钢制储罐带肋球壳设计质量控制

颜志伟

(广东寰球广业工程有限公司 设备室，广东 广州 510655)

钢制储罐带肋球壳设计质量控制

颜志伟

(广东寰球广业工程有限公司 设备室，广东 广州 510655)

文章结合相关设计工作经验，推导了外置加强肋球壳的稳定性校核的相关公式，给出了几种常见规格储罐的稳定性计算结果，并结合实例对带肋球壳排板提出了建议。

带肋球壳；外置加强肋；稳定性；排板

带肋球壳结构是当前使用最广泛的大型储罐罐顶结构，相对于桁架式和柱支撑式锥顶等结构而言，带肋球壳节省钢材、制作安装简单、安全可靠，有着其他结构不可替代的优势。外压稳定性是影响带肋球壳安全的主要原因，也是其设计的主要控制因素。王红福等[1]对储罐罐顶失稳案例进行了研究，指出操作不当引起的外载荷超载、顶板腐蚀减薄及安装制造缺陷是导致罐顶失稳的主要原因。贾磊等[2]对拱顶油罐罐顶爆裂原因进行分析，提出了蒸汽吹扫过程中预防储罐罐顶爆裂的相关措施。当前国内较成熟的储罐设计规范是GB50341，其主要引用美国储罐规范API 650的设计思想，且加入了带肋球壳的计算内容。多数情况下,加强肋板置于球壳内部，但对介质腐蚀性强、易聚合、易结晶等场合[3]，肋板外置又不可避免。GB50341的计算模型只考虑加强肋置于储罐内部的情形，对于外置加强肋的计算，当前国内尚没有比较成熟的设计规范，设计成果的质量很大程度上依赖于设计者的经验。

罐顶排板是钢制储罐设计和制造过程中一道非常重要的工序，合理的排板方案必须综合考虑规范要求、钢材利用率、焊缝数量和长度等多方面因素，排板过程往往是灵活多变、不断优化的过程。

本文将从外置加强肋球壳的稳定性校核和罐顶排板两个方面对带肋球壳设计质量的控制进行论述。

1 外置加强肋球壳稳定性校核

外压(或负压)作用下的稳定性是罐顶设计的主要控制因素，API650只给出了光顶球壳的许用外压公式，GB50341附录H将带肋球壳的折算厚度作为球壳的当量厚度，以顶板厚度与当量厚度比值的平方根作为系数对API650的公式进行修正，得到了带肋球壳的许用外载荷计算公式[4]。GB50341的计算模型为顶板在上，加强肋板在下起支撑作用，当承受外压时，加强肋板可限制顶板变形，从而起到加强罐顶稳定性的作用。当加强肋板外置时，顶板在下，肋板在上，在外压作用下，受力模型与肋板内置时有所不同，GB50341的计算模型并不能适用于此种情况，当前国内尚没有比较成熟的规范可解决此问题。

1.1 失稳翘曲应力

张薇等[3]参考德国储罐规范DIN4119对外置肋板球壳的稳定性进行了核算，本文对其公式进行推导和简化，得到外置加强肋球壳的失稳翘曲应力中判定系数K的计算公式如下：

(1)

R-储罐半径，m；n-顶板分块数量；a-罐顶曲率半径，m；tD-顶板有效厚度，m；

且应满足：

PB—失稳翘曲应力，kPa。

1.2 加强肋最小截面惯性矩

根据DIN4119规范，对于带肋拱顶结构而言，罐顶加强肋板的最小截面惯性矩计算公式如下：

(2)

(3)

β—与加强肋板结构有关的系数，β≤1 ；ν—罐顶计算安全系数；Ht—罐顶高度，m；mt—单根肋板重量，kg；m—罐顶板重量，kg；P0—设计外压，kPa。

对于常用拱顶储罐β可取为1[5]，对于其他类型储罐，取该系数为1可以使最小截面惯性矩的结果偏大，其设计结果是偏安全的；而安全系数ν则需要由设计者根据实际情况并综合考虑安全性与经济性来确定，本文取ν=2；则上述公式可简化为：

(4)

1.3 实际计算结果

应用上述公式，本文作者分别对1000 m3、3000 m3、5000 m3和10000 m3四种储罐的稳定性进行验算，计算结果列于表1。本文同样计算了上述四种规格储罐在肋板内置情况下的许用外压等数据，列于表2。

表1 外置肋板球壳稳定性校核结果Table 1 Result of stability checking of spherical shell with outer reinforcement rib

表2 内置肋板球壳计算结果Table 2 Result of stability checking of spherical shell with inner reinforcement rib

