1、油罐及管道强度设计课程设计终稿 油罐及管道强度设计课程设计 题 目 100m3埋地卧式油罐 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 油罐及管道强度设计课程设计任务书题 目100m3埋地卧式油罐图学生姓名 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 油罐用于储存工业或民用设施中常用的燃料油。（1）设计压力 常压（2）设计温度 -19t200（3）设计寿命 15年（4）焊接接头系数 0.85（5）水压试验压力 盛水试漏（6）腐蚀裕量 1.5mm（7）装量系数 0.9（8）介质 燃料油2设计基本参数和尺寸100m3埋地卧式油罐的基本参数尺寸见表一
2、。表一：5m3埋地卧式油罐基本参数和尺寸公称容积（m3）筒体主要尺寸封头壁厚（mm）壳体材料设备金属总质量（kg）直径长度壁厚100300014600121216MnR16865二、设计要求1了解埋地卧式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1.100m3埋地卧式油罐图纸一张(2#)；2.油罐接管焊接型式图一张（3#）；3.课程设计说明书一份。起止时间 指导教师签名 系（教研室）主任签名 学生签名 1绪论1.1 金属油罐设计的基本知识1.1.1 金属油罐的发展趋势近一、二十年来，油
3、罐的设计与施工技术都较过去有了更快的发展。从世界范围来讲，这一状况与前一时期国际上的能源危机有关。由于能源危机，近若干年来许多工业化的、靠进口原油的国家都增加了原油的储备量，这就迫使这些国家不得不建造更多更大的油罐。这一经济需求不仅促进了油罐事业的发展，也使越来越多的新课题，随着这些新课题的研究和解决，这就使油罐的设计与施工技术进一步发展和深化。现在油罐发展的总体趋势是走向大型化，而所以有此趋势是由于大型化具有下列优点：(1)节省钢材。(2)减少投资。(3)占地面积小。(4)便于操作管理。(5)节省管线及配件。由以上分析可以看出，油罐大型化有许多经济利益，这也就是这种趋势的动力。目前油库的组成
4、结构与十年前相比有了很大的改观，由油罐的“小而多”变为“大而少”。这一点也是衡量一个国家在油罐设计、研究、建造等方面技术水平高低的一个尺度。1.1.2 对金属油罐的基本要求对金属油罐的基本要求主要有以下五个方面：(1)强度要求。油罐在卸载以后不应留下塑性变形。(2)有抵抗断裂的能力。无论在水压或操作条件下，油罐不得产生断裂破坏。(3)有抵抗风荷的能力。在整个建造及使用期间，在建罐地区的最大风荷下不产生破坏。(4)有抗地震的能力。要求在整个使用期间内，在建罐地区的最大烈度下不产生烈性变形。(5)油罐要坐落在稳固的基础之上。油罐的基础在整个使用期间期间的不均匀沉陷要在允许的范围之内。上述基本要求是
5、就总体而言的，具体的某一构件还要有其各自的特殊要求。如前所述，油罐大型化以后给人们带来了一些利益，但另一方面随着油罐大型化，也出现了一些新的技术课题。因而要付出更大的努力才能满足以上五个基本要求。油罐的大型化使罐壁钢板越来越厚。然而，由于罐壁在施工现场无法进行退火处理，所以允许的壁板厚度是有一定限度的。一般来说，钢板的强度（指屈服极限、强度极限）越高，则断裂韧性越低，也就是说月容易产生断裂。这就要求油罐的设计人员要正确选材，特别是在气候寒冷的地区建罐，更要注意在满足强度要求的同时，恰当地提出断裂韧性的要求及检验的方法和手段。这是油罐大型化过程中遇到的第一个问题。一般来说，钢板越厚在焊缝或热影响
6、区附近越易于产生裂纹，由于这些原始裂纹的存在，从而增加了断裂的危险性。这是油罐大型化过程中遇到的第二个问题。随着油罐的大型化，壁厚t与直径D之比，即t/D值降低，这使油罐刚性降低，从而使油罐抵抗风荷的能力下降了。采取何种方法校核油罐抵抗风荷的能力，以及用何种方法增强这种能力，这是油罐大型化过程中遇到的第三个问题。一般来说，钢板强度等级越高，其可焊性越低，这就要求油罐设计人员选材时注意其可焊性，同时采取合适的焊接工艺。焊前的预热、焊接顺序、线能量的大小、环境条件（大气温度、适度、风速）等都与焊缝质量有密切关系。这是油罐大型化过程中遇到的第四个问题。地震可能给油罐带来很大的破坏，为人民的生命、财产
