CN105600205A - 钢制焊接立式大型油罐 - Google Patents
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Abstract
一种钢制焊接立式大型油罐，具有罐底、罐壁和罐顶，所述罐底与罐壁之间具有过渡连接圈，所述过渡连接圈具有底部环形段、弧形过渡段和立式圆筒段，所述罐底与过渡连接圈的底部环形段焊接连接，所述罐壁与过渡连接圈的立式圆筒段焊接连接，所述罐顶可以是固定顶，也可以是外浮顶。本发明的优点是：取消了现有的大型油罐罐壁与罐底的T形接头以及该接头部位的大角焊缝，排除了整个油罐的主要危险点，使大型油罐的安全运行有了保障：一是罐壁与罐底过渡部位不容易发生低周疲劳破坏，二是罐壁与罐底的过渡部位的连接焊缝不容易发生撕裂破坏，三是大大提高了大型油罐的抗震性能,且大型油罐的抗震性能较好。
Description
技术领域
本发明属于化工设备领域，具体涉及一种钢制焊接立式大型油罐。
背景技术
油罐是石油行业的主要设备，用于储存原油及成品石油。
随着国民经济对石油需求量的不断增加，以及国家石油储备体系的建立，原油的储存量不断增加，建造的油罐容量也不断扩大。现在我国储备原油的油罐单台容量已经达到15×104m3，国外最大的单台容量已达20×104m3，因此，单台容量20×104m3的大型油罐将成为我国今后原油储罐建设的重点（见《油气储运》杂志2013年第2期刊登的刘发安等撰写的论文《20×104m3特大型浮顶原油储罐应力分析与安全评定》介绍）。
到目前为止，国内外的油罐均为钢制焊接立式圆筒形结构，油罐由罐底、罐壁、罐顶组成，其中罐顶有固定顶及外浮顶两种。罐底由中幅板与环形边缘板组成，罐壁底部与环形边缘板之间的T形接头采用角焊缝连接，该角焊缝又称大角焊缝（见GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》标准后面的“条文说明”中关于第5.2.10条的解释）。油罐的罐体上，还有盘梯、加强圈、抗风圈、人孔、排水系统、进出料接管等附件。
油罐内充满油品后，罐壁在油品液柱静压力的作用下产生周向拉应力，罐壁发生径向位移。但是在罐壁底部与罐底的T形接头处，由于罐底的约束，罐壁的径向位移受到限制，根据弹性力学理论，在罐壁底部将产生局部性的弯矩和横向剪力［具体见徐芝纶《弹性力学》（下册）（第4版）高等教育出版社2006年12月出版第190页顶部介绍］。由内压薄壁容器的应力分析可知，在罐壁与罐底的T形接头处，由于罐壁与罐底各自的自由变形相互约束（变形不协调）而产生附加弯矩引起的附加应力，即边缘应力，边缘应力属于二次应力，其中既有二次薄膜应力，又有二次弯曲应力［具体见刁玉玮等著作《化工设备机械基础》（第6版）大连理工大学出版社2006年12月出版第82~85页介绍］。
因为罐壁与罐底的T形接头处在形状上由圆筒形罐壁突变到平面形罐底，属于几何不连续结构。T型接头处的总应力是由油品的液柱静压力引起的一次薄膜应力与附加弯曲二次应力的总和，所以，在T形接头处由于边缘效应引起应力集中，边缘部位最大轴向应力与周向薄膜应力的比值K称为应力集中系数，在不考虑罐底变形的情况下，T形接头处罐壁的应力集中系数K=2.05（具体见余国琮著作《化工容器及设备》天津大学出版社2003年出版第116~119页介绍）。
另外，由于T形接头的大角焊缝焊接后，焊缝内部还存在着很大的焊接残余应力［具体见中国机械工程学会焊接学会编写的《焊接手册》第3卷“焊接结构”（第3版）机械工业出版社2008年1月出版第107~108页介绍，以及《材料工程》杂志2003年第6期刊登的陈晓冬撰写的论文《压力容器中焊接残余应力的消除对策》前言部分介绍］。
所以在罐壁与罐底的T形接头处由附加弯矩引起的边缘应力，加上焊接残余应力，在焊缝部位将出现很大的峰值应力。
