油罐的抗风设计和计算

冯先超

（河南工业大学　土木建筑学院，河南　郑州　450001）



油罐的抗风设计和计算

冯先超

（河南工业大学土木建筑学院，河南郑州450001）

摘要：随着油罐的大型化和采用高强度钢材，罐壁与罐径之比相对减小。特别是从油罐的结构来看，外浮顶油罐的上部是敞口的，不再另设顶盖。因此，油罐罐壁的抗风稳定性越来越差。为了增加罐壁的刚度，除在壁板上缘设包边角钢外，在距壁板上缘1cm处还要设抗风圈。而油罐的抗风圈设计和计算，对其在风力作用下的稳定具有重要的作用。

关键词：抗风设计；抗风圈；加强圈

1　抗风圈的设计和计算

抗风圈是由钢板和型钢拼装的组合断面结构，其外形可以是圆的，也可以是多边形的。抗风圈以上的罐壁承受张力，避免了油罐失稳的危险。

抗风圈所需最小截面系数Wz可按下式计算：

式中，D为油罐内径，m；H为罐壁全高，m；Wz为抗风圈所需最小截面系数，m3。

上式是基于标准风压W0=700Pa进行推导的，当实际的标准风压W0＞700Pa时，上式所得数值还应乘以W0/700。

抗风圈与罐壁连接处上下各16倍壁板厚度范围内可以认为能与抗风圈同时工作，因而在计算抗风圈的实际截面模数时应计入此部分的面积。

英国及法国油罐标准与我国通常采用的Wz=0.082D2H计算式相同。英国油罐标准BS2654还规定当油罐直径D＞60m时，仍按60m计算抗风圈的最小截面系数Wz，设计大型油罐时此规定可作参考。

美国油罐规范API650—1980对抗风圈所需的最小截面系数Wz规定为：

式中，Wz为截面系数，in3；D为罐的公称直径，ft；H为罐壁高度，ft。

式（2）系根据风速v=100mile/h（1mile=1.6km）推导出的，如采取其他风速为依据时，则上式应乘以（v/100）2。当油罐直径大于200ft时，按式（2）求出的抗风圈截面系数Wz可以减小，但不得小于按直径为200ft求出的截面系数Wz值。

在抗风圈的组合截面中所使用的角钢，一般最小尺寸为63mm×6mm，所使用的钢板最小厚度为5mm。抗风圈上如有可能积存雨水时，则应开设适当数量的排液孔。抗风圈或其一部分通常可作为走廊用，此时最小宽度为600mm，并在外侧设置栏杆，且抗风圈装在距顶部包边角钢1 000mm处。

当抗风圈开有扶梯孔时（即扶梯穿过抗风圈处的洞口），位于开洞外侧的抗风圈部分的截面系数Wz，即图1所示，A—A，B—B，C—C各截面均应满足式（1）的要求。洞口处的罐壁应用角钢加强，角钢两端伸出的长度应不小于抗风圈的最小宽度。抗风圈腹板开洞边缘应采用垂直安放的角钢加强。以上任一加强件的横截面积不应小于32倍罐壁厚度范围内的罐壁截面积，扁钢端面与罐壁之间应采用双面满角焊，并于罐壁加强件焊接成整体［1］。

图1 抗风圈的扶梯穿过孔

抗风圈本身的对接焊缝应全部焊透，必要时在焊缝的下面可加设垫板。抗风圈与罐壁间在上部应采取连续满角焊，以避免雨水由罐壁与抗风圈的间隙处流至保温层内，下部可采用间断焊。用型钢或型钢与钢板的组合体制造的抗风圈，当型钢的水平肢式腹板的宽度超过其自身厚度的16倍时，均应在抗风圈下面设支承构件。支承构件的间距不应超过型钢垂直肢或抗风圈边缘构件竖向尺寸的24倍，且必须与抗风圈和罐壁焊接牢固，其焊接强度应能承受抗风圈自重等垂直荷载。

