油罐及管道强度设计课程设计.docx
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油罐及管道强度设计课程设计
油罐及管道强度设计课程设计
《油罐及管道强度设计》
课程设计
题目10000m³拱顶油罐装配图
所在院（系）石油工程学院
专业班级
学号
学生姓名
指导教师
完成时间2009-7-10
《油罐及管道强度设计》
课程设计任务书
题目
10000m3拱顶油罐装配图
学生姓名
学号
专业班级
设
计
内
容
与
要
求
一、原始数据
1．适用范围及设计条件
油罐用于储存柴油及不易挥发的相类似油品。
（1）设计压力正压：
1960Pa
负压：
490Pa
（2）设计温度-19℃≤t≤90℃
（3）基本风压686Pa
（4）雪载荷441Pa
（5）抗震设防烈度8度
（6）场地土类型
类
（7）储液密度850kg/m3
（8）腐蚀裕量1mm
2．设计基本参数和尺寸
（1）罐体
10000m3罐体的基本参数和尺寸见表一。
表一：
10000m3拱顶油罐基本参数和尺寸
容积（m3）
油罐
内径
（mm）
罐底
直径
（mm）
高度（mm）
顶板
厚度
（mm）
底板
厚度
（mm）
主体
材料
油罐
总质
量（kg）
公
称
计
算
壁
高
顶
高
总
高
中幅板
边缘板
10000
10907
31200
31350
14283
3407
17690
6
7
9
Q235-A
220915
（2）油罐附件
a.罐壁人孔
罐壁人孔安装于罐壁最底圈壁板上，其中心距离罐底约800mm。
人孔位置应与透光孔相对应，以便采光通气。
当只有一个透光孔时，人孔应设在透光孔至180度位置上。
人孔的规格及制造目前已定型化，其规格及选用见表二。
表二：
人孔、透光孔及量油孔选用表
容积（m3）
罐壁人孔
透光孔
量油孔
数量
直径（mm）
质量
（kg）
数量
直径（mm）
质量
（kg）
数量
直径（mm）
质量
（kg）
5000~10000
1
600
126
3
500
1
150
b.量油孔
量油孔一般适用于人工检尺的油罐，其公称直径是DN150mm。
安装位置应在罐顶平台附近并与透光孔相对应，以便测定储液计量或取样。
其选用见表二。
c.透光孔
透光孔主要用于油罐放空后的通气和检修时的采光，安装在罐顶平台附近，与人孔对称或在同一方位上布置。
其中心距罐壁1000mm。
透光孔的公称直径为DN500mm，其规格及选用见表二。
d.呼吸阀
呼吸阀主要用于固定顶油罐上的通风位置，一般安装在罐顶中心附近，起呼吸作用。
其规格及选用见表三。
表三：
呼吸阀选用表
输液量
（m3）
管径
（mm）
数量
规格
质量
（kg）
连接尺寸及标准
<100
100
1
DN100
PN6,DNXX
JB/T81-94
101~150
150
1
DN150
151~250
200
1
DN200
251~300
250
1
DN250
>300
300
1
DN300
34
二、设计要求
1．了解拱顶油罐的基本结构和局部构件；
2．根据给定油罐大小，查阅相关标准确定相应构件的规格尺寸；
3．学会使用AUTOCAD制图；
4．相关技术要求参考有关规范。
三、完成内容
1．10000m3拱顶油罐装配图纸一张（2#）；
2．课程设计说明书一份。
起止时间
2009年月日至2009年月日
指导教师签名
2009年月日
系（教研室）主任签名
2009年月日
学生签名
2009年月日
1.设计说明书……………………………………………………………………4
适用范围………………………………………………………………………4
设计、制造遵循的主要指标规范……………………………………………4
罐体规格尺寸范围…………………………………………………………4
罐顶盘梯及平台……………………………………………………………4
罐体的防腐…………………………………………………………………4
油罐附件……………………………………………………………………5
接口…………………………………………………………………………5
液位指示计口………………………………………………………………5
消防设施……………………………………………………………………5
