大型低温储罐内罐加强圈设计摘 要 大型低温储罐是液化气体储存过程中的重要设备，加强圈是大型储 罐内罐的重要组成部分。国内常用的大型低温罐内罐一般是敞口的，经常承受内 外罐之间环形空间保冷材料的侧压力，尤其是低温储罐在维修升温过程中所受到 的外压力最大，也是内罐稳定性最差的时候。只有合适的内罐加强圈设置才能保 证内罐的安全性与抗屈曲失稳能力，又不浪费材料。而与敞口内罐加强圈相关的 设计在国内外低温储罐标准中都是一带而过，都没有详细的计算公式以及验收标 准。本文借鉴国内外各工程公司的工程实践和API 650附录V,确定大型低温储 罐不同部位加强圈的设计方法。关键词 低温储罐 加强圈 设计方法随着液化气体储运的发展,大型低温液化气体低压储罐（简称低温储罐）建 的越来越多,越来越大。据不完全统计,投产、建设和筹建中的容积大于等于20 万方储罐135台,总容积可达2900万方,储罐大型化已成业内趋势。目前国内 27万方的LNG储罐已经开始建设，16万方的丙烷罐正在建设中，16万方的乙烷 罐已经建成。由于大型低温储罐容积比较大，内外罐之间环形空间的保冷材料的侧压力在 低温储罐停车升温过程中最大，是连续的载荷，且持续的时间比较长，和普通油 罐的风荷载不一样（间歇性作用），按照API 650和EN 14015正文的顶部抗风 圈和中间加强圈去设计大型低温罐内罐顶部加强圈和中间加强圈太偏于冒进，是 危险的。API 650附录V适用于工艺操作产生的负压，发生的概率比较大，且发生的 时间比较长。按API 650附录V设计的储罐容积一般不太大。又由于大型低温储 罐在整个设计寿命过程中只发生一、两次停车升温，发生的概率很低。如果按照 附录V去设计大型低温储罐内罐顶部加强圈和中间加强圈又偏于保守。本文将根据大量的项目工程实践，充分分析外压薄壁圆筒壳体的屈曲经典公 式和安全系数，得到大型低温储罐加强圈的设计方法。一、内罐壁无加强圈的最大高度确定Dwight F Windenburg和Charles Trilling外压薄壁圆筒壳体的不稳定性 坍塌(Collapse by ins tabi lity of t hin cylindrical shells under external pressure，ASME Transaction, 1934)给出的均匀外压薄壁圆筒壳体 的临界压力公式如下：转化为均匀外压薄壁圆筒壳体的最大不加强的高度公式如下：忽略掉比较小的分项1 得到下面的公式:目前大部分工程公司对于上面公式确定不需加强的罐壁最大高度的安全系数 是2。上式取安全系数 1.06, E=210000MPa, p=1.72kPa，按照 API 650 第 5.9.6.1 条符号定义，转换为公制单位的公式如下:2.6-E-D筒体形状缺陷，例如局部形状偏差降低筒体的屈曲强度。Windenburg推导了一个屈曲外压是理想圆筒形的80%的最大局部形状偏差经验公式,如下:e = 0.018D/N + 0.015NtN是均匀外压理想薄壁圆筒壳体屈曲的波浪数，按照V.8.2.2. 1中的公式计最大的局部形状偏差经验公式计算得到数值和API 650 7.5.4条b)的局部形状偏差基本一样。考虑理想圆筒形的80%的系数，外压薄壁圆筒壳体的最大不加强的高度公式如下：局部形状偏差的减小系数0.8在API 650附录V.8.1条有体现，而在API650 5.9.6.1条没有考虑这个系数。按照API 650附录V的符号，转换为公制单位的公式如下：H 加 p152031)4 巴呼基于目前大部分工程公司对于外压薄壁圆筒壳体下面的最大不加强的高度公式的安全系数是2,可以得到上面公式的安全系数应该是卡=2/1.25=1.6，基本上相当于附录V的第V.8.1条件1中的风压+0.768kPa的设计外压。