮顶，密封，罐壁，罐底各一张。
计算部分清楚简洁，图纸清晰规范，在保证安全的前提下，经济选材是本设计的特点。
关键词：
浮顶油罐，浮顶，罐壁，抗风圈，加强圈
Abstract
Recentoneortwodecades,thedesignandconstructionoftanktechnologyhasbeenfasterthaninthepastthedevelopmentofacleartrendthatlarge-scaleandlarge-scaleoilbringsmanyeconomicbenefitsaswellasanumberoftechnicalissues.
Floatingrooftankisthelargeandmedium-sizedoiltankathomeandabroadinthemostcommonlyusedformofastructure,iteliminatedalmostallofthegasspace,thusgreatlyreducingtheevaporationlossofoilsandatmosphericpollution.GeologicalTielingingoodconditionandsuitableforcans,forthedesignofthebasicwindpressure550Mpa,onthechoiceofthesteelstrength,weldabilityandimpacttoughnessofthethreemainrequirements.Calculationoftankwallthicknessdesignmethodusingchange-point,werecalculatedandthereservoirwaterstorageoftwodifferentmedia,theuseitwhencalculatingthelarge-capacitytankscanreducecertaincircletankwallthicknessandthetotalamountofsteel.Designincludesnotonlythetanktop,tankwalls,tankattheendoftheoveralloutlineofthecalculation,butalsowindcircle,strengtheningandsealingring,thewindandthestrengtheningofcirclecircledesignstandardsinChina.SeismicDesignofoiltankathomeandabroadisalsoreferencetothedesignspecificationscanwithstandearthquakesofmorethan9.Checksomeofthefourcriteria,includingfloatingroof,thestrengthandstabilityofcalibration,thenextchecknodeandcheckopeningreinforcement.
AccordingtothedesignneedtodrawsixCADworkingdrawings,includingageneralmap,thebasisofatankstructure,floatingroof,seals,tankwalls,tankattheendofeachone.
Calculationofsomeclearandconcise,cleardrawingsnorms,inthepremiseofsecurity,economicselectionofthedesigncharacteristics.
Keywords:
floatingrooftank,floatingroof,tankskin,windcircle,Circletoenhance
66
目录
前言 1
1.油罐钢材、尺寸的选择 3
1.1概述 3
1.2求许用应力 3
1.3确定油罐经济直径和高度 4
2.罐壁强度设计 5
2.1罐壁计算的说明 5
2.2采用变点法设计各层壁板厚度 8
2.2.1计算充水时各层板厚 8
2.2.2计算储油时各层板厚 20
3.浮顶设计 31
3.1基本数据 32
3.2校核 32
3.2.1第一准则校核 32
3.2.2第三准则的计算和校核 34
3.2.3第二准则校核 35
3.3.1单盘的强度验算 37
3.3.2浮船强度校核 39
3.3.3浮船平面内稳定校核 40
3.3.4浮船平面外稳定校核 41
3.3.5关于Ae的验算 42
4.油罐密封及抗风设计 44
4.1油罐的密封装置 44
4.2抗风设计 45
4.2.1抗风圈的设计和计算 46
4.2.2加强圈的设计和计算 47
5．罐底及罐基础设计 48
