CN103057877B - 网壳拱顶储罐 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气储运领域，具体地，涉及一种网壳拱顶储罐。网壳拱顶储罐包括罐壁、拱顶、垫板、环板、肋板、防护栏；环板与罐壁顶端平齐、环绕罐壁一周并与罐壁焊接；在环板底部沿罐壁圆周方向均匀设有肋板，肋板与环板、罐壁焊接；在环板顶面对应肋板所在位置处设有垫板；拱顶由罐顶网壳结构和铺设在网壳结构上方的蒙皮组成，拱顶通过罐顶网壳结构支座支撑在垫板上，蒙皮与罐壁的顶端焊接；在环板上部外边缘处设置防护栏。在本发明中相比对比先前设计，可增加罐壁顶部上的承重面积，提高了环板与罐壁的结合强度和罐壁顶部的安全裕度，避免罐壁顶部产生大的应力集中现象；设计更人性化，增加了维修施工时的安全系数。

Description

网壳拱顶储罐

技术领域

本发明属于油气储运领域，具体地，涉及一种网壳拱顶储罐；通过一种新型罐壁顶部支撑结构增加网壳拱顶储罐罐壁顶部结构强度以及提高拱顶作业的安全系数。

背景技术

在国家能源的战略储备中，大型拱顶储罐的设计和建造是至关重要的环节。为节约钢材及其建造、维护成本，拱顶储罐的大型化已成为主要发展趋势，而随着储罐容积的增加，其直径也不断增大，这样使拱顶和罐壁顶部结构强度的设计难度越来越大。

目前储罐拱顶的设计方法多采用承载能力强、结构简单和稳定性好的网壳结构。现今国内较常采用的网壳结构为单层球面网壳，主要包括肋环形球面网壳、施威德勒型球面网壳、联方型球面网壳、凯威特型球面网壳以及短程线型球面网壳，其中结构合理、应用广泛的网壳结构为凯威特和联方型组合网壳结构。

目前罐壁顶部结构如图1a，图1b，图2a，图2b，图3所示：其抗风圈1(相当于本发明中的环板)建造在离罐壁6顶部下1米处，其宽度为90cm，厚度为10cm，为使抗风圈1内不产生积水，其表面分布有排水用的小孔；在抗风圈1外边缘建有防护栏3，且防护栏3高度低于拱顶5边缘处高度；拱顶的网壳结构支座4通过垫板7和槽钢8与罐壁顶部连接；在罐壁上焊接有加强圈9。由此，则拱顶5自重及其上面的外载荷直接由罐壁顶部承担，而罐壁顶部的壁厚不大于14毫米，故由拱顶5载荷引起罐壁顶部变形和应力集中现象十分严重。该结构设计形式主要存在的问题归纳如下：

(1)、目前网壳拱顶储罐的抗风圈1设计在离罐壁顶部1米处，网壳结构支座4直接通过垫板7和槽钢8与罐壁顶部连接。由于罐顶网壳结构为空间杆系结构，与网壳结构支座4连接的罐壁顶部受到网壳结构支座4的轴向力、弯矩和扭矩，导致罐壁顶部连接处的应力和变形过大，引起罐壁顶部结构产生不均匀变形和应力集中；另外罐壁顶部壁板比较薄，在网壳的压力作用下，罐壁顶部会发生大的变形，产生较大的二次附加应力，应力集中点处的最大应力达到了罐壁顶部材料(Q235)的屈服极限；

(2)、当储罐维护管理人员在储罐拱顶5进行作业、维修和保养时，由于拱顶边缘处没有防护栏，而储罐顶部抗风圈1的防护栏3低于拱顶边缘处高度，一旦在拱顶5上作业的维修人员不慎摔倒，则易从拱顶5直接跌落到地面，从而导致严重的人员伤亡事故。目前为改善在大型成品油罐的拱顶作业中存在的安全问题，在拱顶维护和检修时，都额外采取了安全保护措施，从而增加了维护、检修等作业成本。