虽然由变形不协调而产生的附加弯矩引起的边缘应力具有自限性，根据强度设计准则，具有自限性的应力使容器直接发生破坏的危险性一般较小，但是边缘应力的自限性是由于不连续部位的局部范围材料发生屈服产生塑性变形而引起的结果，对于受疲劳载荷作用的容器，如不控制边缘应力，在边缘高应力区有可能导致脆性破坏或疲劳（具体见前面所引的余国琮著作《化工容器及设备》第122~123页介绍）。
根据油罐设计规范，对T形接头处罐壁内外两侧的角焊缝尺寸有一定要求，大角焊缝不需要采用全焊透结构，内外角焊缝之间存在一定尺寸的不焊接区域，所以整个大角焊缝属于未焊透结构（见GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》第5.2.10条及标准后面的“条文说明”中关于第5.2.10条的解释）。另外，大角焊缝在焊接过程中，焊缝内不可避免地存在着一些允许的焊接缺陷。由于大角焊缝内存在未焊透，在未焊透处存在应力不连续，应力强度出现多次峰值（见《化工设计》杂志2014年第2期刊登的张雪铭撰写的论文《超大型原油储罐大角焊缝处应力分析及结构优化》介绍）。所以油罐在进出油的操作过程中，随着油罐内液位高度的变化，罐壁与罐底的T形接头部位的应力也随之变化，大角焊缝内的应力峰值也不断变化。未焊透及焊接缺陷处的焊缝随着应力峰值的不断变化容易产生裂纹并扩展造成低周循环疲劳破坏，使得该部位成为整个油罐的危险点，国内外很多油罐事故都发生在这一部位（见《石油化工设备》杂志2003第3期刊登的吴云龙等撰写的论文《12.5×104m3外浮顶原油储罐主要结构设计》介绍）。
针对罐壁与罐底的T形接头部位存在的危险性，各国的油罐设计规范（如我国的GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》、美国的API650-2013《焊接石油储罐》、日本的JISB8501-2013《焊接的钢制石油储罐》）对该部位大角焊缝的结构及尺寸均提出了明确的要求，因为该角焊缝的焊脚尺寸过小则焊缝强度不够，尺寸过大则造成接头的刚性过大，接头处所受的应力也会增大（见前面所引的《石油化工设备》杂志2003年第3期刊登的吴云龙等撰写的论文《12.5×104m3外浮顶原油储罐主要结构设计》介绍）。
当油罐的直径不大时，罐壁的钢板厚度不太厚，罐壁与罐底的T形接头部位的应力集中程度并不严重，所以不会对油罐的安全性带来大的影响。
但对于大型油罐也即容量在10000m3以上的油罐（见徐英等编《化工设备设计全书·球罐和大型储罐》化学工业出版社2005年1月第1版第123页左栏上部关于“大型储罐”的描述），罐壁的钢板厚度比较厚，T形接头的大角焊缝焊接时，焊缝内容易产生缺陷，而且随着钢板厚度的加大，角焊缝的焊脚尺寸也要相应加大，焊缝内的焊接残余应力也随之增大，T形接头部位的应力集中现象将越来越明显，该部位潜在的危险性也越来越大。
例如，单台容量为15×104m3的大型油罐，罐壁直径达到Φ100m。为了降低罐壁的钢板厚度，目前大型油罐的罐壁材料普遍采用抗拉强度级别为610MPa（屈服强度为490MPa）的高强度钢板（见《石油化工设备技术》2004年第3期刊登的武铜柱撰写的论文《大型立式油罐发展综述》第3.1节介绍），钢板的常温许用应力超过300MPa（具体见GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》第4.2.2条中表4.2.2“钢板许用应力值”）。对于大型油罐，在正常操作情况下，T形接头处的峰值应力就超过了材料的屈服强度，有的甚至达到或超过了材料的抗拉强度值（见《油气储运》杂志2013年第2期刊登的刘发安等撰写的论文《20×104m3特大型浮顶原油储罐应力分析与安全评定》、《石油化工设备技术》杂志2010年第1期刊登的白生虎等撰写的论文《15×104m3国产钢板浮顶油罐应力测试分析》、《压力容器》杂志2005年第5期刊登的陈志平等撰写的论文《大型油罐大角焊缝处峰值应力分析》、《化工装备技术》杂志2015年第6期刊登的黄卫东撰写的论文《钢制立式储罐常见失效模式及检测技术》、以及前面所引的《化工设计》杂志2014年第2期刊登的张雪铭撰写的论文《超大型原油储罐大角焊缝处应力分析及结构优化》介绍）。