7、造成很大的损失。但造成小油罐与大地震破坏的因素并不完全相同，油罐越大，则在地震时与油罐一致运动的那部分储液（地震波中短周期成分起作用）所占的比例越小，而参与晃动的那部分储夜（地震波中长周期成分起作用）所占的比例越大。对大型油罐地震破坏的研究及其相应的抗震措施是油罐大型化过程中遇到的第五个问题。油罐大了，油罐基础所占的面积也大了，许多大型油罐基础的直径在100m以上。在这样大的，面积上要找到均匀的工程地质状况往往是比较困难的。大型油罐基础的设计、如何恰当地提出对于沉陷的要求，以及采用何种结构以增加油罐抵抗不均匀沉陷的能力等是油罐大型化过程中遇到的第六个问题。1.2 金属油罐的分类在各类石油库中，
8、使用着各种类型的油罐，储存不同性质的油品。按照这些油罐建造的特点，可分为地上油罐和地下油罐两种类型。地上油罐大多采用钢板焊接而成，由于它的投资较少、建设周期短、日常的维护及管理比较方便，因而石油库中的油罐绝大多数为地上式；地下油罐多采用钢板或钢板混凝土两种材料建造，由于整个油罐建在地下，所以储存介质的温度比较稳定，气体蒸发的损耗较少。但由于这种油罐的投资较高、建设周期长、施工难度较大、操作及维护不如地上油罐方便，故当有特殊要求时才选用。1.2.1 地上钢油罐钢油罐的种类一般是按照几何形状来划分的。通常可分为三类：(1)立式圆柱型油罐(2)卧式圆柱型油罐(3)双曲率油罐（如滴状油罐和球形油罐）在
9、以上三类油罐中，立式圆柱型油罐占大多数，对大型油罐更是如此。卧式油罐通常作为小容器使用。滴状油罐可承受的0.41.2kgf/cm2剩入压力，可消除小呼吸损耗，适于储存挥发性大的油品，但这种油罐结构复杂，施工困难，建设费用高，故在国内尚未采用，国外用的也不多。这种油罐自问世以来，实际上没有得到推广。球罐用于储存液化气，其设计一般划在受压容器范围内。卧式油罐的优点是能承受较高的正压和负压，有利于减少油品的蒸发损耗；可在工厂制造然后运往现场安装，搬运和拆迁都方便。卧罐的缺点是单位容积的耗钢量高，比立式油罐高出一倍以上，而且因单个油罐体积小，当使用较多油罐时占面积大。卧式油罐在油库中应用非常广泛。在大
10、型油库中常用它储存一些周转数量较少的不同品种的油料。小型油库和加油站由于储量本来就不大，卧罐常常成为主要的储油容器。因便于拆迁，卧罐还常用于野战油库。除用作一般储油容器外，根据工艺需要还常把卧罐用作罐装罐、放空罐、压力罐、真空罐等。由于卧罐能承受较高的内压，有时还用它储存液化气。它一般安装在地面鞍型支座上。用于油品放空的卧罐常埋入地下，使管线中的存油能自流放入罐内，放空罐的埋地深度也由工艺计算决定。有时为了达到隐蔽的目的，也将卧罐埋入土中或置入地下掩体内。1.2.2 地下油罐常用的地下油罐有立式圆筒形及卧式圆筒形两种。由于油罐设置在地面以下，所以土壤的地质条件、腐蚀性以及地下水的情况，是地下油
11、罐结构设计时主要考虑的因素。（1）直接埋地立式圆筒形油罐。这种油罐的顶板、壁板以及底板，一般情况下多采用钢筋混凝土结构，为了防止储存介质的渗漏，油罐的壁板及底板的内侧衬一层钢板。这种结构的油罐，施工技术较为复杂、要求严格、施工周期较长、投资较大。（2）覆土立式圆筒形油罐。立式圆筒形油罐置于被土覆盖的罐室中，罐式顶部和周围的覆土厚度不小于0.5m，多为普通碳钢钢板制造。（3）埋地卧式圆筒形油罐。采用直接覆土或罐池充沙（细土）方式埋设在地下，且罐内最高液面低于罐外4m范围内地面的最低标高0.2m的卧式油罐，多为普通碳钢钢板制造。由于实际需要的容积不大（大多不大于50 m3），便于厂家整体制造、运输
12、及施工。1.3 课题意义“油罐及管道强度设计”是油气储运专业本科生的一门重要的专业课。而该课程的课程设计对于学生加深这门课的理解无疑是有帮助的。它使学生对油气油罐及管道强度及其相关问题有了比较全面的了解，并且掌握各类压力管道及储罐分析与设计的基本概念、基本原理与基本方法。近年来，我国油气储运系统的建设得到了空前的发展，对油气储运设施的安全可靠性提出了越来越高的要求，油气管道与储罐设计的新技术、新方法不断发展，需要将油气管道和储罐强度设计的基础理论、设计计算方法和标准规范予以总结，为油气储运工程技术人员提供较为全面的参考资料。2 埋地卧式油罐课程设计2.1 设计说明书2.1.1 适用范围本文适用
