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立式圆筒形钢制焊接油罐设计实例

文档作者：刘得建1，温琦1，张春红2，徐闯1 文档来源： 1．无锡中粮工程科技有限公司 2．无锡钱惠污水处理有限公司		点击数：	更新时间： 2022年12月11日
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CHINA 0ILS AND FATS 2012 V01．37 No．10
澜懒麟
立式圆筒形钢制焊接油罐设计实例
刘得建1，温琦1，张春红2，徐闯1
(1．无锡中粮工程科技有限公司，江苏无锡214035；2．无锡钱惠污水处理有限公司，江苏无锡214000)
摘要：以5 000 t油罐设计为例，从罐底设计、罐壁设计、罐顶设计、抗震计算4个方面详细介绍了油
罐的设计过程和注意事项，以及在设计中遇到校核不合格情况的处理方法。
关键词：油罐；罐底设计；罐壁设计；罐顶设计；抗震计算
中图分类号：TS22；TU249 文献标志码：B 文章编号：1003—7969(2012)10-0084—04
近几年，人口增长和生活水平的提高带动了我
国食用油需求和产量的不断增长，推动了油脂加工
业的发展，油罐储存量及需求量也在不断的增加。
笔者根据油罐设计的实际经验，对其设计过程进行
了归纳总结。现以浙江舟山5 000 t油罐为例，对其
设计过程及遇到的问题进行探讨，以供参考。
1 立式圆筒形钢制焊接油罐的设计参数
设计条件：根据工艺要求，确定油罐高度为
18 m，内径为20 m。
罐体材料：碳钢(Q235一B)；设计压力(表压)：
一490 Pa≤P≤2 000 Pa；设计温度：70℃；工作温度：
常温；工作介质：植物油；介质相对密度：920 kg／m3；
全容积：6 280 m3；腐蚀裕量：1．2 mm；基本风压叫。：
500 Pa；地震等级强度：7。
2 立式圆筒形钢制焊接油罐的设计
2．1 罐底设计
罐底的结构形式选用倒圆锥形，中间低四周高，
罐底坡度为1．5％，在罐底中央设有集油槽，沉积的
存油集中于此，由弯管自上排出。这种倒圆锥形罐
底的优点是：①液体放净口处于罐底中央。不管日
后罐底如何变形，放净口总是处于罐底的最低点，这
对排净存油十分有利。②易于清洗，不再设置清扫
孔。③倒圆锥形罐底可以增加储罐容量，储罐直径
越大、罐底坡度越陡，所增加储罐容量越多。④较少
形成凹凸变形和沉积(较少沉积物可在清理油罐时
用可移动式快抽泵抽出，方便快捷)，可改善罐底腐
蚀状况。
为减小罐底组焊时的工作量，减少变形，改善受
收稿日期：2011—11—28；修回日期：2012—06—12
作者简介：刘得建(1981)，男，工程师，主要从事粮油食品机
械设计工作(E-mail)liudejianmail@163．eom。
力，节省材料，减少焊缝长度及泄漏机会，罐底中幅
板选用宽度为1．8 m的板，边缘板宽度为1．5 m。
罐壁内表面至边缘板与中幅板之间的最小距离己。
不小于计算值⋯，且不小于600 Inm。三。：j坠：粤些。528(mm)(1) ”
、／H。p,／18×0．92
式中：三。为罐壁内表面至边缘板与中幅板之间
的最小距离，mlTl；t。为罐底环形边缘板的最小公称
厚度(不含腐蚀量)，取10 mm；日。为设计最高液位，
为18 m；p为储液相对密度，取植物油P=0．92。
经实际排版L。为1 280 mm符合要求。罐底板
采用搭接、对接组合的方式，边缘板之间采用对接，
中幅板之间采用搭接，边缘板与中幅板之间采用搭
接的焊接方式，排版及焊接形式见图1。
搭接焊匾迈洹泐
啄盔对接芝焊 卿
／
板。
三层板重叠
图1罐底板的排版及焊接形式
罐底焊接后，其局部凹凸变形的深度，不应大于
变形长度的2％，且不应大于50 mm，罐底焊缝应在
外观检查合格后，用真空箱法进行严密性试验，试验
负压值不得小于53 kPa，无渗漏为合格。
2．2罐壁设计
罐壁板宽度选用板材1．8 m进行计算，长度可
定制，高度刚好为10张1．8 m的板，以便做到合理
用材的原则。
罐壁厚度计算如下⋯：
万方数据
2012年第37卷第10期中国油脂85
铲塑赢产(2)
式中：td为储存介质条件下罐壁板的计算厚度，
mm；妇为油罐内径，20 m；H为计算液位高度，18 rfl；
P为植物油相对密度，0．92“盯]。为设计温度下钢
板(Q235一B)的许用应力，157 MPa；妒为焊接接头
系数，取p=0．9。标准规定当最低屈服强度大于
390 MPa时，底圈壁板取‘D=0．85。底圈：铲塑掣掣。11．29(film)
