沈阳理工大学课程设计论文
课程设计任务书
设计题目 技术参数：直径 27900mm 长度 1046mm 材质 16MnR 壁厚 12.3mm,13.8mm,15.3mm,16.8mm，18.3mm,19.8mm 设计任务： 1.写出该结构的几种设计方案 2.强度计算及尺寸选择 3.绘制结构设计图 4.撰写主要工艺过程 5.撰写设计说明书 6400m3立式储油罐结构设计 工作计划与进度安排： 1．查阅资料 2天 2．设计计算并撰写设计说明书 5天 3．上机绘图 4天 4．答辩 1天 指导教师（签字）： 年 月 日 专业负责人（签字）： 年 月 日 学院院长（签字）： 年 月 日 I
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目 录
1 储罐及其发展概况 ........................................................................................... 1 2 设计方案 ........................................................................................................... 2 2.1 选择设计方法 ............................................................................................. 2 2.2 尺寸选择 ..................................................................................................... 3 2.3 材料选择 ..................................................................................................... 3 3 罐壁设计 ........................................................................................................... 4 3.1 罐壁的强度计算 ......................................................................................... 4 3.2 储罐的风力稳定计算 ................................................................................. 6 3.3 罐壁结构 ..................................................................................................... 8 4 罐底设计 ............................................................................................................. 9 4.1 罐底的应力计算 ......................................................................................... 9 5 罐顶设计 ........................................................................................................... 12 5.1 拱顶结构及主要的几何尺寸 ................................................................... 12 5.2 扇形顶板尺寸 ........................................................................................... 13 5.3 包边角钢 ................................................................................................... 13 6 贮罐附件及其选用 ......................................................................................... 14 6.1 人孔 ........................................................................................................... 14 6.2 通气孔 ....................................................................................................... 16 6.3 贮罐进出液口 ........................................................................................... 18 6.4 法兰和垫片 ............................................................................................... 18 6.5 液面计 ....................................................................................................... 20
6.6 盘梯...........................................................................................................21
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7 焊接结构设计 ................................................................. 错误！未定义书签。 7.1 焊缝的布置 ............................................................... 错误！未定义书签。 7.2 焊接方法 ................................................................... 错误！未定义书签。 7.3 焊缝顺序 ................................................................................................... 24 7.4 焊缝标注 ................................................................................................... 24 参 考 文 献 ......................................................................................................... 25