5.1罐底的设计 48
5.1.2排版方法 49
5.1.3底板的连接 49
5.2罐基础设计 50
6.下节点点计算 50
7油罐抗震设计 54
7.1倾覆力矩计算 55
7.2罐壁压应力的计算 56
7.3罐壁临界压应力及其校核 56
8油罐的附件设计及开孔补强 57
8.1附件设计 57
8.1.1罐顶附件 57
8.1.2罐壁附件 57
8.1.3安全设施 58
8.1.4梯子.平台和栏杆 58
8.2开孔补强计算 58
9质量检验 60
9.1罐底质量检验 60
9.1.1罐底的平度检查 60
9.1.2焊缝质量检查 61
9.2罐底的质检 61
结论 63
参考文献 64
谢辞 65
前言
随着石油工业的发展，原油的储备和运输都要求储罐有越来越大的容量。
从世界范围来说，这一状况与国际上的能源危机有关，由于能源危机，近若干年来，许多工业化的靠进口原油的国家都增加了原油的储备量，这就迫使这些国家不得不建造更多更大的油罐。
在原油储备量相同的条件下，大容量储罐的经济型比小容量的储罐更好。
油罐大型化有很多优点，如节省钢材，减少投资，占地面积小，便于操作管理，节省管线及配件等等。
油罐大型化趋势形成后，油库的组成结构与之前发生了很大改观，由油罐的“小而多”变为“大而小”。
这一点也成为衡量一个国家在油罐设计、研究、建造等方面技术水平高低的一个尺度。
油罐大型化使得对钢油罐的强度、抗震、抗风、抗断裂等方面的要求也更加严格，这就让罐壁选材成为本设计成功的基础，选材时要考虑钢板的强度、可焊性和冲击韧性等要求。
早期的油罐是固定顶式的，随着油罐直径的增大，固定式罐顶的投资费用大大地增加了。
为了节省投资，用一个漂浮在液面上的浮动顶盖（简称浮顶）取代固定式罐顶。
外浮顶罐应运而生，简称为浮顶罐。
浮顶油罐是目前国内外在大型油罐中最常见的一种形式，浮顶油罐是上部开口的立式圆柱形油罐，钢浮顶在油面上随着液面升降。
因浮顶与液面基本不存在油气空间，油品不能挥发，所以浮顶罐具有下列优点：
（1）减少了油品中轻油组分挥发，降低蒸发损耗，保证油品质量。
（2）减少了油罐的火灾危险性，爆炸危险，着火易扑灭，可以适当减少消防措施的数量。
（3）由于蒸发损耗降低，减少环境污染着火时使周围环境得到保护。
（4）由于浮顶油罐不存在油气空间，从而减少了罐顶和罐壁的金属腐蚀，有利于延长使用寿命。
此外在浮顶与罐内壁之间的环形空间有随着浮顶上下浮动的密封装置，并且这种油罐的顶部与其他固定顶油罐相比，在设计时结构更易于处理，由于罐顶的自重受储液支撑其受力状况良好，故大型油罐大多采用浮顶油罐。
作为目前国内外大中型油罐最常用的结构形式，浮顶罐分为两种，一种是双盘式的，一种是单盘式的，单盘式多用于5000m3以上的油罐。
单盘式浮顶的周边为环形浮船。
环形浮船由隔板将其分隔成若干互不渗透的舱室，环形浮船中间为单盘，单盘由钢板搭接而成，与浮船之间由角钢连接。
本次设计是70000m3容量的油罐，因此是单盘式浮顶油
罐的常规设计。
鞍山地区十万立方米原油浮顶罐设计
1.油罐钢材、尺寸的选择
1.1概述
本设计对象为十万立方米原油浮顶罐，坐落于鞍山地区。
设计共分围壁厚计算、浮顶计算、抗震计算、抗风计算及下节点计算和开孔补强计算几部分。
浮顶油罐这种油罐的罐顶是一覆盖在油面上并随油面升降的盘状结构物。
由于罐顶的自重受储液支承，其受力状况良好，故大型油罐大多采用浮顶油罐这种形式。
浮顶油罐的另一个显著特点是浮顶与油面之间几乎不存在气体空间，因而可以极大地减少油品的蒸发损耗，同时还可以减少油气对大气的污染，减少发生火灾的危险性。
十万立方米这样的大容量储罐设计前的选材是设计成功的关键。
大容量储罐对用作罐壁材料的钢板强度要求非常高。
所以罐壁底部采用许用应力较大的07MnCrMoVR而上部采用16MnR作为罐壁的钢板材料。
1.2求许用应力
（1）对于材料07MnCrMoVR（16~30mm）
充水时：
=
储油时：
`
取
（2）对于材料16MnR（6～16mm）
冲水时:
储油时：
取
1.3确定油罐经济直径和高度
查我国常用浮顶油罐尺寸表知，十万立方米浮顶油罐单盘板厚t=0.5cm;查书中表知边缘板最小厚度取5mm;即tr=5mm，tb=10mm,tr+tb=15mm,取
原油容量：
3
水容量：
3
焊缝系数:
经济高度及半径确定：
等壁厚高度变等壁厚高度及每层圈板高度的确定:
等壁厚高度：
查书中表知，罐壁最小设计厚度为，则6.1m
变壁厚高度：
取变壁厚部分圈板数为8，
则每层圈板高度
取最高液位为
2.罐壁强度设计
2.1罐壁计算的说明
常用的壁厚计算公式为
式中–罐壁设计厚度，；
–罐壁计算厚度，；
–钢板厚度允许负偏差，；
–腐蚀裕量，
式中–所计算的那一圈罐壁板底边至罐壁顶端垂直高度，；
–油罐直径，；
–设计温度下钢板的许用应力，
–储液容重，；
–焊缝系数，取。