避雷及防静电………………………………………………………………5
油罐基础……………………………………………………………………5
罐体保温……………………………………………………………………6
罐体外壁涂漆………………………………………………………………6
选用说明……………………………………………………………………6
油罐的制造、检验及验收…………………………………………………6
原始数据……………………………………………………………………6
开口说明……………………………………………………………………7
技术要求……………………………………………………………………7
2.设计计算书…………………………………………………………………8
设计原始数据………………………………………………………………8
油罐尺寸的确定……………………………………………………………8
油罐罐壁的设计计算………………………………………………………8
油罐罐壁钢板的尺寸、排板确定…………………………………………8
罐壁各层钢板厚度的计算…………………………………………………8
油罐罐底的设计计算………………………………………………………11
罐顶的设计计算……………………………………………………………12
计算载荷（设计压力）的确定……………………………………………13
油罐罐顶的校核……………………………………………………………13
3.参考文献……………………………………………………16
1.设计说明书
适用范围
此设计中油罐储存介质为柴油及不易挥发的相类似油品。
设计条件
设计压力正压：
1960Pa
负压：
490Pa
设计温度-19℃≤t≤90℃
基本风压686Pa
雪载荷441Pa
抗震设防烈度8度（近震）
场地土类型Ⅱ类
储液密度≤1000kg/m3
腐蚀裕量1mm
当介质腐蚀性较强，腐蚀速率超过a时，应根据介质对碳钢腐蚀速率确定适当的腐蚀裕量，并相应增加油罐壁板及油罐底版的厚度或采取其它防腐措施。
设计、制造遵循的主要指标规范
SH3046《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》
GBJ128《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》
SH3048《石油化工钢制设备抗震设计规范》
GB50205《钢结构工程施工质量验收规范》
罐体规格尺寸范围
公称容积：
10000m3
公称直径：
DN31200mm
罐顶盘梯及平台
此设计中所有油罐均采用45°升角的螺旋盘梯。
盘梯均按左旋布置，用户可根据实际情况自行改动。
罐体的防腐
此设计中对油罐内壁防腐未做具体规定，当用户根据介质情况需要对油罐做内防腐时，选用者可根据具体要求确定防腐级别，并提出相应的技术要求。
一般防腐可采用刷二遍底漆，二遍面漆。
油罐附件
罐壁人孔
罐壁人孔均安装于罐壁最底圈壁板上，其中心距离罐底约800mm。
人孔位
置应与透光孔相对应。
以便采光通气。
当只有一个透光孔时，人孔应设在透光孔之180°位置上。
量油孔
量油孔一般适用于人工检尺的油罐，其公称直径为DN150mm。
安装位置应在罐顶平台附近并与透光孔相对应。
以便测定储液计量或取样。
透光孔
透光孔主要用于油罐放空后的通气和检修时的采光，安装在罐顶平台附近，与人孔对称或在同一方位上布置。
其中心距罐壁1000mm。
透光孔的公称直径为DN500mm。
呼吸阀
呼吸阀只要用于固定油罐上的通风装置，一般安装在罐顶中心附近，起呼吸作用。
排水槽
排水槽用于油罐排水（污）放净之用。
接口
此设计中所设置的接口数量、规格及用途是推荐性的。
选用者可根据需要，参照表中给出的各种管口要求，自行变更其规格、数量，安装方位及标高。
液位指示计口
此设计中未设液位指示计口，选用者可根据具体情况设定液位指示计口的规格、定位尺寸、方位。
定货时须注明油罐高度。
消防设施
此设计中油罐采用泡沫消防，根据油罐容积大小不同，设置不同数量、不同规格的泡沫发生器。
本图集中仅提供泡沫发生器与罐壁连接的开孔数量、规格尺寸及方位。
泡沫发生器由选用者确定。
并应根据储存介质的特性，校核空气泡沫发生器的规格和数量。
避雷及防静电
此设计中油罐未设置避雷及防静电设施。