13、于储存工业或民用设施中常用的燃料油的 m3埋地卧式油罐。 压力：常压工作温度：-19 200介质：燃料油（柴油、汽油等）2.1.2 设计、制造遵循的主要标准规范(1)钢制压力容器 GB 150 (2)钢制焊接常压容器 JB/T 4735 (3)钢制压力容器焊接规程 JB/T 4709 (4)气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸 GB 985 (5)压力容器无损检测 JB 4730 2.1.3 主要设计内容 2.1.3.1 油罐供油系统流程图 图2-1 直埋地下储罐系统流程图（油泵在罐体上） 说明：LISA液位指示连锁装置 H高位连锁 L低位装置2.1.3.2 100m3埋地卧式
14、油罐加工制造图，基本参数和尺寸 3000（直径）14600（长度）12（壁厚）单位：mm； 封头壁厚： 12mm； 壳体材料：16MnR； 设备金属总质量：16865 kg；2.1.4 安全油罐应有避雷、防静电措施，具体措施如下2.1.5 设计遵循参照的主要规范(1)爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范 （GB50058）(2)石油与石油设施雷电安全规范 （GB15599）(3)汽车加油加气站设计与施工规范 （GB50156）(4)锅楼房设计规范 （GB50041）(5)防止静电事故通用规则 （GB12158）(6)石油化工企业设计防火规则（GB50160）(7)石油库设计规范 （GBJ）2.1
15、.6 设计范围(1)防雷电与防静电措施(2)防火措施2.1.6.1 防雷电与防静电措施(3)可燃气体、液化烃、可燃液体的钢罐，必须设防雷接地，并应符合下列规定： a.装有阻火器的甲B 乙类可燃液体地上固定顶罐，当顶板厚度等于或大于4mm时，可不设避雷针，线； b.丙类液体储罐，可不设避雷针、线，但必须设防感应雷接地；c.浮顶灌（含内浮顶罐）可不设避雷针、线但应将浮顶与罐体用两根截面不小于25 mm2软铜线作电气连接，其连接点不应小于两处，连接点沿油罐周长的间距不应大于30m；d.压力储罐不设避雷针、线，但应作接地；(4)本图罐体均采用厚度4mm的金属材料，不设避雷措施，但当罐体置于建筑物、构筑
16、物内时必须作可靠接地，其接地点不应少与两处，其间弧形距离不应大于30m；当金属油罐在室外设置时必须作环形防雷接地，其接地点不应少与两处，其间弧形距离不应大于30；接地体距罐壁距离应大于3m(5)埋设罐体（图规定埋深50cm），可不设避雷设施，但应采用防腐蚀镀锌金属材料。埋设油罐应采取牺牲阳极、保护阴极的作法：即将油罐体作为阴极，在土壤中埋设电位比油罐材料更负的强阴极（如锌板），并与油罐做电气连接，使其构成电偶效应以达到保护油罐，防止电化学腐蚀。当操作井与地上金属物相连时应作电气通路连接，以便与地面设施等电位连接处理。(6)将油罐系统流程有关的设备、设施的防雷接地、防静电接地和电气设备接地共用同
17、一接地装置，接地电阻4欧 。接地连接线均采用多股铜芯线，截面不应小于16 mm2。(7)可燃液体储罐的温度、液位等测量装置，应采用铠装电缆或钢管配线，电缆外皮或配线钢管与罐体应作电气连接。(8)操作井立柱角钢与垫板、垫板与储油罐外壁、立柱角钢与操作井盖板均应作电器通路。盖板与加油车或输入装置作防静电连接。(9)根据不同的防护区（爆炸危险区）确定相应的防护措施：电源线路的敷设与连接，防静电连接、防雷接地的连接（共用接地连接） (10)油罐底座应与油罐作可靠电气连接，在油罐底座预留接地端子。当接地端子间沿油罐外围距离大与30时，需增加接地端子。接地端子的设置位置由设计人员确定。(11)由接地端子至