III
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1 储罐及其发展概况
油品和各种液体化学品的储存设备—储罐是石油化工装置和储运系统设施的重要组成部分。由于大型储罐的容积大、使用寿命长。热设计规范制造的费用低，还节约材料。
20世纪70年代以来，内浮顶储油罐和大型浮顶油罐发展较快。第一个发展油罐内部覆盖层的施法国。1955年美国也开始建造此种类型的储罐。1962年美国德士古公司就开始使用带盖浮顶罐，并在纽瓦克建有世界上最大直径为187ft（61.6mm）的带盖浮顶罐。至1972年美国已建造了600多个内浮顶罐。
1978年国内3000m3铝浮盘投入使用，通过测试蒸发损耗标定，收到显著效果。近20年也相继出现各种形式和结构的内浮盘或覆盖物[1]。
世界技术先进的国家，都备有较齐全的储罐计算机专用程序，对储罐作静态分析和动态分析，同时对储罐的重要理论问题，如大型储罐T形焊缝部位的疲劳分析，大型储罐基础的静态和动态特性分析，抗震分析等，以试验分析为基础深入研究，通过试验取得大量数据，验证了理论的准确性，从而使研究具有使用价值。
近几十年来，发展了各种形式的储罐，尤其是在石油化工生产中大量采用大型的薄壁压力容器。它易于制造，又便于在内部装设工艺附件，并便于工作介质在内部相互作用等。
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2 设计方案
2.1 选择设计方法
2.1.1 正装法
此种方法的特点是指把钢板从罐底部一直到顶部逐块安装起来，它在浮顶罐的施工安装中用得较多，即所谓充水正装法，它的安装顺序是在罐低及二层圈板安装后，开始在罐内安装浮顶，临时的支撑腿，为了加强排水，罐顶中心要比周边浮筒低，浮顶安装完以后，装上水除去支撑腿，浮顶即作为安装操作平台，每安装一层后，将上升到上一层工作面，继续进行安装。 2.1.2 倒装法
先从罐顶开始从上往下安装，将罐顶和上层罐圈在地面上安装，焊好以后将第二圈板围在第一罐圈的外围，以第一罐圈为胎具，对中点焊成圆圈后，将第一罐圈及罐顶盖部分整体吊至第一、二罐圈相搭接的位置，停于点焊，然后在焊死环焊缝。用同样的方法把下面的部分依次点焊环焊，直到罐底板的角接焊死即成。 2.1.3 卷装法
将罐体先预制成整幅钢板，然后用胎具将其卷筒，在运至储罐基础上，将其卷筒竖起来，展成罐体装上顶盖封闭安装而建成。
见几种：护坡式基础、环墙式基础、外环墙式基础、特殊构造的基础。 根据比较选用，护坡式基础[2]。
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2.2 尺寸的选择
3D, 8根据经济尺寸计算，H?V??D24H,V?6400m3，H?1046mm，D?27900mm H?0.37，符合要求 D体形系数为
2.3 材料的选择
根据GB50341-2003_立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范.来选取
（1） 罐壁：钢板16MnR，尺寸为1900×6000mm,GB6654，在热轧正火下使用，
公称板厚为6～16mm,许用应力为163MPa，?b?490MPa，?s?325MPa， （2） 钢管：16MnR,GB/T8163, 在热轧下使用,公称板厚为?16mm，温度>-200C时的许用板厚为34mm,许用应力为163MPa，?b?490MPa，?s?320MPa （3） 锻件：16Mn，JB4726，在正火或回火加正火下使用，公称板厚为?300mm，
温度<200C时,许用应力为150MPa，?b?450MPa，?s?275MPa （4） 螺母：20或25钢，GB/T699
（5） 螺栓： 35GrMoA，GB3077，温度 <200C，许用应力为167MPa，在热调
质状态下使用，M24-M48，?b?660MPa，?s?500MPa （6） 接管：10号钢，许用应力为108MPa 垫片：石棉橡胶板 JB/T 4704-2000
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3 罐壁设计
3.1 罐壁的强度计算
3.1.1 罐壁厚的计算
由于所给体积大于1000m3，所以按照不等壁厚计算，选择钢板宽度为1.9m。所以H1=1.9m，
H2=3.8m，H3=5.7m，H4=7.6m，H5=9.5，H6=11.4.
?1??2?0.001[p0??g(H1?0.300)]D?C1?C2 （3.1）
t2[?]?0.001[p0??g(H2?0.300)]D?C1?C2 （3.2） t2[?]??3??4??5?0.001[p0??g(H3?0.300)]D?C1?C2 （3.3）
t2[?]?0.001[p0??g(H4?0.300)]D?C1?C2 （3.4）
t2[?]?0.001[p0??g(H5?0.300)]D?C1?C2 （3.5）
t2[?]??6?0.001[p0??g(H6?0.300)]D?C1?C2 （3.6）
t2[?]?式中：P—设计压力：0.102（Mpa）；
Pi—罐的内径：27900（mm）；
[?]t—设计温度下材料的许用应力163（Mpa）；
?—焊缝系数：查表得0.9；
C1—钢板的负偏差0.3（mm）； C2—腐蚀裕度C2?1.0；
0.001[102000?850?9.8(1.9?0.300)]27.9?1??1?0.3?12.3mm2?163?0.9
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?2?0.001[102000?850?9.8(3.8?0.300)]27.9?1?0.3?13.8mm
2?163?0.9
?3?0.001[102000?850?9.8(5.7?0.300)]27.9?1?0.3?15.3mm
2?163?0.9
?4?0.001[102000?850?9.8(7.6?0.300)]27.9?1?0.3?16.8mm
2?163?0.9?5?0.001[102000?850?9.8(9.5?0.300)]27.9?1?0.3?18.3mm
2?163?0.9
?6?0.001[102000?850?9.8(11.4?0.300)]27.9?1?0.3?19.8mm
2?163?0.9所以罐壁厚度从上到下一次为12.3mm，13.8mm,15.3mm,16.8mm，18.3mm,19.8mm。 3.1.2 罐壁的应力校核
?t?p?Di?(??c)?????t （3.4） 2(??c)?