选用时由选用单位相应专业根据有关规范确定设置避雷及防静电设施。
油罐基础
基本要求
油罐基础应符合GBJ128《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》和SH3046《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》中的规定。
其基本要求如下：
（1）基础面层应为绝缘防腐层，基础表面任意方向上不应有凸起的棱角。
基础表面凹凸度从油罐中心向周边测量不应超过25mm。
（2）基础锥面坡度：
对一般地基应为15/1000，对软弱地基一般不应大于35/1000。
基础沉降基本稳定后的锥面坡度应不小于8/1000。
油罐基础设计条件
选用者可按工程实际情况，对其中的空白项加以补充后，提供给土建专业，作为油罐基础的设计依据。
罐体保温
此设计中油罐的罐体保温应由选用者按照工程的具体情况，确定保温材料、保温结构及保温厚度。
罐体外壁涂漆
此设计中油罐的罐体外壁无保温时要求涂两遍底漆，两遍面漆。
当油罐有外壁保温时，不涂刷面漆。
选用说明
选用原则
（1）油罐的工作条件必须满足本说明的设计条件，如不能满足上述设计条件，应由选用者重新校核所选用的油罐厚度及稳定性。
（2）油罐的进、出口管的规格与本系列推荐的不同时，应对油罐附件（呼吸阀）的规格尺寸按工艺条件核算后方可选用。
必要时应加大其规格尺寸或增加数量。
（3）喷淋管的支架由选用者根据需要现场焊接。
其它支架允许现场焊接，但支架的载荷不能过重。
油罐的制造、检验及验收
此设计中油罐的制造、检验及验收按GBJ128《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》进行。
原始数据
适用范围及设计条件
拱顶油罐储存介质为柴油及不易挥发的相类似油品。
（1）设计压力正压：
1960Pa
负压：
490Pa
（2）设计温度-19℃≤t≤90℃
（3）计算风压686Pa
（4）雪载荷441Pa
（5）抗震设防烈度8度
（6）场地土地类型II类
（7）储液密度≤850Kg/m3
（8）腐蚀余量1mm
开口说明
（1）进油口公称直径为50mm,伸出高度（H）为200mm。
（2）出油口公称直径为50mm,伸出高度（H）为200mm。
（3）透光孔公称直径为500mm。
（4）呼吸阀公称直径为100mm。
（5）量油孔公称直径为150mm。
（6）温度计开口公称直径为25mm,伸出高度（H）为200mm。
（7）罐壁人孔公称直径为600mm。
（8）排水口公称直径为50mm,伸出高度（H）为200mm。
开口说明
（1）进油口公称直径为50mm,伸出高度（H）为200mm。
（2）出油口公称直径为50mm,伸出高度（H）为200mm。
（3）透光孔公称直径为500mm。
（4）呼吸阀公称直径为100mm。
（5）量油孔公称直径为150mm。
（6）温度计开口公称直径为25mm,伸出高度（H）为200mm。
（7）罐壁人孔公称直径为600mm。
（8）排水口公称直径为50mm,伸出高度（H）为200mm。
技术要求
（1）本油罐按GBJ128《立式圆筒行钢制焊接油罐施工及验收规范》进行制造、试验和验收。
（2）本油罐罐体在基础检查验收合格后方可进行整体安装。
（3）本油罐所用钢板的技术条件应符合GB3274《碳素结构刚和低合金结构刚热轧厚钢板和刚带》的有关规定。
（4）所有罐壁开口应避开罐壁焊缝，开口接管或补强圈边缘距罐壁焊缝应大于100mm。
（5）油罐安装完毕后，罐体外表面刷二遍底漆，二遍面漆。
（有保温时不刷面漆）
（6）管口及梯子方位按图所示。
2课程设计说明书
设计原始数据
1.罐容积：
10000m3
2.储存介质：
柴油（密度850kg/m3）
3.地震烈度：
8级近震
4.风压：
400N/m2
5.风压变化系数：
6.温度：
－19℃～90℃
油罐尺寸的确定
参考中华人民共和国行业标准钢制立式圆筒形固定顶储罐系列HG确定D=31200㎜，H=14274㎜，拱顶高度为3416mm,总高为17690mm。
油罐罐壁的设计计算
油罐罐壁钢板的尺寸,排板确定
上下圈板之间采用套筒式搭接，搭接长度取50mm。
油罐罐壁钢板的尺寸规格..按定为1750×5200mm