上述实际情况表明：采用已有的网壳拱顶储罐设计和建造方法建筑的储罐存在储罐使用和维护上的安全隐患。

发明内容

针对现有设计的不足以及管理维护上存在的安全隐患，本发明提供一种更完善的大型网壳拱顶储罐。基于对拱顶罐力学性能的数值模拟分析及现场对储罐结构强度的测试结果，在不增加储罐建造成本的基础上，解决减小网壳拱顶储罐罐壁顶部结构变形和应力的问题，并改善罐壁顶部变形不均匀程度和应力集中现象，提高储罐结构强度的可靠性和拱顶作业的安全性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种网壳拱顶储罐，包括罐壁、拱顶、垫板、环板、肋板、防护栏；环板与罐壁顶端平齐、环绕罐壁一周并与罐壁焊接；在环板底部沿罐壁圆周方向均匀设置肋板，肋板与环板、罐壁焊接；在环板顶面对应肋板所在位置处设有垫板；拱顶由罐顶网壳结构和铺设在网壳结构上方的蒙皮组成，拱顶通过网壳结构支座支撑在垫板上，蒙皮与罐壁的顶端焊接；在环板上部外边缘处设置防护栏。

优选地，环板为一圆环状薄板，与罐壁垂直；环板宽度为90cm，厚度为8cm。

优选地，肋板为直角三角形薄板，肋板宽度为45cm，高度为70cm，厚度为10cm。

优选地，防护栏包括竖直钢管和弧形钢管，竖直钢管长度为100cm，直径为5cm，壁厚不小于5mm；弧形钢管直径为8cm，壁厚不小于8mm、沿环板外径围绕罐壁一周；竖直钢管下端与环板焊接，上端与弧形钢管焊接。

优选地，垫板为长方形薄板，垫板长度为45cm，宽度为40cm，厚度为2cm。

优选地，网壳结构支座为工字钢。

优选地，蒙皮为厚度为0.5cm的薄板，钢材为Q235-A，蒙皮与罐顶网壳结构焊接。

优选地，在罐壁上焊接有加强圈。

优选地，加强圈设置有多道。

优选地，拱顶、垫板、环板、肋板、防护栏、加强圈采用的钢材均为Q235-A。

本发明的有益效果是：在本发明中对比了先前设计和本发明提供的设计，结果表明，在受到风载和雪载等设计载荷作用下时，具有新型罐壁顶部支撑结构的储罐相比于常规结构的储罐，其罐壁顶部的综合变形量减小40％，最大应力减小45％。通过现场装配以及数值模拟分析测试结果可知，采用上述方法构造的新型罐壁顶部支撑结构，将环板建在罐壁顶部，并与罐壁顶部焊接，则可增加罐壁顶部上的承重面积，由此减小了拱顶自重和拱顶外载荷引起的罐壁顶部整体的应力和变形，而肋板将环板底部与罐壁焊接在一起，提高了环板与罐壁的结合强度，同时肋板的位置处于网壳结构支座的正下方，能承受部分网壳结构支座对罐壁顶部传递的轴向力、弯矩和扭矩，增加了承载面积，减小罐壁顶部的最大应力，避免罐壁顶部产生大的应力集中现象，罐壁顶部钢板的最大应力相比于现有的设计下降了45％，提高了罐壁顶部的安全裕度。而且新型罐壁顶部支撑结构设计更人性化。在环板上部边缘处建立防护栏，一旦拱顶的工作人员发生摔跤而在拱顶上滑落，本设计结构中的防护栏可以保护工作人员避免从储罐上直接摔落至地面，从而保证了罐顶维修人员进行检修作业时的人身安全。同时环板本身也兼有抗风圈的作用，确保储罐罐壁抗风稳定性，在不增加建罐成本的情况下，本发明优化了罐壁顶部结构，提高了储罐的安全裕度，增加了维修施工时的安全系数。