式中：[?]t—设计温度下材料的许用应力170/163（Mpa）；
0.102??27900?(12.3?1.3)??1??143.78MPa?170MPa2?(12.3?1.3)?0.9t
?2t0.102??27900?(13.8?1.3)???126.54MPa?170MPa
2?(13.8?1.3)?0.90.102??27900?(15.3?1.3)??112.98MPa?170MPa
2?(15.3?1.3)?0.90.102??27900?(16.8?1.3)??102.05MPa?163MPa
2?(16.8?1.3)?0.90.102??27900?(18.3?1.3)??93.05MPa?163MPa
2?(18.3?1.3)?0.9?t ?217MPa
?3t??4t??5t? 5
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?6t?0.102??27900?(19.8?1.3)??85.52MPa?163MPa
2?(19.8?1.3)?0.9故满足材料要求 按照试验应力公式校核
?T?PT[Di?(??c)]?0.9?s （3.5）
2(??c)? 式中：?s—为材料的屈服极限?s?325MPa,PT?0.102MPa0.9?s?0.9?325MPa?292.5MPa
0.102?[27900?(12.3?1.3)?T??143.78MPa
2?(12.3?1.3)?0.9 ?t ?217MPa
??T?143.78MPa?0.9?s?292.5MPa
有以上公式可知，当最小厚度满足要求时，其余的厚度也满足要求。
3.2 储罐的风力稳定计算
3.2.1抗风圈
浮顶储罐没有固定顶盖，为使储罐在风载作用下保持上口圆度，以维持储罐整体形状，故需在储罐上部整个圆周上设置一个抗风圈。而固定顶有固定顶盖则用设计抗风圈。 3.2.2加强圈计算
在风载荷作用下，罐壁筒体应进行稳定性校核，防止储罐被风吹瘪。判定储罐的侧压稳定条件为
Pcr?P0 （3.6）
式中Pcr—罐壁许用临界应力（Pa）； P0—设计外压（Pa）； 罐壁许用临界应力的计算
由SH3046—92推荐的方法，得在外压作用下的临界压力公式
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2.59E?2.5Pcr? （3.7）
1.5DL式中Pcr—临界压力（Pa）；
E—圆筒材料的弹性模量：192×109（Pa）； ?—圆筒壁厚（m）； D—圆筒直径（m）； L—圆角长度（m）；
2.59?192?109?(12.3?10?3)2.5Pcr?27.91.5?9.0?6290.9Pa 罐壁设计外压计算 罐壁设计外压用下式表示，即
P0?2.25?S?Zw0?q （3.8）
式中P0—罐壁设计外压（Pa）； ?s —风载荷体形系数； ?z —风压高度变化系数； w0—基本风压（Pa）； q—罐内负压（Pa）； 对固定顶储罐，?s=1则式为
P0?2.25?Zw0?q ?z=1时；
P0?2.25?1.0?1.0?0.55?500?501.23Pa?PCr
由于Pcr> P0，所以在罐壁上不需要设置加强圈。故满足要求。 3.3.3 液面晃动波高计算 罐内液面晃动波高
hV??1?2?R； ?2?1.85?0.08TW；
式中?1—非浮顶影响系数，取1.0；
?2—阻尼修正系数，当TW大于10s时，取?2=1.05；
?—地震影响系数，取0.23；
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（3.9）
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TW?2?3.68HWD27.9?3.68?11?cth()?2?3.14cth???5.84s?10s 3.68gD3.68?9.8?27.9?hV?1?1.3828?0.23?13.95?4.43m
故取?2=1.85-0.08TW=1.85-0.08×5.84=1.3828；
3.3 罐壁结构
3.3.1 截面与连接形式
罐壁的纵截面由若干个壁板组成，其形状为从下至上逐级减薄的阶梯形，一般上壁板的厚度不超过下壁板的厚度，各壁板的厚度由计算可得，按标准规范，16MnR的最小厚度为6mm，为由于该罐壁是不等壁厚度的且较厚，因此各板之间采用对接，这样可以减轻自重。
罐壁的下部通过内外角焊缝与罐底的边缘板相连，上部有一圈包边角钢，这样既可以增加焊缝的强度，还可以增加罐壁的刚性。
在液压作用下，罐壁中的纵向应力是占控制地位的。即罐壁的流度实际上是罐壁的纵焊缝所决定的。因而壁板的纵向焊接接头应采用全焊透的对接型。
为减少焊接影响和变形，相邻两壁板的纵向焊接接头宜向同一方向逐圈错开1/3板长，焊缝最小间距不小于1000mm。底圈壁板的纵向焊接接头与罐底边缘板对接焊缝接头之间的距离不得小于300mm。罐壁的环向焊接接头形式较多，主要为对接。
底层壁板与罐底边缘板之间的连接应采用两侧连续角焊。在地震设防烈度不大于7度的地区建罐，底层壁板与边缘壁板之间的连接应采用如图的焊接形式，且角焊接头应圆滑过渡，而在地震小于7度的地区可取K2=K1[3] 。