它们是根据各圈距底边0.3m处近似最大环向力来计算各圈壁厚的，但各圈板在边缘力系影响下，最大环向应力位置不一定是在距各圈底边0.3m处，若油罐较大，就应当做更精确的计算，减少用钢量。
在API650中，介绍了罐壁的另一种计算方法，称为变点设计法，它是考虑到罐壁相邻圈板之间的相互影响，确定各圈环向应力最大处的位置。
这种变点设计法更符合罐壁应力的实际情况，故本设计中采用的罐壁设计法即为变点设计法。
现将API650中有关变点设计法的计算公式介绍如下：
变点设计法计算底圈罐壁的计算厚度公式为
式中–底圈罐壁板计算厚度，；
–罐底至顶部角钢顶面的高度，；
–罐底圈直径，；
–储液容量，；
–纵向焊缝系数，取。
选用两个计算式求得的较小值作为底圈的计算壁厚。
各圈壁厚的变点计算法如下：
当时，
当时，
当时
式中–计算圈的下面一圈的圈板高，
–油罐半径，；
–所需计算的第i圈的罐壁计算厚度，；
–所需计算的第i圈下面一圈的圈板计算壁厚，；（但在计算
比值时，单位取）
–根据变点位置求得的第i圈的壁厚值，；
先求得底圈计算壁厚后，再顺序计算上面各圈的计算壁厚，i代表圈板顺序，自底圈向上分别为1、2、3…。
由的计算公式可以看出
为了求得，应先求出。
下面三个式子中求出的最小值，就是变点设计点到计算圈的圈板底边
的距离，一次最小值来计算。
式中；；
–第i圈圈板底部至罐壁顶部角钢顶面的高度，。
用上面式子计算值时，和均为作为单位。
是个比值，计算值时必须对和取相同的单位。
求得的值单位为。
取、、三个值的最小值作为计算点，用它来求取第i圈的值。
式中其余符号的意义均同前述。
求得的的单位为。
API650规定，在利用上述方法计算各圈的计算壁厚时，要分别就设计条件和充水试验条件求出两种条件下各自的计算壁厚。
按设计条件进行计算时，采用储存油品的容重（），许用应力取和中的较小者（为材料的屈服极限，为材料的强度极限，单位均为Mpa。
按充水试验条件进行计算时，采用水的容重（），采用和中的较小者。
按设计条件求出的计算壁厚加上腐蚀裕量c后，与按充水试验求得的计算壁厚值比较，取两者中的较大值并向上圆整后作为计算圈的设计壁厚，并且，采用变点设计法时，上层圈板的厚度不得大于下层圈板的厚度，还不得小于API650规定的罐壁最小厚度。
2.2采用变点法设计各层壁板厚度
2.2.1计算充水时各层板厚
求底圈计算壁厚
取二者较小值，故底圈计算壁厚
求第二圈计算壁厚
用逐步法求
第一次试算
第二次试算
第三次试算
求第三圈计算厚度
第一次试算
第二次试算
第三次试算
求第四圈计算厚度
由于故用下式计算
用逐步试算法求
第一次试算
第二次试算
求第五圈计算壁厚
由于故用下式计算
用逐步试算法求
第一次试算
第二次试算
第三次试算
求第六圈计算壁厚
由于故用下式计算
用逐步试算法求
第一次试算
第二次试算
求第七圈计算壁厚换材料
由于故用下式计算
用逐步试算法求
第一次试算
第二次试算
第三次试算
2.2.2计算储油时各层板厚
求底圈计算壁厚
取二者较小值，故底圈计算壁厚
求第二圈计算壁厚
由于故用下式计算
用逐步法求
第一次试算
第二次试算
第三次试算
求第三圈计算壁厚
由于故用下式计算
用逐步试算法求
第一次试算
第二次试算
第三次试算
求第四圈计算壁厚
由于故用下式计算
用逐步试算法求
第一次试算
第二次试算
求第五圈计算壁厚
由于故用下式计算
用逐步试算法求
第一次试算
第二次试算
第三次试算
求第六圈计算表壁厚换材料
由于故用下式计算
用逐步试算法求
第一次试算
第二次试算
第三次试算
求第七圈计算壁厚
由于故用下式计算
用逐步试算法求
第一次试算
第二次试算
第三次试算
取腐蚀裕量（重度腐蚀）储油壁厚+C与充水壁厚比较，两者取其中较大者
18MnMoNbR
16MnR
Q235-A
层
数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
充
水
28.13
25.56
24.00
21.89
19.24
16.06
13.91
11.37
9
9
储
油
24.62
23.55
21.85
19.66
17.01
16.59
13.87
10.38
9
9
大
值
28.13
25.56
24.00
21.89
19.24
16.59
13.91
11.37
9
9
偏
差
-0.9
-0.9
-0.9
-0.9
-0.9
-0.9
-0.9
-0.9
-0.9
-0.9
圆
整
27
25
23
21
18
16
13
11
9
9
3.浮顶设计
3.1基本数据
单盘板厚：
船舱底板：
船舱顶板：
内边缘板：
外边缘板：
浮船外径：
浮船内径：
3.2校核
3.2.1第一准则校核
校核条件为：
（1）下沉深度不大于外边缘板的高度，且有一定裕量以免油品由浮顶外侧经过外侧边缘板流入浮顶并灌进舱室内。
可用下试表达
式中-边缘板的高度，m;
T-在这种情况下，当的下沉深度，m;
-由于而引起的沉没深度的增加，m;
-安全裕量，m.