另外，现有的大型油罐采用的平板型罐底，罐壁与罐底之间采用T型接头连接，这样罐壁下部处于几何不连续状态，因而其应力也处于不连续状态，这对抗地震载荷来说是很不利的。所以，每次发生较大级别的地震以后，震区均有不少大型油罐遭受破坏性震害。由此可见，现有的大型油罐在地震中产生的震害之大是有其自身原因的，而决非偶然现象（见《国际地震动态》杂志1995年第3期刊登的韦树莲撰写的论文《必须重视大型石油储罐的抗震问题》介绍，震害资料见《世界地震工程》杂志2009年第1期刊登的孙建刚等撰写的论文《基于概率估计方法的立式储罐地震易损性研究》介绍）。
充满油品的大型油罐一旦发生破坏，大量的油品瞬间冲到油罐外，防火堤有被冲垮的危险，甚至引发大范围的火灾爆炸事故，并且造成难于弥补的灾难性环境破坏（见《当代化工》杂志2015年第3期刊登的刘强等撰写的论文《大型油罐破裂泄漏特征研究》介绍）。
由上所述可知，现有的立式圆筒形钢制焊接大型油罐存在的不足是，由于大型油罐罐壁与罐底的T形接头部位存在着很大的附加弯矩引起的边缘应力，并且大角焊缝区域存在着很大的峰值应力，因而使得T形接头部位成为整个油罐的危险点，给大型油罐的安全运行带来很大的危害：一、大型油罐在进出油的操作过程中，随着油罐内液位高度的变化，T形接头部位的应力也随之变化，因而该部位很容易发生低周疲劳破坏（见《武汉工程大学学报》2014年第2期刊登的魏化中等撰写的论文《大型储罐大角焊缝裂纹的可靠性分析》、前面所引的《压力容器》杂志2005年第5期刊登的陈志平等撰写的论文《大型油罐大角焊缝处峰值应力分析》及《石油化工设备》杂志2003年第3期刊登的吴云龙等撰写的论文《12.5×104m3外浮顶原油储罐主要结构设计》介绍）；二、当基础发生不均匀沉降，或者遇到地震使油罐罐底作提离运动时（见《四川建筑科学研究》杂志2015年第1期刊登的张如林等撰写的论文《大型储罐抗震研究现状与发展综述》、前面所引的《国际地震动态》杂志1995年第3期刊登的韦树莲撰写的论文《必须重视大型石油储罐的抗震问题》介绍，在GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》D.5“抗震验算”中，用术语“翘离”代替了“提离”），大型油罐T形接头的大角焊缝在局部范围受到垂直方向上拉力的作用，容易产生裂纹并扩展而发生撕裂破坏（见前面所引的《世界地震工程》杂志2009年第1期刊登的孙建刚等撰写的论文《基于概率估计方法的立式储罐地震易损性研究》、《当代化工》杂志2015年第3期刊登的刘强等撰写的论文《大型油罐破裂泄漏特征研究》以及《石油化工设备》杂志2003年第3期刊登的吴云龙等撰写的论文《12.5×104m3外浮顶原油储罐主要结构设计》介绍）；三、大型油罐遇到地震带来的动载荷冲击时，使罐壁下部产生象足屈曲（见《油气储运》杂志2008年第12期刊登的陈志平等撰写的论文《大型油罐应力分析与屈曲稳定性研究》、前面所引的《四川建筑科学研究》杂志2015年第1期刊登的张如林等撰写的论文《大型储罐抗震研究现状与发展综述》介绍），大型油罐T形接头部位将产生很大的附加弯矩，由该附加弯矩引起的边缘应力与原有的应力叠加，将大大超过该部位能够承受的最大应力，而使该部位容易发生冲击破坏,因而大型油罐抗震性能较差（见前面所引的《国际地震动态》杂志1995年第3期刊登的韦树莲撰写的论文《必须重视大型石油储罐的抗震问题》介绍，以及《油气储运》杂志2004年第12期刊登的潘家华撰写的论文《中国的能源问题和国家石油储备》最后一部分“历史上发生的油罐事故主要有以下几类”介绍、《自然灾害学报》杂志2013年第6期刊登的钟江荣等撰写的论文《故障树分析方法评估储油罐地震次生火灾》介绍）。
发明内容