18、接地体采用BV-1X25 mm2导线穿PVC40管。接地体应用直径不小于16mm的镀锌圆钢或截面不小于404 mm2的镀锌扁钢制成。(12)防火措施(13)可燃液体火灾宜采用低倍数泡沫灭火系统。扑救可燃气体、可燃液体和电器设备及烷烃金属化合物等的火灾，宜选用钠粉。当干粉与氟蛋白泡沫灭火系统联用时，应选用硅化钠盐干粉。(14)油罐区的火灾应采用干粉车。(15)却水系统应能满足消防冷却总容量的要求。(16)建筑物、构筑物内的可燃气体泄露危险场所应采用可燃气体探测器报警系统。(17)消防措施，根据工程实际情况由选用单位与环卫措施等统一考虑。2.1.7 防腐油罐内壁防腐措施应根据罐内储存介质确定，外壁
19、防腐措施应根据埋罐土质确定。2.1.8 油罐接管（1）本图所示工艺接管的规格、数量及位置，可根据工程实际情况由选用单位行调整。（2）与油罐相连通的进油管，通气管横管及回油管均应坡向油罐，其坡度不应小于2。 （3）通气管管口应高出地面4m及以上。沿建筑物的墙柱向上敷设的通气管管口，应高出建筑物的顶面1.5m以上。通气管的公称直径不应小于50 mm且应安装阻火器。2.1.9 油罐容积的确定 油罐的总容积应根据油的运输方式和供应周期等因素确定。对于火车和船舶运输，一般不小于 20-30 天的设备最大消耗量；对于汽车运输一般不小于 5-10 天的设备最大消耗量；对于油管道输送一般不小于 3-5 天的设
20、备最大消耗量；对于以办公为主的建筑，燃油设备的日运行时间取 10-12 小时；以普通住宅为主的建筑，日运行时间为取 12-16 小时；以高档住宅和宾馆为主的建筑，日运行时间取 16-24 小时。 2.1.10 其它 （1）油罐埋地设置，其顶部覆土不应小于 0.5 m 。油罐的周围，应回填干净的沙子或细土，其厚度不应小于 0.3 m。 （2）油罐操作平台、梯子由选用单位统一考虑。 （3）埋地卧式油罐操作井是为埋地卧式油罐而设计的，两者应配套使用。操作井的高度受油罐埋地深度控制，选用者应根据油罐实际埋地深度调整图中给出的操作井高度，同时调整相关尺寸。 （4）对地下水位高的地区，选用者应对埋地卧式油
21、罐采取锚固防浮措施。 （5）本图中的设备也可用于重质燃料油，但所需的加热器等相关构件由选用者提供。（6）本图中给出液位计口主要用于配备现场液位指示的玻璃板液位计，对罐内液位控制应由选用者根据工程自控控制方案统一考虑。 （7）埋地卧式油罐物料出口是否安装底阀以及其连接等问题由选用者考虑。 （8）由于埋地卧式油罐地埋地时油罐壳体将承受一定的外荷载，因此，设计时按外压 0.1 兆帕对其进行核算。 2.2 设计计算书2.2.1 设计的基本参数设计压力 P0.1 MPa 设计温度 T-19t200 介 质 燃料油焊缝系数 0.85腐蚀裕量 C21.5 mm筒体内径 = 3000 mm筒体长度 L=146
22、00 mm封头内径 = 3000mm主体材料 16MnR其设计温度下许用应力 183MPa水压试验压力 = 0.125MPa钢板厚度负偏差 C1= 0.8 mm2.2.2 壳体壁厚计算2.2.2.1 筒体壁厚计算由文献7中的公式计算筒体壁厚 (2-1) 壁厚附加量 CC1C21.5+0.8=2.3mm由于最小壁厚规定并且 所以C 6+2.3=8.3mm圆整后，实选壁厚9mm2.2.2.2 封头壁厚计算由文献7中的公式计算封头壁厚 (2-2) 由于最小壁厚规定并且 壁厚附加量C=C1C20.8+1.52.3mm所以C6+2.3=8.3mm圆整后实选壁厚9mm2.2.3 鞍座的选择计算 2.2.3
23、.1 罐体重Q1Dg=3000 mm，12 mm的筒节，每米设备重量q1=991kg/m (2-3)2.2.3.2 燃料油重Q2 kg (2-4)其中 充料系数，取1； V储罐体积 ，VV封+V筒100+10.84=110.84 m3汽油在200C时的比重为998.2Kg/m3 。 2.2.3.3 储罐的总重Q= Q1Q2 式中 Q1-罐体重 ； Q2-燃料油重。所以储罐的重力G=Qg，而两支座的支持力等于储罐的重力，即。 2.2.4 鞍座作用下筒体应力计算2.2.4.1 筒体轴向弯矩计算双支座支撑的的卧式容器壳视为双支点的外伸梁，在容器轴向存在两个最大弯矩，一个在鞍座处，一个在容器两支座间跨