油罐周长
每圈罐壁筒节所需钢板
△：
每块钢板的加工余量△=10mm（经验值）
这样除去边缘的加工余量后,每块钢板的实际可用长度L’为:
L’=5200-2×10=5180mm
实际每圈所需钢板数
油罐的高度H=14274mm
每块钢板除去余量后实际宽度B为:
B=1750-2×10=1730mm
罐壁钢板层数
取m=9
由以上得出,油罐罐壁由9层钢板,每层19块钢板组焊而成。
罐壁各层钢板厚度的计算
罐壁各层钢板厚度的计算由文献《油罐及管道强度设计》中和进行，并针对进行了材料选取时的安全性厚度校核设计计算。
公式和分别为：
（3-1）
（3-2）
式中
—储存介质时的设计厚度，mm；
—储存水时的设计厚度，mm；
—储液密度，Kg/m3；
H—计算的罐壁板至罐壁顶端的垂直距离，m；
D—储罐内径，m；
—设计温度下罐壁钢板的许用应力，Mpa；
—常温下罐壁钢板的许用应力，Mpa；
—焊缝系数，取；
—钢板的厚度负偏差，mm；
—腐蚀余量，mm；
每层罐壁钢板取
，
中的最大值，最后按ＧＢ709-88进行钢板厚度的向上圆整。
—在设计中取为3mm；
—通过查ＧＢ6654-96，确定
＝。
由前面介绍知钢板选材为20R：
壁厚确定公式是将油罐视作薄壁容器，根据薄膜理论，按所选壁板能够承受的最大应力作为临界应力值，将公式反推回来成为关于求解壁厚的计算式。
油罐的上两层圈板是按照刚度条件来确定其厚度的，下部的4层圈板则是按照强度条件确定它们各自的厚度的。
1第一层壁板的厚度计算（从底部算起）
设此时的厚度在6~16mm之间,由文献［5］《立式圆筒型钢制焊接储罐设计规范》中表得出
=157Mpa
第一层壁板高度：
H＝
mm
mm
所以向上圆整为18mm
2第二层壁板的厚度计算
第二层壁板计算时的高度为：
H＝
圆整为16mm
3第三层壁板的厚度计算
第三层壁板计算时的高度为：
H=
圆整为14mm
4第四层壁板的厚度计算
第四层壁板计算时的高度为：
H=
圆整为12mm
5第五层壁板的厚度计算
第五层壁板计算时的高度为:
H=
圆整为11mm
6第六层壁板的厚度计算
第六层壁板计算时的高度为：
H＝
圆整为9mm
7第七层壁板的厚度计算
第七层壁板计算时的高度为：
H＝
圆整为7mm
8第八层壁板的厚度计算
第八层壁板计算时的高度为:
H=
圆整为7mm
9第九层壁板的厚度计算
第九层壁板计算时的高度为:
H=圆整为7mm
表3-1罐壁钢板材料及厚度
名称
材料
厚度（mm）
第一层罐壁
20R
18
第二层罐壁
20R
16
第三层罐壁
20R
14
第四层罐壁
20R
12
第五层罐壁
20R
11
第六层罐壁
20R
9
第七层罐壁
20R
7
第八层罐壁
20R
7
第九层罐壁
20R
7
罐壁顶端装置的包边角钢按文献［5］表进行选取定为：
。
油罐罐底的设计计算
a.油罐罐底直径的计算
D1=D+2δ1+2δ
式中D1—罐底直径，mm；
δ—边缘板外伸量，为50mm；（3-24）
D
=31200+2×18+2×50=31336mm
b.边缘板的设计
边缘板的块数确定按选取的边缘板尺寸
内长为：
4712mm;外缘弦长为：
5297mm;
最小宽度为：
1314mm;最大宽度为：
1580mm;
每块边缘板圆心角为：
2arctg[（5297-4712）/（2
1314）]≈25°
边缘板的块数：
m’=360°/25°≈15块，经验算满足；
其中边缘板的内伸量计算按JISB8501-1979中的推荐进行了计算；
外伸量≥50mm,实际在设计中取外伸量为100mm
内伸量Lm≥600mm
Lm≥280ta/（H）（3-25）
式中ta—边缘板厚度；
H—最大液面高度；
Lm—从罐壁外侧起边缘板向内径方向的伸出量，mm。
ta的确定按[5]表选取最小值为9mm；结合的说明，将底板腐蚀余量定为5mm;所以得出ta值为ta=9+5=14mm
Lm≥280
14/≈1107mm
按照铺排方便节约钢板的原则，每块钢板的实际内伸量再加上111m。
对边缘板的最小宽度为：
δw=100+1107+111=1318mm
最小宽度定下后，加上每块板所对圆心角为25°，即可确定其它尺寸：
内长：
ed=2ad=
°
od=7998-1318=6680mm
所以ed=2892mm
