于勝栓

中國(guó)昆侖工程公司，北京100037

常壓立式圓筒形儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

于勝栓

中國(guó)昆侖工程公司，北京100037

探討了現(xiàn)行國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于常壓立式圓筒形儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)的GB 50341-2014、GB 50761-2012和SH 3048-1999三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別介紹了其適用范圍和儲(chǔ)罐抗震計(jì)算方法，其中計(jì)算方法涉及了罐液耦連振動(dòng)基本周期、水平地震剪力、地震彎矩、最大軸向壓應(yīng)力和穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍相差不大，計(jì)算方法有一定的差別，尤其是穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力的計(jì)算方法差別最大。分別利用三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法對(duì)10 000 m3儲(chǔ)罐實(shí)例進(jìn)行抗震計(jì)算，計(jì)算結(jié)果相差較大，尤其是儲(chǔ)罐穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力的大小，導(dǎo)致根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)得到的安全性不一致，最后對(duì)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算提出了建議。

儲(chǔ)罐；GB 50341；GB 50761；SH 3048；抗震設(shè)計(jì)

立式圓筒形儲(chǔ)罐是石油化工行業(yè)的一種重要存儲(chǔ)設(shè)備，考慮到石油化工裝置的規(guī)模越來(lái)越大，儲(chǔ)罐的大型化發(fā)展已經(jīng)是必然趨勢(shì)[1-2]。大型儲(chǔ)罐一旦在地震中遭受破壞，必將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，故其抗震研究越來(lái)越受到工程界關(guān)注[3-4]?，F(xiàn)行國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于常壓立式圓筒形儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范主要有GB 50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50761-2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及SH 3048-1999《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。雖然上述三個(gè)規(guī)范在適用范圍以及計(jì)算方法上有一定的共性，但是計(jì)算的結(jié)果卻存在差異，有時(shí)甚至差異很大[5-6]。本文針對(duì)常壓立式圓筒形儲(chǔ)罐的抗震設(shè)計(jì)，對(duì)比分析上述三個(gè)規(guī)范存在的不同點(diǎn)，并以實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，提出相關(guān)的建議。

1　各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的適用范圍及區(qū)別

1.1GB 50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]

該規(guī)范為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，適用于儲(chǔ)存石油、石化產(chǎn)品及其他類似液體的常壓和接近常壓立式圓筒形鋼制焊接油罐的設(shè)計(jì)，其中規(guī)定油罐抗震計(jì)算適用于罐壁高度與罐直徑比（以下簡(jiǎn)稱高徑比）≤1.6，且容積≥100 m3的常壓立式圓筒形鋼制油罐的抗震計(jì)算，適用于抗震設(shè)防烈度為6～9度地區(qū)的油罐抗震設(shè)計(jì)，其中設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備也必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

1.2GB 50761-2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]

該規(guī)范為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，適用于常壓立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)，其中規(guī)定適用于高徑比≤1.5，且容積≥100 m3的常壓立式圓筒形鋼制平底儲(chǔ)罐的抗震計(jì)算，不適用于儲(chǔ)液上表面與頂蓋之間空間小于儲(chǔ)罐容積4%的固定頂蓋儲(chǔ)罐，適用于抗震設(shè)防烈度為6～9度地區(qū)的儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)，其中設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備也必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

1.3SH 3048-1999《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]

該規(guī)范為石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適用于常壓立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)，其中規(guī)定適用于高徑比≤1.6，且容積≥100 m3的常壓立式圓筒形鋼制平底儲(chǔ)罐的抗震計(jì)算，不適用于儲(chǔ)液上表面與頂蓋之間空間小于儲(chǔ)罐容積4%的固定頂蓋儲(chǔ)罐；適用于抗震設(shè)防烈度為6～9度地區(qū)的儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)，其中設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算，但應(yīng)采取抗震構(gòu)造措施。

1.4三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍差別

從以上對(duì)比可以看出，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍基本相同，高徑比取值范圍稍有不同。另外SH 3048-1999規(guī)定設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算，但應(yīng)采取抗震構(gòu)造措施，但GB 50341-2014和GB 50761-2012要求設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

2　儲(chǔ)罐抗震計(jì)算方法對(duì)比

2.1罐液耦連振動(dòng)基本周期

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的罐液耦連振動(dòng)基本周期公式對(duì)比見(jiàn)表1，從表1中可以看出GB 50341-2014和GB 50761-2012的公式相同，而SH 3048-1999的公式與前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的公式不同。

表1　罐液耦連振動(dòng)基本周期公式對(duì)比

2.2水平地震剪力

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的水平地震剪力公式對(duì)比見(jiàn)表2，從表2中可以看出三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在公式的表達(dá)上稍有不同，其中GB 50341-2014和SH 3048-1999的計(jì)算式中有地震綜合影響系數(shù)（Cz或kz），而GB 50341-2014和GB 50761-2012的計(jì)算式中有罐體影響系數(shù)Y1或設(shè)備重要度系數(shù)η。

表2　水平地震剪力公式對(duì)比

2.3地震彎矩

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的地震彎矩公式對(duì)比見(jiàn)表3，從表3中可以看出GB 50341-2014和SH 3048-1999的公式是完全相同的，而GB 50761-2012的計(jì)算式中有地震綜合影響系數(shù)Re。結(jié)合上述“2.2水平地震剪力”內(nèi)容可知GB 50341-2014和SH 3048-1999將地震綜合影響系數(shù)放在水平地震剪力公式中，而標(biāo)準(zhǔn)GB 50761-2012將系數(shù)放在地震彎矩公式中。無(wú)論是將系數(shù)放在水平地震剪力中還是放在地震彎矩中，對(duì)于彎矩的計(jì)算，其主體思想是一致的。