附图说明

图1a是现有网壳拱顶储罐的正视结构示意图；

图1b是现有网壳拱顶储罐的俯视结构示意图；

图2a是现有网壳拱顶储罐的局部剖面图；

图2b是图2a中M-M剖面示意图；

图3是现有网壳拱顶储罐的局部放大示意图；

图4a是本发明的网壳拱顶储罐的正视示意图；

图4b是本发明的网壳拱顶储罐的俯视示意图；

图5a是本发明的网壳拱顶储罐的局部剖面示意图；

图5b是图5a中N-N剖面示意图；

图6是本发明的网壳拱顶储罐的局部放大图；

图7是单块肋板的示意图；

图中：1、环板，2、肋板，3、防护栏，4、网壳结构支座，5、拱顶，6、罐壁，7、垫板，8、槽钢，9、加强圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图4a，图4b，图5a，图5b，图6，图7所示，网壳拱顶储罐包括罐壁6、拱顶5、垫板7、加强圈9、环板1、肋板2、防护栏3；环板1与罐壁顶端平齐、环绕罐壁6一周并与罐壁6焊接，为使环板1内不产生积水，环板表面分布有排水用的小孔；在环板1底部沿罐壁6圆周方向均匀设置肋板2，肋板2与环板1、罐壁6焊接，以增加环板2和罐壁6连接强度；在环板1顶面对应肋板2所在位置处设有垫板7，垫板与环板、罐壁顶端焊接；拱顶5由罐顶网壳结构和铺设在网壳结构上方的蒙皮组成，拱顶5通过罐顶网壳结构支座4支撑在垫板7上，蒙皮与罐壁6的顶端焊接；在环板1上部外边缘处设置防护栏3；在罐壁上焊接有加强圈9，其焊接位置和数量依据具体抗风抗压计算结果来定。

环板1为一圆环状薄板，与罐壁6垂直，其表面分布有排水用的小孔；环板宽度为90cm，厚度为8cm，其内外径由具体储罐罐体半径而定，钢材为Q235-A；储罐罐壁采用钢材，具体的钢材选用参考相应容积储罐的设计计算结果。

肋板2为直角三角形薄板，肋板2宽度为45cm，高度为70cm，厚度为10cm，钢材为Q235-A；肋板2位于环板1下端，其所在平面与环板1所在平面垂直，且过罐壁6外法线方向与罐壁6垂直，每块肋板2所在平面与相对应的网壳结构支座4在同一铅锤面上，肋板2数量与网壳结构支座4个数相同(60米直径的大型成品油储罐的肋板的个数为60，网壳结构支座个数为60)；肋板2的两个直角边分别与环板1以及罐壁6焊接,肋板2的直角边长度小于环板1的宽度(即肋板的短直角边与环板焊接)。环板1的外伸部分比肋板2的长45cm(环板宽90cm，肋板短直角边长45cm)。

防护栏3包括竖直钢管和弧形钢管，其钢材均为Q235-A。竖直钢管长度为100cm，直径为5cm，壁厚不小于5mm；弧形钢管直径为8cm，壁厚不小于8mm、沿环板外径围绕罐壁6一周；竖直钢管下端与环板1焊接，上端与弧形钢管焊接；竖直钢管的数量由储罐6具体直径确定，平均每隔50cm焊接一根竖直钢管,竖直钢管均匀分布并环绕罐壁6一圈；弧形钢管连续的焊接在竖直钢管顶部，并沿环板1外径围绕罐壁6一周。

垫板7为长方形薄板，垫板7长度为45cm，宽度为40cm，厚度为2cm，钢材为Q235-A；垫板7位于网壳支座4底部正下方，并与网壳支座4和环板1焊接在一起，并与罐壁顶端焊接，垫板7的长边与罐壁6的外法线方向一致，垫板7内侧短边平齐与罐壁6内侧，垫板7的个数与网壳支座4的个数一致。

