張浩 (中國石油天然氣管道局天津設(shè)計(jì)院，天津 300457)

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風(fēng)載荷對油罐傾倒力矩的計(jì)算方法

張浩 (中國石油天然氣管道局天津設(shè)計(jì)院，天津 300457)

在GB 50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》的“油罐抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算及錨固設(shè)計(jì)”中，僅給出了油罐不發(fā)生傾倒的力矩要求，具體各個(gè)力矩的計(jì)算方法并沒有明確給出，這對油罐抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算造成了很大的困難。為此，提出了抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算中所需力矩的具體計(jì)算公式，特別是推導(dǎo)出了水平和垂直風(fēng)壓對罐壁罐底接合點(diǎn)傾倒力矩的計(jì)算方法，為油罐設(shè)計(jì)提供了重要參考。

油庫油罐；抗風(fēng)穩(wěn)定性；風(fēng)壓；傾倒力矩；計(jì)算方法

立式圓筒形鋼制焊接油罐是國內(nèi)的石油化工生產(chǎn)中重要的設(shè)備類型。在GB50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中，增加了“油罐抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算及錨固設(shè)計(jì)”章節(jié)，但其中并未詳細(xì)論述具體的計(jì)算方法，僅給出了未錨固罐傾倒校核計(jì)算時(shí)不發(fā)生傾倒的要求，具體力矩的計(jì)算公式并未提到。這就造成了在油罐設(shè)計(jì)過程中該部分相關(guān)計(jì)算結(jié)果難以得出，成為油罐設(shè)計(jì)計(jì)算中的一個(gè)盲區(qū)。為此，筆者尋求油罐抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算中所需力矩的具體計(jì)算方法。

1 油罐抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算問題

注：a為罐壁風(fēng)載荷(PWS)，Pa；b為風(fēng)壓上舉載荷(PWR)，Pa；c為內(nèi)壓上舉載荷，Pa；d為罐壁重量和罐頂支撐件重量(不包括罐頂板)，kg；e為罐頂板及其上附件重量，kg；f為罐壁罐底接合點(diǎn)(力矩平衡點(diǎn))；H1為罐壁高度，m；D為油罐直徑，m。

在GB50341-2014中，關(guān)于抗風(fēng)穩(wěn)定性的規(guī)定如下：未錨固罐傾倒校核計(jì)算，當(dāng)油罐不發(fā)生傾倒時(shí)，應(yīng)滿足：

0.6MW+Mpi

MW+Mpi<(MDL+MF)/2+MDLR

(1)

式中,MW為水平和垂直風(fēng)壓對罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩，N·m；Mpi為設(shè)計(jì)內(nèi)壓對罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩，N·m；MDL為罐壁重量和罐頂支撐件重量(不包括罐頂板)對罐壁罐底接合點(diǎn)的反傾倒力矩，N·m；MDLR為罐頂板及其上附件重量對罐壁罐底接合點(diǎn)的反傾倒力矩，N·m；MF為儲(chǔ)液重量對罐壁罐底接合點(diǎn)的反傾倒力矩，N·m。

根據(jù)未錨固罐所受的載荷(見圖1)可知：

(2)

(3)

(4)

式中，g為重力加速度，m/s2。

MF在GB50341-2014中已經(jīng)給出了具體的計(jì)算公式。現(xiàn)在的關(guān)鍵問題是如何計(jì)算MW。

2 MW的計(jì)算

在GB50341-2014中， MW被拆解為水平風(fēng)壓對罐壁罐底結(jié)合點(diǎn)的傾倒力矩(MWS)和垂直風(fēng)壓對罐壁罐底結(jié)合點(diǎn)的傾倒力矩(MWR)，即MW=MWS+MWR。同時(shí)，定義MWS為由PWS引起的對罐壁罐底結(jié)合點(diǎn)的傾倒力矩：

(5)

定義MWR為由PWR引起的對罐壁罐底結(jié)合點(diǎn)的傾倒力矩：

(6)

式中,PWS為作用于罐壁上的水平風(fēng)載荷，Pa；PWR為作用于罐頂部的舉升風(fēng)載荷，Pa。

由此，MW的計(jì)算問題變成了求解PWS和PWR。PWS和PWR的計(jì)算公式在GB50341-2014中并未明確給出，但是在附錄F中有關(guān)于設(shè)計(jì)風(fēng)壓的描述：W為設(shè)計(jì)風(fēng)壓，w0為風(fēng)載荷的基準(zhǔn)壓力，在圓柱狀罐壁垂直投影面上W=1.23w0，在錐頂和雙曲面固定頂水平投影面上W=2.06w0。由此可以推測，在圓柱狀罐壁垂直投影面上的設(shè)計(jì)風(fēng)壓W=1.23w0就是PWS, 在錐頂和雙曲面固定頂水平投影面上的設(shè)計(jì)風(fēng)壓W=2.06w0就是PWR。

根據(jù)API650-2013《焊接石油儲(chǔ)罐》[2]的規(guī)定，可以得到：

(7)