表3　地震彎矩公式對(duì)比

2.4最大軸向壓應(yīng)力

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的最大軸向壓應(yīng)力計(jì)算公式見(jiàn)表4，從表4中可以看出GB 50761-2012和SH 3048-1999兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軸向壓應(yīng)力計(jì)算式是相同的，而GB 50341-2014與前述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不同，增加了相應(yīng)的系數(shù)。

表4　最大軸向壓應(yīng)力公式對(duì)比

2.5穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力公式見(jiàn)表5，從表中可以看出GB 50761-2012和SH3048-1999兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算式是相同的，而GB 50341-2014與前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不同，差別較大。

表5　穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力公式對(duì)比

從以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比中可以看出，其抗震計(jì)算方法略有不同，這也導(dǎo)致應(yīng)用不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同一臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行抗震計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果的安全性不同。

3　實(shí)例驗(yàn)證

以10 000 m3儲(chǔ)罐為例，根據(jù)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)其進(jìn)行抗震計(jì)算，地震設(shè)防烈度按7度算，設(shè)計(jì)基本加速度0.1 g，儲(chǔ)罐直徑31 m，直邊段高度14.5 m，儲(chǔ)罐示意如圖1所示。

圖1　10000 m3儲(chǔ)罐示意

根據(jù)GB 50341-2014、GB 50761-2012和SH 3048-1999標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　10000 m3儲(chǔ)罐抗震計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表6可以看出，采用三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)10 000 m3儲(chǔ)罐進(jìn)行的抗震計(jì)算結(jié)果不同?？傮w來(lái)說(shuō)，最大軸向壓應(yīng)力相差不大，分別為1.95、1.89、1.77 MPa，但因?yàn)榉€(wěn)定許用臨界應(yīng)力計(jì)算公式差別很大，導(dǎo)致許用應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果有差別，分別為2.98、1.11、1.01 MPa，因而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的安全性不同，對(duì)于GB 50341-2014最大軸向壓應(yīng)力小于穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力，該儲(chǔ)罐的抗震設(shè)計(jì)是滿足要求的，對(duì)于GB 50761-2012和SH 3048-1999，最大軸向壓應(yīng)力大于穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力，該儲(chǔ)罐的抗震設(shè)計(jì)不滿足要求。這就出現(xiàn)了針對(duì)同一臺(tái)儲(chǔ)罐，采用不同的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，得到的安全性是不一致的。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)三個(gè)儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)適用范圍和計(jì)算公式的對(duì)比及實(shí)例計(jì)算，可以得出：三個(gè)儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍相差不大，計(jì)算公式有一定差別，導(dǎo)致儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)的結(jié)果不同，得到的安全性也不一致。目前儲(chǔ)罐的抗震標(biāo)準(zhǔn)已有三個(gè)甚至更多正在實(shí)行，這就導(dǎo)致在儲(chǔ)罐抗震計(jì)算中如何選擇標(biāo)準(zhǔn)成為難題。選用不同的標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，抗震設(shè)計(jì)得到的安全性不同。因而設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行儲(chǔ)罐抗震計(jì)算時(shí)，要從多方面考慮，保證儲(chǔ)罐的安全。另外，也建議國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)部門能夠結(jié)合實(shí)際情況，盡量統(tǒng)一同類型的標(biāo)準(zhǔn)，避免類似不一致的情況出現(xiàn)。

[1]石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊(cè)編委會(huì).化工裝置工程設(shè)計(jì)[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2010.

[2]于清，王一軍，許躍新，等.大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展[J].新疆石油天然氣，2006，18（4）：73-93.

[3]蔣國(guó)輝，張曉明，閆春暉，等.國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)罐事故案例及儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)修改建議[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013，32（6）：633-637.

[4]張如林，程旭東，管友海.大型儲(chǔ)罐抗震研究現(xiàn)狀和發(fā)展綜述[J].四川建筑科學(xué)研究，2015，41（1）：205-209.

[5]林衡.儲(chǔ)罐抗震計(jì)算的討論[J].化工設(shè)備與管道，2002，39（6）：16-18.

[6]張瑞松.常壓立式圓筒形儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)探討[J].化工設(shè)計(jì)，2012，22（6）：37-39.

[7]GB 50341-2014，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8]GB 50761-2012，石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]SH 3048-1999，石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Comparative Analysis of Aseismic Design Standards of Vertical Cylindrical Storage Tanks with NormalPressure

YU Shengshuan
China Kunlun Contracting&Engineering Corporation，Beijing 100037，China

The current national and industrial standards GB 50341-2014，GB 50761-2012 and SH 3048-1999 about aseismic design of vertical cylindrical storage tanks with normal pressure are discussed.Their application scopes and calculation methods are introduced.The calculation methods include the tank-liquid coupling vibration fundamental period，the horizontal seismic shear force，the seismic bending moment，the maximum axial compressive stress and the stable allowable criticalstress.The analysis shows that the application scopes of the three standards are basically same，but their calculation methods are different to a certain extent，in which the stable allowable critical stress calculation method has the maximum difference.The aseismic calculations of a 10 000 m3storage tank according to these three standards are performed and the results are different.Especially due to the discrapancy of critical allowable stresses，it results in different safety degrees of the tank according to the different standards of aseismic design.Finally，the advice of aseismic design calculation is given.

storage tank；GB 50341；GB 50761；SH 3048；aseismic design

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.011

于勝栓（1984-），男，河北唐山人，工程師，2010年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，碩士，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)研發(fā)工作及機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)選型研發(fā)工作。

Email：shengshuan-ren@163.com

2016-01-29