何乾偉 付和銀（西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

李雨峰（西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500）

近年來，由于工業(yè)和經(jīng)濟的快速發(fā)展，世界各國對石油的需求量快速增加，儲油罐的數(shù)量也逐漸增加，拱頂罐由于具有制造簡單、建設(shè)成本低并且具有一定的承壓能力等優(yōu)點而在工業(yè)中常被用到。拱頂罐在石油行業(yè)由于國家儲備、中轉(zhuǎn)需要等因素而被廣泛使用，但石油屬于易燃易爆產(chǎn)品，因此，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計對儲油罐的安全運行和管理具有重要意義。

1 儲油罐拱頂?shù)膹姸仍O(shè)計

本文所涉及的儲油罐結(jié)構(gòu)如圖1。儲油罐頂蓋為球殼，拱頂球殼和罐壁的連接部分為環(huán)殼，罐壁為圓筒形狀，環(huán)殼與罐壁、環(huán)殼與拱頂球殼平滑連接。圖1為儲油罐的簡化模型。

圖1 儲油罐的簡化模型

r：環(huán)殼第一曲率半徑 R：拱頂球殼半徑 D：罐壁直徑

1.1 為了簡化模型，對拱頂進行應(yīng)力分析時做出如下假設(shè)：

1.1.1 不考慮施工和儲油罐的制造問題，假設(shè)儲油罐為一均勻的整體

1.1.2 不考慮拱頂球殼和環(huán)殼的自重，只是在儲油罐內(nèi)壓大于外壓的條件下對其進行設(shè)計

1.1.3 環(huán)殼與罐壁、環(huán)殼與拱頂球殼連接絕對平滑

1.2 設(shè)計思路：

1.2.1 根據(jù)儲油罐的直徑，通過等強度原則設(shè)計拱頂球殼半徑

1.2.2 通過分析拱頂球殼和環(huán)殼的應(yīng)力，找出整個罐頂最大應(yīng)力值，根據(jù)最大應(yīng)力確定整個罐頂?shù)谋诤?/p>

1.3 設(shè)計步驟：

1.3.1 當整個儲油罐內(nèi)壓力均為P時，拱頂球殼上任意一點在與球殼相切的任意方向上，應(yīng)

力值均為σ=PR/(2δ)。對罐壁而言，最大應(yīng)力出現(xiàn)在罐壁環(huán)向，其值為

σ=PD/(2δ)。根據(jù)等強度設(shè)計原則，R=D時，即是儲油罐的拱頂球殼半徑與罐壁

的直徑相同時，相同壁厚的拱頂球殼和罐壁最大應(yīng)力值相同，在工程設(shè)計中一般取

R=（0.8-1.2）D，在本文以下的分析中，均采取R=D做計算。

1.3.2 對于拱頂球殼，其最大應(yīng)力值為σ=PD/(2δ)

1.3.3 環(huán)殼應(yīng)力狀態(tài)較復雜，其應(yīng)力計算步驟如下：

1.3.3.2 第一曲率半徑：

第二曲率半徑：

1.3.3.3 經(jīng)向應(yīng)力求解

在計算點處（α角與環(huán)殼的交點），y方向上內(nèi)壓對拱頂球殼和環(huán)殼的力之和等于計算點下方環(huán)殼對上方環(huán)殼的拉力：

1.3.3.4 根據(jù)體素平衡方程計算環(huán)殼環(huán)向應(yīng)力：

4通過（1）-（4）逐步化簡得到環(huán)殼的經(jīng)向應(yīng)力值和環(huán)向應(yīng)力環(huán)：

由上式可知，在相同的α角的條件下，環(huán)殼的經(jīng)向應(yīng)力大于環(huán)殼環(huán)向應(yīng)力，所以環(huán)殼的設(shè)計應(yīng)力應(yīng)選經(jīng)向應(yīng)力。經(jīng)向應(yīng)力隨著α角的變化而變化，當si（nα）最小時經(jīng)向應(yīng)力達到最大值。

所以 (σφ)max=PD/2δ

由此可見，環(huán)殼的最大應(yīng)力值和灌頂?shù)淖畲髴?yīng)力值相同

所以其設(shè)計壁厚:

δ：罐頂壁厚 α：計算點處環(huán)殼半徑與豎直方向夾角。[ρ]許用應(yīng)力η：焊縫系數(shù) C1：腐蝕裕量

1.4 實例計算：

已知：儲油罐直徑為20m，內(nèi)壓為0.5MPa，罐頂材料許用應(yīng)力值為400MPa，罐頂?shù)暮缚p系數(shù)為0.85，腐蝕裕量為0.5mm。

由計算得δ=15.2mm

2 結(jié)語

儲油罐的拱頂球殼設(shè)計應(yīng)力分析較為容易，而環(huán)殼的設(shè)計應(yīng)力分析較為復雜，但是計算結(jié)果表明，儲油罐在滿足文中所述的條件時，無論環(huán)殼的第一曲率半徑如何，其應(yīng)力值總是小于拱頂球殼的應(yīng)力值，并且只有在環(huán)殼和拱頂球殼的接觸處，環(huán)殼應(yīng)力值才達到最大，并且與拱頂球殼的應(yīng)力值相同，這樣會避免因應(yīng)力突變而產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其缺點在于環(huán)殼和罐壁的接觸處因應(yīng)力值的不同而存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在進行這類儲油罐的設(shè)計時應(yīng)考慮到這一點。

[1]王輝.10×10^4m3大型浮頂油罐的設(shè)計[J].石油化工設(shè)計,2012,29(2):9-12.

[2]帥健,于桂杰.罐道及儲油罐強度設(shè)計[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006:174-237.