樊 飛，張為亮，馮 欣

（揚(yáng)州秋源壓力容器制造有限公司，江蘇揚(yáng)州 225106）

目前，對(duì)立式圓筒形儲(chǔ)罐的罐壁開口許用外載荷的計(jì)算，國(guó)際上通行采用API 650—2018“Welded Tanks for Oil Storage”［1］（以下簡(jiǎn)稱API 650），國(guó)內(nèi)則采用GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］（以下簡(jiǎn)稱GB 50341）。文中對(duì)這2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)條文進(jìn)行分析對(duì)比，以期對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用規(guī)則和適用范圍有更深入準(zhǔn)確的理解和應(yīng)用。需要說(shuō)明的是，文中所出現(xiàn)的物理量的符號(hào)、含義及單位均與各自相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)相同。

1 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相同部分

1.1 適用范圍

GB 50341 附錄J 和API 650 附錄P 都適用于直徑大于36 m 的立式圓筒形油罐罐壁開口承載的計(jì)算。

1.2 計(jì)算步驟和公式

GB 50341 附錄J 中的公式法和API 650 附錄P.2 中的大部分內(nèi)容是一致的，其理論模型本質(zhì)與文獻(xiàn)［3-4］相同，具體內(nèi)容包括符號(hào)定義，罐壁剛度系數(shù)Kc、KL、KR的圖表及計(jì)算公式，無(wú)約束徑向位移和無(wú)約束轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式，罐壁開口處載荷的確定，罐壁開口的允許外載荷計(jì)算公式及諾模圖等。

2 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不同部分

2.1 適用范圍

GB 50341 附錄J 僅適用于直徑大于36 m 的油罐罐壁開口承載計(jì)算，沒有提到直徑小于等于36 m 的油罐罐壁開口承載計(jì)算方法。

API 650 附錄P 不僅適用于直徑大于36 m 的油罐罐壁開口承載計(jì)算，而且指出，當(dāng)客戶要求時(shí)也可以適用于直徑小于等于36 m 的油罐罐壁開口允許載荷計(jì)算。

2.2 計(jì)算方法種類

GB 50341 附錄J 規(guī)定了2 種計(jì)算校核方法，即公式法和有限元法。

API 650 附錄P.3.1.1-a）規(guī)定了4 種計(jì)算校核方法，除了附錄P.2 中的公式法和P.3.1.1-b）的有限元法外，還可以采用WRC 297 公報(bào)方法［5］或ASME Ⅷ-2—2017 “Rules for Construction of Pressure Vessels Division 2—Alternative Rules”［6］的方法［7］。

相比較而言，API 650 的規(guī)定更加全面，也更加方便合理。API 650 附錄P.2 中的公式法需要查圖表，并手工逐個(gè)計(jì)算管口，耗時(shí)耗力。附錄P.3.1.1-b）的有限元法則需要配備專業(yè)的數(shù)值模擬軟件和有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)分析工程師，并不是所有單位都能配備足夠條件加以實(shí)施。而WRC 297 公報(bào)方法則比較簡(jiǎn)單，各設(shè)計(jì)單位都有WRC 297 的計(jì)算軟件，設(shè)計(jì)工程師對(duì)WRC 的操作界面也比較熟悉，如果輸出結(jié)果在WRC 297 的適用范圍內(nèi)，其結(jié)果是可靠的。

ASME Ⅷ-2—2017 在4.5.15 中明確提出了3種方法，即WRC 537［8］（WRC 107［9］的更新替代版）和 WRC 297、ASME STP-PT-074—2015 《Local Stresses in Nozzles in Shells and Formed Heads from External Loads》方法［10］以及有限元法。WRC 537 和WRC 297 方法簡(jiǎn)單直接，如果輸出結(jié)果在其適用范圍內(nèi)，結(jié)果是可靠的。ASME STP-PT-074—2015 相對(duì)大部分設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)比較陌生，而有限元法同樣存在著軟件及人員的局限性。

2.3 制造商和采購(gòu)方工作范圍

GB 50341 明確了各相關(guān)數(shù)據(jù)和公式的輸入數(shù)值和輸出結(jié)果，但沒有明確這些數(shù)據(jù)的來(lái)源和工作范圍劃分。例如，附錄J.3 中罐壁無(wú)約束條件下的徑向位移和轉(zhuǎn)角、附錄J.4 中罐壁開口處載荷WR和θL的計(jì)算結(jié)果在后續(xù)J.5 罐壁開口處載荷確定部分完全沒有提及，不知J.3 和J.4 的計(jì)算結(jié)果有何用途。另外，附錄J.4.1 規(guī)定，F(xiàn)R、ML與MC應(yīng)由罐壁剛度、罐壁徑向位移、罐壁轉(zhuǎn)角及管線連接的剛性與約束條件來(lái)計(jì)算確定。從此條文看，F(xiàn)R、ML與MC是計(jì)算得出的，但這不符合工程實(shí)踐。

API 650 明確了各相關(guān)數(shù)據(jù)和公式的輸入數(shù)值和輸出結(jié)果，也規(guī)定了數(shù)據(jù)的來(lái)源和工作范圍劃分。附錄P.2.8 規(guī)定了雙方的工作范圍，制造商需要按照附錄P.2.4 和附錄P.2.5 將罐壁剛度系數(shù)Kc、KL、KR及罐壁無(wú)約束條件下的徑向位移和轉(zhuǎn)角提供給采購(gòu)方，而采購(gòu)方應(yīng)按照附錄P.2.6 將罐壁開口處載荷提供給制造商。制造商還應(yīng)按照附錄P.2.7 進(jìn)行最終的外載荷是否超標(biāo)的計(jì)算和評(píng)定。