厚度附加量：C=C。+C：=
0．8+1，2=2．0(mm) (3)
式中：C。为钢材厚度负偏差，0．8 mm；C：为腐
蚀裕量，1．2 mm。
设计厚度：td+C=11．29+2．0=13．29(mm)
底圈名义厚度取14 mill。其余类推，罐壁自下
至上共lO圈的厚度分别为14、14、12、10、10、8、8、6、
6、6 mm。
风载荷作用下罐壁的稳定性计算如下¨J：
㈧啪48棼㈦一(4)
玩=Σ见；
／L。=hi(等)
式中：[P。，]为罐壁简体的许用临界压力，kPa；
巩为筒体的当量高度，m；￡⋯为最薄壁的厚度，mm；
ti为第i圈壁板实际厚度，mm；h；为第i圈壁板实际
高度，m；也为第i圈壁板的当量高度，m。
巩=Σ峨=1．8×(甜。×2“8×
(鲁)2．5+-．8×(品)2,5×2+，．8×(詈)2 5×
2“8 x(钎3×3~8-91(m)
[Pc小16．48×品×(嘉)2．5~1．82(kPa)
W☆--tLp。p：训o (5)
式中：伽。为风载荷标准值，kPa；应为高度z处
风振系数，对油罐p：=1；弘，为风荷载体型系数，应
取驻点值此=1；以为风压高度变化系数，查表以=
1．17；伽。为基本风压，0．5 kPa。
W￡=1×1×1．17×0．5=O．585(kPa)
罐壁筒体设计外压¨3Po=2．25w。+q，与大气连
通口=0。
Po=2．25w^=2．25×0，585—1．3(kPa)
[P，]>Po，可不设置加强圈。
实际设计中，在离罐顶3 200 mm和6 400 mm
各设一道加强圈100×63×8。
罐壁钢板的焊接采用对接，罐壁相邻两圈的纵
焊缝应相互错开，最小距离应大于板厚的5倍，且不
得小于100 mm。焊接形式见图2。
等厚环焊缝不等厚环焊缝罐壁和罐底T形焊
莽彝_缸
!!警底O哮圈U罐-壁ZD纵-焊也缝 加焉强。圈焊接
图2罐壁的焊接形式
2．3罐顶设计
本罐顶采用的是球面带肋拱顶的结构形式，罐
顶板厚6 mill，肋板选用80×10的扁钢。2 J。中心顶
板直径D叭，顶板为2 000 mE，中心顶板与横顶球壳的
搭接宽度曰为40 mm，见图3。这种结构在储罐中
使用很广泛，与锥顶罐相比，拱顶结构简单、刚性好，
能承受较高的剩余压力，钢材耗量少等。
图3罐顶结构形式
拱顶的结构尺寸计算：
(1)当气体内压作用下的拱顶球壳与罐壁的
厚度相等时，拱顶的强度为罐壁强度的2倍。为使
它们的强度相当，球面的半径R；一般按照下式
选取¨。：
R。=0．8～1．2 D (6)
这里取R。=1．2D=1．2×20=24(m)
D1=D+2￡^+20=20 000+2×6+20=
20 032(mm)
D2=D中心顶板一2B---2 000—2×40=
1 920(mm)
sin8。=丽D=丽20=0．417
00=24．6
o
缝一
壁石■塑， 纵i一翼帖焊歹7丝型 丝。 羲
万方数据
86 CHINA 0ILS AND FATS
8si的i=n一p。=赫一。0‘Ds22R=焉一o． 04
0=2．30
(2)展开长度￡。。
A
L1_焉㈣训+20 (7) ￡，=兰二!铲×(24，6。一2．3。)+20一
9 356(mm)
(3)大头弧长AB。
A—B：堕+40
A—B=业等盟+40一1 614(ram)
(4)小头弧长CD。
C—D：7rD2+40 一CD=学+40—191(ram)
(5)大头展开半径R，。
Rl=R，tanoo+30
R1=24 000×tan24．6。+30—11 018(mm)
(6)小头展开半径R：。
R2=R。tan0
R2=24 000×tan2．3。一964(mm)
(7)带肋球壳计算‘¨。
一／
／
一——·一——————-——————4，——————t——
氢 6，(6z) ．∽
(8)
(9)
(10)
”1+警(12)
咿·+笼(13)
‰3地[警(竽+丁h,th+秘鲁呐"司
‰3=-2f燮L2,f＼_堕3+丁h2ta+譬)+告3一叫。e；】
经向肋和纬向肋都为80×10，所以n。=n：=l+揣=1．095 nl
2
n2
2 1+石●_丽2 1·uy3
‰3=r：3m=12[篱802-+学+百62)+
西63。。95 x6 x3．742】一，5 448 铲浮(16)
￡，：／堡塑卫墅Σ堕塑。19．86 。“^f A ⋯一一
cP，=o．ooo，E(惫)‘(乏)2 c，7，
[P]_0．000⋯9·000(警)2(忐)T一
7．19(kPa)
[P]>P(罐顶设计外压2 000 Pa)，所以安全。
式中：[P]为带肋球壳的许用外载荷，kPa；t。为
罐顶板有效厚度，6 mm；t。为带肋球壳的折算厚度，