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图3.4底层壁板与边缘板的焊接
3.3.2 壁板宽度
壁板宽度越小，材料就越省。但环向接头数就越多，增加安装工作量。我国一般取壁板宽度不小于1600mm。根据GB709-2006选择B类，板宽1900mm，长度6000mm。
4 罐底设计
4.1 罐底的应力计算
中幅板的薄膜力
2M0?1??L0N? （4.1）
?1(1??)2?1Rt0罐壁与边缘板之间的约束弯矩
22?1L011?133?()?l?(?1)4?(1??)240t4?12??11Rt0M0? （4.2）
1117l?13??()?12???1(1??)40t1Rt0式中t—边缘板厚8（mm）；
?1—罐壁第一圈壁板特征系数，?1?4 ?—泊松比，0.3；
R—储罐半径，13.95m；
3(1??2)R2?122；
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?1—储罐第一圈厚度，19.8mm； t0—中幅板的平均厚度，6mm；
L0—底板上的液压高度，11.00m；
P—作用在罐底上的储液压力，P=?gL0 ； ?—储液密度，850Kg/m3 ；
L—边缘板受弯宽度，50.00m；
Et3D—边缘板弯曲刚度D?；
12(1??2)23(1??)β—罐壁边缘板特征系数，??4； 22Rt192?109?8?10?9?P?850?9.8?11.0?91630Pa ；D??140.66；
12(1?0.32)223(1?0.3)3(1?0.3)4 ；??4?3.85???2.45； 113.952?8213.952?19.822?2.452?11?1]-3(19.8?10?0.7)2?2.45?13.95?0.006M0?1117?5019.83 ??()2.4540819.8?10-32?2.45?13.95?0.006?2.395?107N/m1119.830.3()?91630?503?[424084?2.452?2.395?107?2.452?0.3?11N??3.54?108N ?319.8?10?0.72?2.45?13.95?6?10?3122?2.395?1075P2??(91630?)?1.74?10Pa 2550
边缘板上表面的径向应力分布为 ?x?N6?x?2 （4.3）边缘板上ttN6?Mx? （4.4） 2tt表面的环向应力分布为 ?y? 10
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式中?x-边缘板受弯区域内任一点的弯矩 如图4.3所示的力的平衡关系
图4.3 力的平衡关系图
再分别求出0?x?ll及?x?l的弯矩Mx 223M0l2px2(pl?)x?M0? (0?x?)
25l2MMl8pM031171p(?2)x?(p?1220)x2?plx?(?420)l2 (?x?l)
25l2l5252ll当x=0时 Mx?Mo?2.395?107N/m 当x=
l时 2?91630?50?7??25?2.395?10?????7600625N/m?2?2??22?3?2.395?107Mx???91630?50??5?502
当x?l时 Mx?0
所以当x=0时，Mx有最大值且Mx?2.395?107N/m
3.54?1086?2.395?107??42MPa?2?s?650MPa 所以?x?8823.54?1086?0.3?2.395?107??43.58MPa?2?s?650MPa ?y?288
故均为安全
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5 罐顶设计
5.1拱顶结构及主要的几何尺寸
拱顶罐是目前立式圆柱形储罐中使用最广泛的一种罐顶形式，拱形的主体是球体，它本身是重要的结构，储罐没有衍架和立柱，结构简单，刚性好，承压能力强。
球面由中小盖板瓜皮板组成，瓜皮板一般做成偶数，对称安排，板与板之间相互搭接，搭接宽度不小于5倍板厚，且不小于25mm实际搭接宽度多采用40mm罐顶的外侧采用连接焊，内侧间断焊，中心盖板搭在瓜皮板上，搭接宽度一般取50mm，顶板的厚度为4～6mm。用包边角钢连接的拱顶只有一个曲率，所以又称球顶。这种结构形式在拱顶与罐壁的连接处，（即拱脚）边缘应力较大，为防止油罐破坏装油高度不宜超过拱脚，即拱顶部分不能装油，但球顶罐制作方便，因而得到较广泛的应用。 （1） 拱顶的球面半径一般取Rn=0.8～1.2D
式中D-储罐直径，27.9m； 取Rn=1.0D=27900mm
按表5-2，顶板厚度为6mm，带肋 （2） ?0 、?、D2 、a、b、根据图可知，有 sin?0 =
D1? ?0 =30° 2Rn2 sin?=
D2 2Rn 式中D2 -中小孔直径，查表得D2 =2000-2×50=1900mm sin?0 =
1900?0.03 ?0 =2.07° a-取25mm b-取30 mm
2?27900 12