除去焊缝间隙等的影响，取ed=2892mm
最大宽度：
ab=ob-ao=°≈1476mm
c.中幅板的设计
中幅板的厚度选取先按文献[5]表选取一个基值为不小于6mm，设计时考虑了腐蚀余量以及焊接方法的选择及焊接的易操作性，加之其对地基的影响，取中幅板的厚度为：
δw1=6+5+1=12mm
其中：
6mm为中幅板必需的最小值；
5mm是为腐蚀余量较严重，焊接及地基要求而增加的；
1mm为腐蚀余量。
罐顶的设计计算
顶板的块数确定按选取的顶板尺寸：
大端弦长，小端弦长1149mm，
中心板取半径为1050mm。
拱顶曲率半径R=
所以R=
=37440mm
罐顶起始角
（3-26）
式中D—油罐直径;
R—罐顶曲率半径。
拱顶顶板长
=
每块顶板所对的圆心角为
=°
顶板块数
块
所以罐顶由6块，每块长为，大端弦长，小端弦长1149mm的板组成。
计算载荷（设计压力）的确定
罐顶向下外载荷（设计外压）应包括自重、罐内真空（排油时）度、雪载、活载荷组成。
设计外压会使球壳受压失稳，也会使包边角钢被拉坏（横推力）。
设计外压qe=q1+q2+q3+q4Pa（3-27）
式中
—顶结构单位面积自重Pa；
—为操作时最大真空度，一般取500Pa倍呼吸阀开启压力）；
—雪载荷，取441Pa；
—活载荷Pa，通常取400Pa通常当雪载
时，取q2+q3+q4≥1200Pa。
1077Pa
=2418Pa
罐顶内载荷（设计内压）由（油气压力—重力），这一载荷使球壳产生薄膜应力破坏，并使包边角钢成为受压环。
内载荷ql=（3-28）
式中q5—呼气阀的开启压力，通常取q5=2000Pa；
q2—最大真空度，一般取500Pa。
=1900Pa
拱顶设计压力P取设计外压与设计内压的最大值，所以设计外压
=1900Pa。
油罐罐顶的校核
大端展开半径
=28709×=
小端展开半径
=28709×=
大端弦长：
AB=
=
小端弦长
CD=
=
根据古典球壳临界载荷公式
（3-29）
式中
—临界载荷，kgf/cm
；
t—板厚，cm；
E—弹性模量，kgf/cm
；
R—球壳曲率半径，cm；
V—波桑系数，取。
=
试验值比上述理论小2~倍，而工程上拱顶为钢板拼焊，几何形状误差大，取许用压力
为Pcr的
（安全导数n=12），则光球壳许用外压力（外载荷）
[P]=[q]=（t/R）2
=Pa
按稳定性条件确定的球壳计算厚度为
t=R（10P0/E）=R（10q/E）
t=18936×（10×1977/×109）
=
取t=
将t=带入[P]=[q]=（t/R）2可算得
[q]=
=2097Pa
1077Pa
Pa
罐顶内载荷（设计内压）由（油气压力—重力），这一载荷使球壳产生薄膜应力破坏，并使包边角钢成为受压环。
内载荷ql=（3-30）
式中q5—呼气阀的开启压力，通常取q5=2000Pa；
q2—最大真空度，一般取500Pa。
=1900Pa
拱顶设计压力P取设计外压与设计内压的最大值，所以设计外压
=2418Pa。
[p]>q
所以球壳安全。
拱顶顶板尺寸为：
大端弦长,小端弦长1149mm，板厚14mm,顶板长。
参考文献
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石油工业出版社，1986.
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中国标准出版社1990.
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中国标准出版社，2001.
[5]SH3046-92石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范[S],北京:
中国标准出版社，1992.
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学苑出版社，1989.
[8]湛康焘.机械制图[M].上海：
上海交通大学出版社.1999.
[9]郭光臣.油库设计与管理[M].山东：
石油大学出版社.1990.
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