对于敞口油罐，当抗风圈设置在由罐壁顶部以下600mm范围内时，可不设置包边角钢；如设置在600mm以下时则必需设置包边角钢。这一包边角钢尺寸可参考国外有关规范选择。譬如，日本JISB8501—1979规定，当最上层壁板厚度为4.5mm时，角钢尺寸取65mm×65mm× 6mm；若大于4.5mm时，取75mm×75mm×6mm。英国BS2654—1973规定，当最上层壁板厚度为5mm时，角钢尺寸取60mm×60mm×5mm；若大于或等于6mm时，取75mm×75mm×6mm。美国API650—1977规定，当抗风圈安装位置在距罐壁上沿2ft以下时，上层壁板厚度为3/ 16in，应装2.5×2.5×3/16in的角钢；厚度为3/16in以上时，应装3×3×1/4in的角钢。但API650—1980中取消了这一规定。

2　加强圈的设计

设置了抗风圈之后。罐体的上部保持了圆度，但抗风圈下面的筒体仍有可能局部被吹瘪，为解决这个问题，还需在下部适当的位置设置加强圈。

加强圈的设计与计算存在的第一个问题是罐外壁风压分布很不均匀。如前所述，这可简化为均匀外压问题来处理，这样处理的结果偏于安全。

加强圈的设计与计算存在的第二个问题是油罐为阶梯形变截面圆筒，筒体母线无法用一个单一的方程式来表达，这给计算带来了困难。为解决此问题，英国首先提出了“当量高度”的概念。因为外压圆筒的临界压力与壁厚成正比，与高度和直径成反比，于是就可以把壁厚大于δmin的各筒节折算成直径相同、稳定性相同但壁厚为油罐罐壁最小厚度δmin的筒节。经过折算后的筒节高度称为当量高度。这样就可以把一个阶梯形的变截面的罐折合成一个想象中的等壁厚罐。这个壁厚为δmin的等壁厚罐抵抗失稳的能力与真实的罐相同。换句话说，这个想象中的罐不失稳，真实的罐也不会失稳；想象中的罐需要增设几个加强圈，真实的罐也需要增设几个加强圈。这个方法已为多国规范所采用。

对于SH3046—1992加强圈设计方法。

该方法以薄壁短圆筒在外压作用下的临界压力计算公式为基础，参考BS2654关于当量长度的概念得出的，其方法简单，概念清晰。

式中，Pcr为罐壁临界压力，Pa；δmin为罐壁最薄壁板厚度，mm；D为油罐内径，m；HE为当量高度，m；Hei为第i圈罐壁板的当量高度，m；对于浮顶罐，顶圈罐壁只计入抗风圈以下的部分；hi为第i圈罐壁板的实际高度，m；对于浮顶罐，只计入抗风圈以下的部分；δi为第i圈罐壁板的规格高度。

参考文献：

［1］徐至钧，许朝铨，沈珠江.大型储罐基础设计与地基处理［M］.北京：中国石化出版社，1999.

作者介绍：冯先超（1991-），男，在读硕士，研究方向：防灾减灾工程与防护工程、结构工程和油田构筑物等。

中图分类号：TE972

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）02-0066-02

收稿日期：2016-01-18

Wind Resistant Design and Calculation of Oil Tanks

Feng Xianchao
（Henan University of Technology，Civil Engineering and Architecture College，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract:With the large scale of oil tanks and the use of high strength steel,the ratio of tank wall to tank diameter is relatively small.Especially from the structure of the oil tank,the upper part of the outer floating roof is open,no longer the other top cap,therefore,the stability of the wall of the tank is getting worse and worse.In order to increase the stiffness of tank wall,except in the panel on the edge of a wrap⁃ping angle,but also a fengjuan at a distance of 1 cm away from the upper edge of panel should be set⁃tled.The tank fengjuan design and calculation has an important effect on its stability in the wind loads.

Keywords:wind design；fengjuan；reinforcing ring