(8)

式中,V為風(fēng)速，km/h；系數(shù)單位為kg/m3。API650-2013中風(fēng)載荷的基準(zhǔn)壓力是根據(jù)離地約10m高處的3s陣風(fēng)風(fēng)速V計(jì)算的；而GB50341-2014中風(fēng)載荷的基準(zhǔn)壓力一般按當(dāng)?shù)仄脚_地面10m高度10min的平均風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出50年一遇確定的最大風(fēng)速，再乘以相應(yīng)的空氣密度。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，經(jīng)過計(jì)算可得國內(nèi)外風(fēng)速的轉(zhuǎn)換比例：

美國3s瞬時(shí)風(fēng)速=1.58×國內(nèi)10min平均風(fēng)速

(9)

則當(dāng)國內(nèi)風(fēng)載荷的基準(zhǔn)壓力為w0時(shí)，轉(zhuǎn)換為國外風(fēng)速：

(10)

由此可得：

(11)

(12)

(13)

(14)

最后，根據(jù)MW=MWS+MWR即可求得水平和垂直風(fēng)壓對罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩MW。

3 實(shí)例驗(yàn)證

2015年大港油田采油六廠羊中心站6#罐大修項(xiàng)目，具體為拆除原5000m3多功能罐，并在原址新建一座5000m3多功能罐。該項(xiàng)目的國內(nèi)風(fēng)載荷的基準(zhǔn)壓力w0=550Pa，油罐直徑D=23.7m，罐壁高H=12.5m為拱頂罐。下面將重點(diǎn)說明水平和垂直風(fēng)壓對罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩MW的計(jì)算過程，并對比與原油罐(無抗風(fēng)錨固計(jì)算時(shí))的不同情況。

對于新建的5000m3多功能罐，根據(jù)式(11)～(14)可以計(jì)算出：

PWS=1.23w0=0.68(kPa)

PWR=2.06w0=1.13(kPa)

MW=MWS+MWR=7163290(N·m)

為了核實(shí)上述結(jié)果，應(yīng)用TANK軟件進(jìn)行了驗(yàn)算。TANK軟件關(guān)于MWS和MW的計(jì)算結(jié)果如下：

Moment about shell-to-bottom joint [MWS]:

= 18. * Vfact (D + Insulation)*H^2 / 2

= 18. * 0.7676 (77.8 + 0.0 )*41.0^2/2

= 900854.7 ft.lb[1221342.8N·m]

Moment about shell-to-bottom joint[MW]:

= MWS + Wind Uplift*VArea*D / 2

= 900854 + 0.1599*683784*77.8/2

= 5152154.0 ft.lb[6985084.5N·m]

可見根據(jù)式(13)和式(14)計(jì)算的MW與TANK軟件計(jì)算的結(jié)果差別很小。

另外，根據(jù)項(xiàng)目的其他設(shè)計(jì)條件，應(yīng)用式(2)～式(4)可以求得：

Mpi=10455262(N·m)

MDL=6690632(N·m)

MDLR=3367770(N·m)

MF=25885288(N·m)

通過上述計(jì)算得出：

0.6MW+Mpi>MDL/1.5+MDLR

MW+Mpi<(MDL+MF)/2+MDLR

(15)

式(15)表明，當(dāng)考慮油罐抗風(fēng)穩(wěn)定性時(shí)，需要對油罐進(jìn)行錨固設(shè)計(jì)。故而在該項(xiàng)目中對油罐增加了錨固螺栓，以確保罐體不會(huì)發(fā)生傾倒。原油罐沒有錨固設(shè)計(jì)，這樣就糾正了原項(xiàng)目不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟糠帧?/p>

4 結(jié)語

用GB50341-2014附錄F中的設(shè)計(jì)風(fēng)壓1.23ω0和2.06ω0分別代替“油罐抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算及錨固設(shè)計(jì)”中的PWS和PWR對水平和垂直風(fēng)壓對罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩MW進(jìn)行了計(jì)算。相對于原來的設(shè)計(jì)方法，在抗風(fēng)穩(wěn)定性中考慮了風(fēng)載荷對油罐的傾倒力矩，極大地增加了油罐的安全性，為以后的國內(nèi)油罐設(shè)計(jì)提供了重要參考。

[1]立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50341-2014[S].

[2]焊接石油儲(chǔ)罐，AP650-2013[S].

[3]劉德平，趙永勝，陳全勇，等.國內(nèi)外基本風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)的比較研究[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2013(2):30～33.

[編輯] 張濤

2016-09-16

中國石油天然氣集團(tuán)公司科技專項(xiàng)(H201104006)。

張浩(1989-)，男，助理工程師，現(xiàn)主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)方面的研究工作；E-mail:zzzhanghao@cnpc.com.cn。

TE972.102

A

1673-1409(2016)34-0074-03

[引著格式]張浩.風(fēng)載荷對油罐傾倒力矩的計(jì)算方法[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(34)：74～76.