上述表格中四种规格储罐顶板分块数分别为26、22、22、24，外置径向加强肋用工字钢，纬向肋用与内置时同规格的扁钢，表1中惯性矩皆是径向肋板的截面参数。表1中所用径向加强肋的规格是综合考虑顶板分块、肋板分布、所需截面惯性矩和失稳翘曲应力的试算结果，由表1的计算结果可以看出，储罐直径越大，所需的截面惯性矩将越大，由表2中最后两列数据可以看出，外置肋板结构总重远大于相应内置结构的肋板重，且内置肋板结构的受力情况要优于外置肋板结构。因此，本文作者认为，在非必须情况下，设计者应优先选取肋板内置。

2 罐顶排板

在满足标准规范的要求下，带肋球壳排板的基本原则是：保证结构安全可靠，尽量减少焊缝数量和长度，有利于拼板并减少钢板利用率。由于影响因素众多，罐顶排板方案往往不是唯一的，不同的设计方案往往有不同的侧重点，本文作者将结合相关设计工作经验，对带肋球壳排板提出几点建议。

首先，经验表明，径向加强肋的加强作用远远大于纬向加强肋，故设计中成熟的做法是尽量保证径向肋不断开。为满足径向肋与顶板截面形成GB50341附录H所述的两端支撑结构，径向肋板端部应与中心顶板环向加强肋相连，如图1示。为满足储罐施工规范GB50128[6]对于焊缝间距L不得小于200 mm的要求，当R1分别取1.8 m和1.9 m时，该处径向肋板数(即顶板分块数)都不得大于28。为满足GB50341附录H.1.2肋板间距不得大于1.5 m的要求，对于直径为D的储罐，当肋板外翻时和肋板内翻时，靠近罐壁处径向肋板数分别不得小于π(D+50+2t)/1.5、π(D-50)/1.5。

其次，对于直径较大的拱顶，为解决前文所述焊缝间距和肋板间距的矛盾，常用图2示结构，在径向肋板间距为1.5 m附近设一圈纬向肋(该处距罐中心线间距为R)，以此圈纬向肋为界，顶板靠近罐中心侧下设一块径向肋，靠近罐壁侧下设2块以上径向肋。当顶板弧长大于12m时或考虑拼板方便，可以按前述在R处将顶板分成两带，内外带顶板搭接连接。以10000 m3(30×16.62)储罐为例，本文作者在设计时考虑：为符合前文所述的焊缝距离和肋板间距要求，在距罐中心线11.5 m处将顶板分成两带，将内带顶板分成24块，每块顶板下设一块径向肋，外带顶板同样分为24块，为保证靠近罐壁处肋板环向间距小于1.5 m，外带每块顶板下设3块径向肋，其结构如图3示，该结构即满足了规范的相关要求，同时也减少的焊缝长度，且拼板结果表明钢材能得到比较充分的应用。

图3 10000立罐顶板分板图

3 结语

本文作者经过对现有研究结果的推导和简化，得到了外置加强肋球壳的失稳翘曲应力及加强肋最小截面惯性矩的计算公式，并对几种常用规格储罐外压稳定性进行了校核，并对结果进行了讨论。本文对带肋球壳罐顶排板给出了建议，本文的稳定性计算模型以及罐顶排板的相关建议可为储罐设计过程中肋板选用、罐顶结构设计等提供参考。

[1] 王红福，张明广.储罐罐顶的失稳分析[J].油气储运,2002,21(5):49-52.

[2] 贾 磊.拱顶油罐罐顶爆裂的原因分析及预防措施[J].油气储运,2002,21(8):52-54.

[3] 张 薇，夏 莉.带加强肋的储罐罐顶设计探讨[J].石油化工设备技术,2010,31(5):13-15.

[4] 中国石油天然气集团公司.GB 50341-2014 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,2014.

[5] DIN4119-1.2 Deutsches Institut fur Normng e.V[S].DIN：in English，the German Institute for Standardization,1961.

[6] 中国石油天然气集团公司.GB 50128-2014 立式圆筒形钢制焊接储罐施工规范[S].北京: 中国计划出版社,2014.

(本文文献格式：颜志伟.钢制储罐带肋球壳设计质量控制[J].山东化工,2017,46(11):141-142,144.)

Control of the Design Quality for Spherical Shell with Rib Reinforcement

YanZhiwei

(HQCEC(Guangye) Co.,Ltd., Guangzhou 510655,China)

Combined with relevant design experience, this paper derived the formula of stability checking for spherical shell with outer reinforcement rib, and showed the result of stability checking of several common tanks, some suggestions of annular plates has also been given.

spherical shell; the outer reinforcement rib; stability; annular plates

2017-04-10

颜志伟(1989—)，男，湖南常德人，助理工程师，硕士，主要研究方向为化工设备设计。

TQ053.2

B

1008-021X(2017)11-0141-02