附录V的第V.8.1条件2要求的安全系数是3,有点过于保守。其原因如下:1.附录V 般适用于容积不大的储罐2.附录V适用于工艺操作产生的负压，发生的概率很大，发生的时间比较长。大型低温储罐在整个设计寿命过程中只发生一、两次停车升温，发生的概率 很低。二、内罐壁中间加强圈数量确定罐壁的当量高度和中间加强圈的数量Ns的计算公式，所有的资料都基本一样。本文参照API 650附录V得到下面得公式lti f1&t r2bg-h.产!i.1 2/十hn5INT 向下取整函数。三、内罐壁顶部加强圈的几何尺寸本文参照API 650附录V并考虑顶部加强圈有些区域可能发生拉伸强度失效事故，有些区域可能发生压缩强度失效事故。因此本文使用下面的公式计算顶部加强圈（含罐壁部分）的最小横截面积和截面惯性矩：r _37.5Vj“沪云宀上面确定顶部加强圈截面惯性矩公式中的安全系数是3,这个一般没有争议。一个争议比较大的是均匀外压理想薄壁圆筒壳体屈曲的波浪数N,大部分公 司用的是2，有个别的公司使用的是4，还有个别公司使用的是按下式计算的数 值。这主要没有考虑低温罐的内罐是敞口的，和API650附录V的固定顶罐完全 不一样。使用按上式计算得到的均匀外压理想薄壁圆筒壳体屈曲的波浪数N值是 非常危险的，很容易发生下面的事故。本文推荐的对于敞口内罐的顶部加强圈，均匀外压理想薄壁圆筒壳体屈曲的 波浪数N取2。四、内罐壁中间加强圈的几何尺寸本文参照API 650附录V并考虑中间加强圈一般发生压缩强度失效事故。因 此本文使用下面的公式计算顶部加强圈(含罐壁部分)的最小横截面积和截面惯 性矩：r _37.5QBJIVfld I 了I A-lQ=1OOOPSI,I已Is上面的公式也没有什么大的争议，各标准、设计手册和论文都基本上一样， 有可能表现形式不一样。五、材料的许用应力目前大部分工程公司参照API 620,对加强圈区域的许用压缩应力取值都是103MPa (15kPSI)。这个数据是基于材料屈服强度小于等于260MPa钢材做实验 得到的。目前的API 650承压环、API 650附录V、ASME BPV第VIII篇的加强圈 和AISC 360对于钢材的许用压缩应力都与材料的标准最小屈服强度有关。本为 参照API 650附录V材料的许用应力确定加强圈许用应力如下：1.材料的单向许用拉伸应力，0.625倍（对于最小屈服极限安全系数是1.6） 的最小屈服极限；2.顶部加强区域材料的许用压缩应力，取0.6倍的最小屈服极限且不得小于 140MPa；3.中间加强区域材料的许用压缩应力，取0.4倍的最小屈服极限且不得小于 103MPa。六、确定中间加强圈几何尺寸的罐壁高目前大部分储罐标准计算加强圈几何尺寸的罐壁高度一般为加强圈到上面相 邻加强圈的距离，过去主要是为了计算方便。但是在内罐壁承受均匀外压时，加 强圈实际承受的外荷载大约是中间加强圈与两侧相邻的加强圈（或罐底板或罐顶 承压环）间距之和的一半（m）,日本油罐标准JIS B 8501就是按照这个筒体长 度计算的。本文将参照JIS B 8501，计算加强圈几何尺寸的罐壁高度是中间加强 圈与两侧相邻的加强圈（或罐底板或罐顶承压环）间距之和的一半 （m）。七、确定加强圈加强筋板的布置API 650、API 620和EN 14015都没有给出加强圈的局部屈曲校核，这是有 点冒进的。本文参照AISC 360-16表B4.1b，安全系数增大1.5倍，给出了加强 圈加强筋板的条件。带翼缘（罐壁除外）的加强圈腹板宽度大于3.8（E/Fy）0.5倍的腹板厚度时 应设置加强筋板。