（2）下沉深度不大于内边缘板的高度，且留有一定裕量以免油品由浮船内侧边缘板进入舱室，并导致浮顶沉没。
可用下表达式。
式（3-1）和试（3-2）中，均为已知数，为安全裕量，系控制的数字，一般以10-20cm为宜，最低不得小于5cm。
由以上看出，只要求出和便可进行校核，现分别求和。
浮船重
单盘重
考虑单盘上附件重
的计算
船舱
的计算
校核：
取
所以第一准则满足
3.2.2第三准则的计算和校核
第三准则为在操作时单盘与储液间不存在油气空间。
这一条件是从减少单盘的腐蚀考虑的。
因此，单盘安装高度c应考虑以下条件：
计算单盘安装位置区域
下限
上限
去单盘安装高度
3.2.3第二准则校核
第二准则是在整个罐顶面积上有250mm降雨量的水积存在单盘上时浮顶不沉没。
在下暴雨时，由于雨量过大或中央排水管不畅，甚至阻塞，则单盘上将出现积水。
允许设计水量为Q
式中–单盘上允许最大积水量，;
–油罐内径，；
–水的重度，；
–允许降水量，；取
在Q的作用下，浮顶的下沉量增加。
但设计要求即使在这种情况下罐内油品也不得超越浮船内边缘板，且应留有一定裕量。
否则，油品就不会经外边缘板流入浮顶。
灌进舱室最终导致浮顶沉没。
以上校核条件可用下试表达
式中–浮船本身沉没深度，；
–加上单盘以后浮船下沉增量，；
–由积水重量引起的浮船下沉增加量，；
–安全裕量
一般取=100-200mm,最小不得低于50mm
设计允许的积水量
式中-无量纲参数；
-浮船平均半径，；
-用于刚度计算的浮船有效截面积，；
式中-折减系数，
-浮船上加强圈有效截面积，如连接角钢等，均可作为加强角钢看待，。
查《化工设备设计手册》选用连接角钢尺寸为
查表5–3《油罐及管道强度设计》第107页，利用线性内插法得
的弹性模量
单盘中心挠度
所以满足第二准则
3.3浮顶强度及稳定性校核
3.3.1单盘的强度验算
单盘中心处拉应力
式中–单盘中心的拉应力，；
–与浮船径向刚性有关的系数；
–刚才的弹性模量，；
–单盘上所受的当量均布载荷，；
–单盘的半径，；
–单盘板的厚度，；
值取第一准则和第二准则两种不同情况下值的较大者
第一准则中：
式中–钢板的密度取
–油的密度
考虑到单盘上一些配件的影响后取
第二准则中：
取两者中的较大值
查《油罐及管道强度设计》第112页表5-1得
取，上面连续焊，下面间接焊
∴单盘强度合格
3.3.2浮船强度校核
由单盘边缘传来的径向应力使浮船成为一个受压的圆环，由平衡条件可得出浮船断面所受的压应力为：
式中–单盘边缘的径向力，；
–单盘板的厚度，；
–浮船内径，；
–用于强度计算的浮船有效截面积，
由《油罐及管道强度设计》书第112页表5-4查得
浮船顶板和底板既宽且薄，其临界稳定能力很低，故浮船断面压应力校核时往往把这部分忽略不计。
于是
式中–连接角钢的面积
∴浮船强度满足
3.3.3浮船平面内稳定校核
浮船在平面内单位长度上的临界压力可按下式计算
–浮船在圆环平面内的临界失稳载荷，；
–浮船平面直径，；
–浮船截面对轴的惯性矩，
其中
∴平面内稳定
3.3.4浮船平面外稳定校核
浮船平面外临界失稳载荷可按下式计算
式中–浮船在圆环平面外的临界失稳载荷，；
–浮船截面对轴的惯性矩，；
–材料的剪切模量，；
–波桑系数，；
–浮船截面对轴的惯性矩，。
和可按下式计算
其中
∴平面外稳定
3.3.5关于Ae的验算
以上对于的假设与实际有效截面面积是否相等，
下面进行验算，验算结果应满足以下条件
式中–用于刚度计算的浮船有效截面积，；
–用于刚度计算的浮船实际有效截面积，；
式中–浮船各壁板的截面积，；
–浮船各壁板宽度，；
–浮
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