大型储罐倒装法施工风载荷分析及抗风装置的设计运用

杨建强

(新疆石油建设有限责任公司，新疆 克拉玛依市 834000)

大型储罐倒装法施工风载荷分析及抗风装置的设计运用

杨建强

(新疆石油建设有限责任公司，新疆 克拉玛依市 834000)

大型储罐倒装法施工的风力分析和抗风装置的设计，是大型储罐倒装法施工技术安全控制的关键。通过储罐风力受力分析计算，找出系统的薄弱点，并设计运用了抗风装置，保证了系统的安全。这些计算分析和经验对大型储罐的倒装法施工有很大的借鉴意义。

储罐；倒装；施工；风载荷；抗风

0 前言

新疆石油建设有限责任公司在发展大型储罐倒装法施工技术时，首先考虑的是安全问题，重点是罐体液压提升和提升过程中的风载荷受力。新疆是多风地区，施工过程中经常遇到8、9级大风，在提升过程中，大风带来了很大的安全隐患。因此查阅了大量资料，通过在罐体提升过程的风力计算，并设计了储罐抗风装置，并在50 000 m3和100 000 m3外浮顶储罐倒装法施工中成功应用。

1 倒装法液压提升过程中横向风力对罐体的受力分析

采用倒装法施工，储罐的抗风圈、加强圈在提升前就已经安装到位，罐体本身的抗风能力已达到设计要求，罐体不会出现失稳变形。需要对提升过程中风力作用在罐体发生倾覆的危险性进行分析。在此以50 000 m3外浮顶储罐为例分析计算(倒装法液压提升安装最底圈壁板时的风力分析)。

如图1所示，在罐施工提升过程中，侧向风力对罐体产生横向力，可以分解为转矩M和下部横向力P，下面对转矩M和下部横向力P分别进行分析计算。

首先，按照施工工地历史最大风速计算罐体受力(选用阿拉山口历史最大风速44 m／s)：横向力P＝60 m(直径)×19.3 m(罐体总高)×0.86 kPa＝995.88 kN (折合101.92 t)。

[2]《圆柱形金属油罐设计》风压高度变化系数KZ，如表1所示。

表1 风压高度变化系数KZ

图1 风力作用受力示意

由表1加权平均(罐高19.3 m)：

考虑到储罐的抗风圈等附件受风力的作用和罐体上部风速大于下部风速等因素，可认为受力点在罐高10 m处。

转矩M＝101.92 t×10 m＝1019.2 t／m

1.1 转矩M对罐体的受力分析

转矩M作用在罐体，将使迎风侧液压缸承受升力(提升力减小)，另一侧液压缸承受压力(提升力增加)。如图1中所示，最大受力位置是罐体背风侧顶端的液压缸o点，受力值oα；为了计算的简化，因罐体是筒体结构，有较大刚度，将罐体按刚体考虑，受力分析如图1所示，受力大小成线性，最大值oα＇。

只需计算oα＇值对系统的安全性，因oα＇＞oα，实际受力oα也是安全的。

50000m3外浮顶储罐直径60m，采用40个液压缸提升，液压缸间距4.67m，液压缸围圆直径59.5m。

计算液压缸最大受力oα＇值，根据

式中 M为风力转矩；Fi为液压缸受力；Xi为Fi到y轴的距离。

取1／4罐壁圆周为例，可认为Fi有无穷个，从而问题转化为积分形式，由数学方法解答：Xi＝Rcosθ；Fi与Xi成正比，于是一段弧长的Fi可以表示为

式中 δ为待定系数。

则

最大Fi，Fmax在x轴处，即o点。

式中 L为液压缸间距。

按前面分析，实际最大力小于1.712 t，选用的液压缸单缸提升力25 t，提升安装最后一圈时，单个液压缸的提升力不到13 t，有足够的安全余量。转矩M对储罐系统不会产生危险。

对于100 000 m3外浮顶储罐，由于高径比小于50 000 m3外浮顶储罐，所以系统也是安全的。

1.2 横向力P对罐体的受力分析

储罐倒装法施工有先围下层壁板再提升罐体和先提升罐体再围下层壁板两种施工顺序。采用先围下层壁板，再提升罐体的施工顺序，因为下层壁板和壁板上端焊接的限位板能够承担罐体的横向风力，不会产生危险。但是采用先围下层壁板，再提升罐体的施工顺序，抗风圈、加强圈的安装高度较高，且不利于罐壁板自动焊的使用。采用先提升罐体，再围下层壁板的施工顺序，抗风圈、加强圈的安装高度只有1 m多高，且所有罐壁板焊缝可以采用自动焊接，但是罐体提升后，所有的受力只能由液压缸和液压缸的斜撑杆来承担。经过测试，选用北京昌平液压机械厂的双行程同步液压缸，在最大承载受力情况下(液压缸提升高度2.5 m)，液压缸的侧向承载力只有1.5 t，不能完全承载横向力，会发生危险。由于安装精度的影响，并不能保证所有液压缸都有效承载，系统对横向风载荷还应该有足够的安全余量。

2 抗风装置的设计原理和应用

抗风装置包括斜撑杆和竖直杆。斜撑杆下端与罐底板用铰接连接在一起，斜撑杆上端与竖直杆上端用铰接连接在一起，竖直杆下端与罐底板用铰接连接在一起，竖直杆的上部与胀圈的内侧安装在一 起，设计图如图2、图3所示。

图2 抗风装置的组装设计

图3 抗风装置的部件设计

抗风装置采用铰接结构，部件一采用铰接的开口，充分考虑了承担风载荷能力和便于安装拆除等因素。抗风装置依据罐体直径、提升高度、工地最高历史风速等因素确定具体的安装数量，安装时沿罐内侧均布。例如100 000 m3外浮顶储罐，从第四圈提升时安装4个，逐级增加，到最后一圈提升时，增加到16个。

使用要求：立柱(部件二)安装时，要求垂直；罐体提升结束后，或者遇到大风提升停止时，在立柱与胀圈上护瓦间隙内插入方销子，每处至少2个，正对胀圈处的两侧，保证抗风装置能有效承载。抗风装置的现场安装如图4、图5所示。

3 结论

图4 抗风装置的现场安全实物

图5 抗风装置的现场安全实物(局部)

大型储罐倒装法施工的风力分析是该技术的安全重点。特别是新疆的阿拉山口和鄯善地区，是我国最大的两个风口，2005年，新疆石油建设有限责任公司在阿拉山口用倒装法建造了1座50 000 m3外浮顶储罐，2008年和2009年，在鄯善用倒装法建造了10座100 000 m3外浮顶储罐。

Design of wind torque analysis of wind load and wind resistance device for large storage tank with the upside-down construction technology

YANG Jian-qiang
(Xinjiang Petroleum Engineering Construction Co.，Ltd.，Karamay 834000，China)

The design is the key technology for safety control of large storage upside-down construction technology，including wind torque analysis and wind resistance device.By results of calculating of wind torque stress analysis，find out the weak spots of the system，design and apply the wind resistance device，ensure the safety of the system.The calculating analysis and experience on large storage upside-down construction can be used for reference.

storage tank；upside-down construction；construct；wind load；wind resistant

TG404

B

1001-2303(2011)09-0040-03

2011-03-09

杨建强(1974—)，男，甘肃渭通人，高级工程师，硕士，主要从事储罐焊接质量管理工作。