本发明的目的是提供一种罐壁与罐底的过渡部位不容易发生低周疲劳破坏、且罐壁与罐底的过渡部位的连接焊缝不容易发生撕裂破坏,以及抗震性能较好的钢制焊接立式大型油罐,以克服现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种钢制焊接立式大型油罐，具有罐底、罐壁和罐顶，其创新在于：所述罐底与罐壁之间具有过渡连接圈，所述过渡连接圈具有底部环形段、弧形过渡段和立式圆筒段，所述罐底与过渡连接圈的底部环形段焊接连接，所述罐壁与过渡连接圈的立式圆筒段焊接连接。
在上述技术方案中，所述罐底具有中幅板与环形边缘板，所述中幅板与环形边缘板搭接焊接，所述罐底的环形边缘板与过渡连接圈的底部环形段对接焊接且对接焊缝下面设有垫板。
在上述技术方案中，所述罐底具有中幅板与环形边缘板，所述中幅板与环形边缘板对接焊接且对接焊缝下面设有垫板，所述罐底的环形边缘板与过渡连接圈的底部环形段对接焊接且对接焊缝下面设有垫板。
在上述技术方案中，所述罐顶为固定顶。
在上述技术方案中，所述罐顶为外浮顶。
本发明所具有的积极效果是：在钢制焊接立式大型油罐的罐壁与罐底之间增加了过渡连接圈以后，使原来的圆筒形罐壁通过T形接头突变到平面形罐底的几何不连续结构，改为圆筒形罐壁通过弧形过渡段逐渐过渡到平面形罐底的曲线圆滑过渡结构，这种结构取消了大型油罐罐壁与罐底的T形接头以及该接头部位的大角焊缝，可以明显降低大型油罐罐壁与罐底过渡部位的附加弯矩引起的边缘应力，并且消除了原来由于大角焊缝而存在的很大的焊接残余应力，而且现在过渡连接圈与罐壁及罐底边缘板之间均采用对接接头连接，因为对接接头的焊缝在焊接中受热均匀、受力对称，焊缝质量较易保证（见丁伯民等编《化工设备设计全书·化工容器》化学工业出版社2003年1月第1版第308页左栏介绍），所以可以使大型油罐罐壁与罐底过渡部位的受力情况从根本上得到改善，排除了整个油罐的主要危险点，使大型油罐的安全运行有了保障：一、提高了大型油罐罐壁与罐底的过渡部位的抗疲劳能力，不容易发生低周疲劳破坏；二、当基础发生不均匀沉降，或遇到地震使油罐罐底作提离运动时，过渡部位可以通过局部弹性变形以适应基础的沉降或者罐体的运动，而且过渡连接圈与罐底边缘板及罐壁之间的对接焊缝受力情况好、承载能力大，所以大型油罐罐壁与罐底的过渡部位的连接焊缝不容易发生撕裂破坏；三、大型油罐遇到地震带来的动载荷冲击时，因为过渡连接圈的弧形过渡段是弹性结构，在冲击载荷的作用下将产生弹性变形，可以降低过渡部位的附加弯矩，减轻罐壁下部象足屈曲的程度，防止该部位发生冲击破坏，从而大大提高了大型油罐的抗震性能,且大型油罐的抗震性能较好。
附图说明
图1是本发明的一种钢制焊接立式大型油罐的罐顶为固定顶的轴向剖视示意图，图中的罐底采用中幅板与环形边缘板搭接焊接的结构；
图2是图1中的I部放大示意图；
图3是图1中的过渡连接圈的立体剖视示意图；
图4是本发明的一种钢制焊接立式大型油罐的罐顶为固定顶的轴向剖视示意图，图中的罐底采用中幅板与环形边缘板对接焊接且对接焊缝下面设有垫板的结构；
图5是图4中的II部放大图；
图6是本发明的一种钢制焊接立式大型油罐的罐顶为外浮顶的轴向剖视示意图，图中的罐底采用中幅板与环形边缘板搭接焊接的结构；
图7是本发明的一种钢制焊接立式大型油罐的罐顶为外浮顶的轴向剖视示意图，图中的罐底采用中幅板与环形边缘板对接焊接且对接焊缝下面设有垫板的结构。
具体实施方式
以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明。
如图1、2、3、4、5、6、7所示，一种钢制焊接立式大型油罐，具有罐底1、罐壁3和罐顶4，所述罐底1与罐壁3之间具有过渡连接圈2，所述过渡连接圈2具有底部环形段2-1、弧形过渡段2-2和立式圆筒段2-3，所述罐底1与过渡连接圈2的底部环形段2-1焊接连接，所述罐壁3与过渡连接圈2的立式圆筒段2-3焊接连接。