24、距中点处。跨距中点处的弯矩按下式计算：M1F（C1LA） (2-5) 支座处的弯矩按下式计算： (2-6) 式中 Ri-筒体内半径，1.5m；A支座中心线至封头切线的距离，0.8m；C2系数 (2-7) C3系数， (2-8) C1系数， (2-9) 所以NM 2.2.4.2 筒体轴向应力计算在跨距中点处横截面上，由压力及弯矩所引起的轴向应力之和见下图：图2-2 筒体轴向应力分析图(1) 横截面的最高点处 (2-10)(2) 横截面的最低点处 (2-11)以上两式中 P设计压力0.1MPa；容器壁厚，9.7mm（不计附加壁厚）。(3) 支座处的轴向应力此应力取决于支承面上筒体的局部刚性。当在载
25、荷作用下筒体不能保持圆形时，其横截面上部的一部分对承受轴向弯矩不起作用。当筒体有加强圈时，在筒体最高点处的轴向应力用下式计算： (2-12)在筒体横截面的最低点处的轴向应力用下式计算： (2-13) K1 ，K2为参数，查文献7表76得K10.107，K20.1922.2.4.3 筒体周向应力计算(1) 周向弯矩计算因鞍座截面处无加强圈，且A0.5Rn，所以按文献7中公式：M=K6FRn计算。式中 K6系数，由文献7查得：K6=0.0132其它参数同上。则M=K6FRn=NM(2) 周向压缩应力计算因鞍座截面处无加强圈，且A0.5Rn，所以按文献7中公式：Tmax=-K5F计算。式中 K5系数
26、，由文献7中查得：鞍座包角时,K50.760则Tmax=- K5F=N而在鞍座轴边角处的周向压缩应力T值为：T=-F/4=N(3) 周向总应力的计算和校核该设计圆筒的鞍座界面上无加强圈，但在鞍座两侧的圆筒上有加强圈。而且鞍座上不设置衬垫板，则圆筒横截面最低处周向压缩应力按下式计算： (2-14) 其中k-计及圆筒和鞍座是否相焊的系数，本设计中不相焊，k=1 K5系数，K50.76b-圆筒的有效长度， 所以 鞍座边角处的周向总应力： (2-15)根据文献7规定，用圆筒材料在设计温度下的许用应力进行校核；用圆筒材料在设计温度下许用应力的1.25倍进行校核。因为 130MPa1.25183=228.
27、75MPa所以满足强度要求。2.2.5 抗浮验算为了保证卧罐不被地下水浮起，必须满足下列不等式： (2-16) 式中 Gst-罐体单位长度自重；Gso-作用在卧罐单位长度上的成棱柱体的土壤重量，见图2-1；VW-卧罐单位长度埋入地下水的体积；-水的容重，=1000kg/m3；K-安全系数，取K1.21.5；式中 -钢材的容重，=7850kg/m3 ； (2-17)式中 H1-油罐轴心到地表的距离，2.034m；-土壤的内摩擦角，取=45。 (2-18) (2-19) 如果满足不等式那么不会出现油罐被地下水浮起的可能，此时不必设置锚墩增重。否则必须设置锚墩增重。参考文献1 潘家华，郭光臣，高锡祺
28、，等.油罐及管道强度设计M.北京：石油工业出版社，1986.2 GBJ 128-90 立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范S.北京:中国标准出版社1990.3 SH 3048-93 石油化工钢制设备抗震设计规范S.北京：中国标准出版社，1993.4 GB 50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范S.北京：中国标准出版社，2001.5 SH 3046-92 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，1992.6 余国琮.化工容器设计M.北京：化学工业出版社，19807 GB 150-2001钢制压力容器国家标准S.国家压力容器标准化技术委员会.北京：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. 1990.10 朱熙然. 工程力学M.上海：上海交通大学出版社. 1997.11 成大先. 机械设计手册M. 北京：化学工业出版社. 2002.