對(duì)比分析可以得出，GB 50341 附錄J.2.3 中的罐壁剛度系數(shù)及附錄J.3 中罐壁無(wú)約束條件下的徑向位移和轉(zhuǎn)角，應(yīng)該是制造商計(jì)算完畢后，將Kc、KL、KR、Wd、θr的計(jì)算結(jié)果提供給采購(gòu)方即可。而附錄J.4 中的FR、ML與MC則應(yīng)由采購(gòu)方提供，這也和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)一致。

2.4 計(jì)算算例

GB 50341 中沒有給出計(jì)算算例，工程人員使用時(shí)存在理解偏差和歧義的可能性。如果給出算例，將會(huì)對(duì)此規(guī)范和公式的正確使用提供良好的導(dǎo)向作用。

在API 650 附錄P.2.9 中，則提供了公制單位制和習(xí)慣單位制2 種計(jì)算算例，算例的計(jì)算步驟詳細(xì)、清晰，非常便于工程人員理解與參考使用。尤其是在計(jì)算算例最后部分，通過公式反推算，得出允許外載荷的最大許用值，直接進(jìn)行數(shù)值比較即可，無(wú)需在圖表中插點(diǎn)復(fù)核，使用更加方便。此計(jì)算算例對(duì)GB 50341 的正確使用也有很好的參考作用。

2.5 有限元方法詳細(xì)說(shuō)明

GB 50341 附錄J.1 提到也可以采用有限元應(yīng)力分析法來(lái)確定管口許用外荷載，但沒有給出具體的建模、分析和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)等?；诓煌姆治鋈藛T，其評(píng)估結(jié)果可能會(huì)有差別。

API 650 附錄P.3.2 和附錄P.3.3 提供了具體的建模、分析和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，便于分析人員統(tǒng)一要求和評(píng)估方法，有利于規(guī)范化。尤其是附錄P.3.2.6 提到“有限元法經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管口接管部分在單獨(dú)產(chǎn)品載荷下的應(yīng)力超標(biāo)，但是，此應(yīng)力是自限性的且接管的應(yīng)變值很小。因此，接管應(yīng)力可以不用分析?！贝藯l說(shuō)明有效避免了由于考慮接管應(yīng)力超標(biāo)而帶來(lái)的過度設(shè)計(jì)，降低了成本，提高了經(jīng)濟(jì)性。

2.6 開孔處設(shè)計(jì)物料靜壓產(chǎn)生的壓力載荷FP

GB 50341 附錄J.5 罐壁開口的允許外荷載公式中明確有FP的值，但是整個(gè)附錄J 中卻沒有提到FP的具體定義和計(jì)算方法，尤其是在附錄J.2.2 中已經(jīng)有了FR、FL的說(shuō)明，卻唯獨(dú)沒有對(duì)FP的規(guī)定。

而在API 650 附錄P.2.3 的符號(hào)定義中，對(duì)FP明確規(guī)定了定義及計(jì)算公式，具體的計(jì)算公式為FP=πa2P。

2.7 補(bǔ)強(qiáng)類型

GB 50341 的圖J.2.3-1～J.2.3-12 中分為罐壁補(bǔ)強(qiáng)板和僅管頸補(bǔ)強(qiáng)板這2 種情況。但是，補(bǔ)強(qiáng)板都是在罐壁上的，根本不存在僅管頸補(bǔ)強(qiáng)板這種情況。

API 650 的圖P.2a～P.2l 中也分為2 種情況，即Reinforcement on Shell、Reinforcement in Nozzle Neck Only。

根據(jù)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，GB 50341 的插圖名稱理解為罐壁補(bǔ)強(qiáng)（罐壁多余金屬補(bǔ)強(qiáng)或補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)［11］）、僅接管補(bǔ)強(qiáng)（接管多余金屬補(bǔ)強(qiáng)或者厚壁管補(bǔ)強(qiáng)［11］）更為合適。

2.8 FR、ML 與MC 數(shù)值來(lái)源

GB 50341 附錄J.4.1 指出，“在罐壁開口接管處，由外荷載產(chǎn)生的彈性變形應(yīng)按下列公式計(jì)算。FR、ML與MC應(yīng)由罐壁剛度、罐壁徑向位移、罐壁轉(zhuǎn)角及管線連接的剛性與約束條件來(lái)計(jì)算確定”。此段文字中的2 個(gè)計(jì)算很容易讓人誤解是需要制造商計(jì)算，可是制造商根本就無(wú)法獲得足夠的相關(guān)信息來(lái)計(jì)算FR、ML與MC的值。

API 650 附錄P.2.6 說(shuō)明，F(xiàn)R、ML與MC應(yīng)通過管道柔性分析獲得。

通過對(duì)比可以看出，F(xiàn)R、ML與MC輸入數(shù)據(jù)應(yīng)由采購(gòu)方提供給制造商，而不是由制造商自己計(jì)算得出。

3 結(jié)束語(yǔ)

API 650 和GB 50341 中對(duì)立式圓筒形儲(chǔ)罐罐壁開口的許用外載荷都給出了計(jì)算和校核方法，但存在一定的差異。仔細(xì)理解2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制訂的原理和推導(dǎo)步驟，并結(jié)合算例進(jìn)行復(fù)核，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的準(zhǔn)確使用很有幫助。