如图1、2、6所示，所述罐底1由中幅板1-1与环形边缘板1-2搭接焊接，当然,也可以是如图4、5、7所示，所述罐底1由中幅板1-1与环形边缘板1-2对接焊接且对接焊缝下面设有垫板5，所述罐底1的环形边缘板1-2与过渡连接圈2的底部环形段2-1对接焊接且对接焊缝下面设有垫板5。
如图1、4所示，所述罐顶4为固定顶。当然,也可以是如图6、7所示，所述罐顶4为外浮顶。
如图3所示，所述过渡连接圈2用钢板沿宽度方向预弯成图示断面形状，然后按罐壁3的直径大小将预弯成形的钢板沿长度方向弯制成圆弧形，并将若干块弯制成圆弧形的钢板拼接成整个过渡连接圈2。
本发明实施时，对于图1、4所示罐顶4为固定顶的大型油罐，可以采用倒装法（见前面所引的徐英等编《化工设备设计全书·球罐和大型储罐》第324页介绍），即在大型油罐的基础上放置罐底1，所述罐底1具有中幅板1-1与环形边缘板1-2，所述中幅板1-1与环形边缘板1-2搭接焊接,或对接焊接且对接焊缝下面设有垫板5。在罐底1的上方放置罐顶4，所述罐顶4为固定顶，在罐顶4的四周将罐顶提升，在罐顶4周边的下面放置罐壁3，将罐顶4与罐壁3之间的连接部位焊接连接。在罐壁3的四周将罐壁3与罐顶4提升，在罐壁3的下面放置过渡连接圈2，所述过渡连接圈2由若干块沿宽度方向预弯成图3所示断面形状、沿长度方向按罐壁3的直径大小弯制成圆弧形的钢板拼接而成，并使过渡连接圈2与罐底1配合，并在配合部位下面放置垫板5，焊接过渡连接圈2的底部环形段2-1与罐底1的环形边缘板1-2之间的连接焊缝，以及焊接过渡连接圈2的立式圆筒段2-3与罐壁3之间的连接焊缝。再在实施完成的大型油罐罐体上设置盘梯、加强圈、抗风圈、人孔、进出料接管等附件。
本发明实施时，对于图6、7所示罐顶4为外浮顶的大型油罐，在大型油罐的基础上放置罐底1，所述罐底1具有中幅板1-1与环形边缘板1-2，所述中幅板1-1与环形边缘板1-2搭接焊接,或对接焊接且对接焊缝下面设有垫板5。在罐底1的外围放置过渡连接圈2，所述过渡连接圈2由若干块沿宽度方向预弯成图3所示断面形状、沿长度方向按罐壁3的直径大小弯制成圆弧形的钢板拼接而成，并使过渡连接圈2与罐底1配合，并在配合部位下面放置垫板5，焊接过渡连接圈2的底部环形段2-1与罐底1的环形边缘板1-2之间的连接焊缝。在过渡连接圈2的立式圆筒段2-3上面放置罐壁3，焊接过渡连接圈2的立式圆筒段2-3与罐壁3之间的连接焊缝。在罐壁3内放置罐顶4，所述罐顶4为外浮顶。再在实施完成的大型油罐罐体上设置盘梯、加强圈、抗风圈、人孔、排水系统、进出料接管等附件。
本发明除了用于储存原油及成品石油外，也可以储存其他液体类物料。
Claims (5)
1.一种钢制焊接立式大型油罐，具有罐底（1）、罐壁（3）和罐顶（4），其特征在于：所述罐底（1）与罐壁（3）之间具有过渡连接圈（2），所述过渡连接圈（2）具有底部环形段（2-1）、弧形过渡段（2-2）和立式圆筒段（2-3），所述罐底（1）与过渡连接圈（2）的底部环形段（2-1）焊接连接，所述罐壁（3）与过渡连接圈（2）的立式圆筒段（2-3）焊接连接。
2.根据权利要求1所述钢制焊接立式大型油罐，其特征在于：所述罐底（1）具有中幅板（1-1）与环形边缘板（1-2），所述中幅板（1-1）与环形边缘板（1-2）搭接焊接，所述罐底（1）的环形边缘板（1-2）与过渡连接圈（2）的底部环形段（2-1）对接焊接且对接焊缝下面设有垫板（5）。
3.根据权利要求1所述钢制焊接立式大型油罐，其特征在于：所述罐底（1）具有中幅板（1-1）与环形边缘板（1-2），所述中幅板（1-1）与环形边缘板（1-2）对接焊接且对接焊缝下面设有垫板（5），所述罐底（1）的环形边缘板（1-2）与过渡连接圈（2）的底部环形段（2-1）对接焊接且对接焊缝下面设有垫板（5）。
4.根据权利要求1所述钢制焊接立式大型油罐，其特征在于：所述罐顶（4）为固定顶。
5.根据权利要求1所述钢制焊接立式大型油罐，其特征在于：所述罐顶（4）为外浮顶。
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