mm；f，。为纬向肋与顶板组合面折算厚度，mm；h，为
纬向肋宽度，80 mm；b。为纬向肋有效度，10 mm；￡，，
为纬向肋在经向的间距，mE(￡。；=1～1 400 mm，这
里取1 400 mm)；／-t。为纬向肋与顶板在经向的面积
折算系数；e．为纬向肋与顶板在经向的组合截面形
心到顶板中面的距离，3．74 mm(计算略)；￡：。为经向
肋与顶板组合面折算厚度，mm；h：为经向肋宽度，
80 mm；b：为经向肋有效度，为10 mm；L：。为经向肋
在纬向的间距，mm(L：：=1～l 400 mm，这里取
1 400 mm)；几：为经向肋与顶板在纬向的面积折算
系数；e：为经向肋与顶板在纬向的组合截面形心到
顶板中面的距离，ram(e2=eI=3．74 mm)。
2．4抗震计算⋯
卜KcHw j|孚
～03
(18)
式中：￡为储罐与储液耦联振动周期，s；R为油
罐内半径，10 in；6，为罐壁距底板1／3高度处的有效
厚度，0．010 m；Hw为油罐设计最高液位，18 m；Kc
为耦联振动周期系数，中间值采用插入法计算，≮=
0．437 X10～。
t=o．437×10。x 18×以羔~0．25
L=K瓶(19)
式中：咒为储液晃动周期，s；毯为晃动周期系
数，中间值采用插入法计算，K=I．049。
L．一1．049×何：4．69
万方数据
2012年第37卷第lO期中国油脂87
罐壁底部水平地震剪力⋯：
qo=10曲C,aYl rag (20)
m=mIF，(21)
式中：Q。为在水平地震作用下，罐壁底部水平
剪力，MN；cl为综合影响系数，0．4；d为地震影响系
数，根据r值及反应谱特征t及地震影响最大系数
a一选取，a=O．23。YI为罐体影响系数，1．10；g为
重力加速度，9．81 m／s2；m。为储罐内储液总量，
m。=5．0×106 kg；m为产生地震作用储液等效质
量，kg；P为动液系数，中间值采用插人法计算，
E=0．758。
Qo=10—6×0．4 x 0．23×1．1×5．0×106×
0．758×9．81—3．76(MN)
Ml=0．4500也(22)
式中：肘。为总水平地震作用在油罐底板所产生
的地震弯矩，MN·m。
MI=O．45×3．76 X18—30．46(MN·m)
h。=1．5aR(23)
式中：h。为液面晃动波高，m；a为地震影响系
数，根据液体晃动基本周期L及地震影响最大系数
最大值a一选取，a=0．23 x0．05一O．01。
h。=1．5 x0．01×10=0．15(m)
[以]=0．15E-ff‘ (24)
式中：[以]为罐壁许用临界压力，MPa；E为设
计温度下罐壁材料(Q235一B)弹性模量，E=191×
103 MPa；t为底层罐壁板有效厚度，0．012 m。
[以]=0．15×19l×103×紫硼．19(MPa)
耻警+警
式中：6。为罐壁底部最大轴向压应力，MPa；c。
为竖向地震影响系数(7度及8度地区Q=l；9度
地区Q=1．45)；Nl为罐壁底部垂直荷载，MN；A。
为罐壁横截面积，A。=IrDt=0．754(m2)；C。为翘离
影响系数，为1．4；Z。为底圈罐壁断面系数，Z。=
0．785D2￡=3．768(m3)。
吼。 2C，百Ⅳ1+．百ClMl2面1×+1．—08．而1．4丽×30一．464
12．75(MPa)
6，<【6，】，储罐满足抗震要求。
3总结
立式圆筒形钢制焊接油罐设计中主要是罐底、
罐壁和罐顶的设计。在罐底设计中根据规范选取厚
度再加上厚度附加量进行排版；罐壁板厚由计算值
再加上厚度附加量，这里还要考虑抗震计算，如果在
实际抗震计算中不合格，则应采取措施，重新计算，
直到计算合格为止。可采取以下措施：①减小储罐
的高径比；②加大罐底环形边缘板的厚度，较厚的罐
底环形边缘板增加了罐底周边的提升反抗力，有利
于降低罐壁底部的竖向压应力；③增加底圈壁板厚
度；④用锚固螺栓(通过螺栓座把储罐锚固在基础
上)。罐底周边单位长度上的锚固螺栓抗力，应大
于周边单位长度上的提离力与罐壁重力之差。罐顶
一般根据对比经验法，然后再进行校核。
参考文献： ．
[1]GB 50341--2003，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范
[S]．
[2]成大先．机械设计手册[M]．北京：化学工业出版
杜。2001．
[3]徐英，杨一凡，朱萍，等．球罐和大型储罐[M]．北京：化
，，'气、L“， 学工业出版社，2004．
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