加强圈翼缘板外伸（相对于腹板）高度大于0.65（E/Fy）0.5倍的翼缘板厚度时应设置加强筋板。无翼缘板加强圈腹板宽度大于1. 0（E/Fy） 0. 5倍的腹板厚度时应设置加强筋 板。加强圈加强筋板的最大间距为24X16=384倍的腹板厚度。八、超大型储罐的顶部加强圈由于储罐的大型化，内罐的直径接近100米了。当设置一道顶部加强圈，由于加强圈尺寸太大，可能影响内罐部件的布置，参照GB 50341-2014，低温罐内 罐壁可设置两道顶部加强圈，其间距不宜超过2000mm。两道顶部加强圈横截面积和截面惯性矩总和不应小于按上式的计算值。基于上面的分析得到的结论，编写低温罐内罐壁加强圈的设计，供大家参考 内罐壁加强圈设计一般要求内罐壁弹性玻璃棉毡厚度不小于内罐壁半径收缩的5倍。内罐壁承受的珍珠岩侧压力应该通过计算得到，且不小于1.25KPa。 加强圈区域（含罐壁）的实际面积应该大于加强圈要求的面积 加强圈（不含罐壁）的实际面积应该大于等于0.5倍的加强圈要求的面积 加强圈区域（含罐壁）的区域惯性矩应该大于要求的加强圈惯性矩 加强圈可采用钢板、型钢或两者组合；钢板最小名义厚度应为6mm。 加强圈腹板的对接缝和加强圈腹板遇到罐壁立缝或加强圈翼缘立缝时应开设鼠孔，以便避免影响焊接质量，鼠孔也可在作为排液孔。加强圈自身部件的对接接头应采用全焊透对接结构，距罐壁纵焊缝中心的距 离不应小于 180mm。加强圈中心距罐壁环焊缝中心的距离不应小于 180mm。加强圈自身部件的对接接头应进行RT或UT,检验比例应根据计算加强圈几 何尺寸时的焊接接头系数确定。加强圈与罐壁的连接,上侧应采用连续焊,下侧可采用间断焊。加强圈加强筋板应避开罐壁纵焊缝。加强圈的尺寸满足下列条件时应设置加强筋板：1.带翼缘(罐壁除外)的加强圈腹板宽度大于 3.8(E/F )0.5倍的腹板厚度时应设 y置加强筋板。2.加强圈翼缘板外伸高度大于 0.65(E/F )0.5 倍的翼缘板厚度时应设置加强筋板y3.无翼缘板加强圈腹板宽度大于l.O(E/F)0.5倍的腹板厚度时应设置加强筋板。y加强圈加强筋板间距不应超过顶部加强圈腹板厚度的 384 倍。罐壁参与加强区域的宽度实际采用的加强圈的最小横截面积和截面惯性矩不应小于加强圈的计算要求 值。计算加强圈的截面模数时,应计入加强圈上下两侧部分罐壁。当罐壁有厚度 附加量时,计算时应扣除。罐壁上下两侧的宽度计算公式如下：罐壁加强区的材料许用应力材料的单向许用拉伸应力，0.625 倍的最小屈服极限，如果罐壁和加强圈材 料不同，两者取小；顶部加强区域材料的许用压缩应力，0.6倍的最小屈服极限和140MPa，如果 罐壁和加强圈材料不同，两者取小中间加强区域材料的许用压缩应力，0.4倍的最小屈服极限和103MPa，如果 罐壁和加强圈材料不同，两者取小注：9 镍钢、7镍钢或 5 镍钢的最小屈服极限按照焊接材料选取，不得大于 400MPa。内罐壁顶部加强圈的几何尺寸 敞口储罐应在罐壁上部内侧设置顶部加强圈，顶部加强圈至罐壁上端的距离宜取 0.30.4m。顶部加强圈(含罐壁部分)的最小横截面积和截面惯性矩应按下式计算：37.SVLU2VN-2式中：比一顶部加强圈的最小截面惯性矩(cm4)； 一顶部加强圈的最小横截面积(cm2)；H 一罐壁总高度(m)；D 一储罐内径(m)；J 一设计侧压力(kPa)；E罐壁或加强圈材料的弹性模量，两者取小，（MPa）；f材料的单向许用拉伸应力，（MPa）；顶部加强区域材料的许用压缩应力，（MPa）当设置一道顶部加强圈不能同时满足最小横截面积和截面惯性矩要求时，可 设置两道，其间距不宜超过2000mm。两道顶部加强圈横截面积和截面惯性矩总和 不应小于按上式的计