网壳结构支座4为工字钢，具体截面参数根据储罐直径大小来定。

蒙皮为厚度为0.5cm的薄板，钢材为Q235-A，蒙皮焊接在罐顶网壳结构上；蒙皮的形状、大小与其所焊接的网壳网格的形状、大小一致。

针对本发明的结构强度测试和数值模拟计算：

利用有限元软件Ansys对该新型罐壁顶部支撑结构进行模型分析，并建立了整体的储罐结构模型，将环板1、肋板2完全按照真实的位置和固结方式与罐壁顶部连接。同时还按照现有的储罐设计标准建立了与之对比的储罐模型，并对两个模型施加相同的模拟风载和雪载。

当拱顶网壳承受外载荷(如风载、雪载)时，载荷通过拱顶5传递至网壳结构支座4，再由网壳结构支座4传递至罐壁顶部，此时罐壁顶部就承受来自拱顶5所传递的外载，产生较大的变形和应力，罐壁顶部与网壳结构支座4接触处为其局部应力和变形最大位置。此时，按照本发明设计的储罐模型，由于环板1和肋板2的存在，能承受大部分网壳结构支座4对罐壁顶部传递的轴向力、弯矩和扭矩，减小罐壁顶部的最大应力，避免罐壁顶部产生应力集中现象，也有效的保护了罐壁顶部的钢板，使得钢板发生塑性屈服的概率相比于现有设计的储罐模型结果下降了45％，由此使储罐的安全工作得到了更有力的保证。

同时，此新型设计更体现以人为本的安全思想。由于在环板1上部边缘处建有防护栏3，确保了罐顶维修人员在维修时的人身安全，而且环板1和肋板2也同时能作为抗风圈来使用，在尽量节约成本的前提下，不仅强化了罐壁顶部结构强度，保证了维修人员的安全，也在无形中提高了罐顶的维修质量，延长了罐顶维修时间。

Claims (10)

1.一种网壳拱顶储罐，包括罐壁、拱顶、垫板、环板、肋板、防护栏；其特征在于：环板与罐壁顶端平齐、环绕罐壁一周并与罐壁焊接；在环板底部沿罐壁圆周方向均匀设置有肋板，肋板与环板、罐壁焊接；在环板顶面对应肋板所在位置处设有垫板；拱顶由罐顶网壳结构和铺设在网壳结构上方的蒙皮组成，拱顶通过罐顶网壳结构支座支撑在垫板上，蒙皮与罐壁的顶端焊接；在环板上部外边缘处设置防护栏；肋板的位置处于网壳结构支座的正下方。

2.根据权利要求1所述的网壳拱顶储罐，其特征在于：环板为一圆环状薄板，与罐壁垂直；环板宽度为90cm，厚度为8cm。

3.根据权利要求2所述的网壳拱顶储罐，其特征在于：肋板为直角三角形薄板，肋板宽度为45cm，高度为70cm，厚度为10cm。

4.根据权利要求3所述的网壳拱顶储罐，其特征在于：防护栏包括竖直钢管和弧形钢管，竖直钢管长度为100cm，直径为5cm，壁厚不小于5mm；弧形钢管直径为8cm，壁厚不小于8mm、沿环板外径围绕罐壁一周；竖直钢管下端与环板焊接，上端与弧形钢管焊接。

5.根据权利要求4所述的网壳拱顶储罐，其特征在于：垫板为长方形薄板，垫板长度为45cm，宽度为40cm，厚度为2cm。

6.根据权利要求5所述的网壳拱顶储罐，其特征在于：网壳结构支座为工字钢。

7.根据权利要求6所述的网壳拱顶储罐，其特征在于：蒙皮为厚度为0.5cm的薄板，钢材为Q235-A，蒙皮与罐顶网壳结构焊接。

8.根据权利要求7所述的网壳拱顶储罐，其特征在于：在罐壁上焊接有加强圈。

9.根据权利要求8所述的网壳拱顶储罐，其特征在于：加强圈设置有多道。

10.根据权利要求8所述的网壳拱顶储罐，其特征在于：拱顶、垫板、环板、肋板、防护栏、加强圈采用的钢材均为Q235-A。