国内外标准中立式圆筒形储罐罐壁开口许用外载荷计算讨论.pdf

文章编号院 1000谣7466(2023)06谣0061谣03收稿日期院 2023-06-15作者简介院 樊飞（1985-），男，江苏扬州人，高级工程师，硕士，长期从事压力容器及化工设备的设计审批工作。电话：[phone]，E-mail：。国内外标准中立式圆筒形储罐罐壁开口许用外载荷计算讨论樊飞袁 张为亮袁 冯欣渊扬州秋源压力容器制造有限公司袁 江苏 扬州225106冤摘要院 对立式圆筒形储罐的罐壁开口许用外载荷计算袁 主要涉及到 API 650要2018 野WeldedTanks for Oil Storage冶 和 GB 50341要2014 叶立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范曳 这 2个标准遥 从适用范围尧 计算方法尧 制造商和采购方工作范围尧 计算算例尧 有限元方法说明尧 补强类型以及相关数值来源等方面对 2 个标准的条文异同进行对比分析袁 可为标准的准确使用提供帮助遥关键词院 储罐曰 立式圆筒形曰 罐壁曰 开口曰 许用外载荷曰 计算曰 标准曰 讨论中图分类号院 TQ053.2;TE962文献标志码院Bdoi:10.3969/j.issn.1000-7466.2023.06.010Discussion on the Calculation of Allowable External Load on the WallOpening of Vertical Cylindrical Storage Tank in Domestic andInternational StandardFAN Fei袁ZHANG Wei-liang袁FENG Xin渊Yangzhou Qiuyuan Pressure Vessel Manufacturing Co.Ltd.袁Yangzhou 225106袁China冤Abstract:For the calculation of allowable external loads on the wall openings of vertical cylindrical storagetanks袁two standards are involved袁namely API 650要2018 野Welded Tanks for Oil Storage冶 and GB 50341要2014 野DesignCode for Vertical CylindricalSteelWelded Oil Tanks冶.Comparative analysis of the similaritiesand differences between two standards in terms of scope of application袁calculation methods袁work scope formanufacturersandpurchasers袁calculationexamples袁finiteelementmethoddescriptions袁reinforcementtypes袁andrelevantnumericalsourceswascarriedout袁anditcanprovidereferencesfortheaccurateapplicationofthestandards.Key words:storage tank曰vertical cylindrical曰tank wall曰opening曰allowable external loads曰calculation曰standard曰discussion目前袁对立式圆筒形储罐的罐壁开口许用外载荷的计算袁 国际上通行采用 API 650要2018野Welded Tanks for Oil Storage冶咱1暂渊以下简称API 650冤袁国内则采用 GB 50341要2014叶立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范曳咱2暂渊以下简称 GB50341冤遥 文中对这 2 个标准中的相关条文进行分析对比袁以期对标准的应用规则和适用范围有更深入准确的理解和应用遥 需要说明的是袁文中所出现的物理量的符号尧含义及单位均与各自相应标准相同遥第 52 卷第 6 期2023 年 11 月石油化工设备PETRO谣CHEMICAL EQUIPMENTVol.52No.6Nov.20232023 年第 52 卷石油化工设备12 个标准相同部分1.1适用范围GB 50341 附录 J 和 API 650 附录 P 都适用于直径大于 36 m 的立式圆筒形油罐罐壁开口承载的计算遥1.2计算步骤和公式GB 50341 附录 J 中的公式法和 API 650 附录P.2 中的大部分内容是一致的袁 其理论模型本质与文献咱3-4暂相同袁具体内容包括符号定义袁罐壁刚度系数 Kc尧KL尧KR的图表及计算公式袁无约束径向位移和无约束转角的计算公式袁 罐壁开口处载荷的确定袁 罐壁开口的允许外载荷计算公式及诺模图等遥22 个标准不同部分2.1适用范围GB 50341 附录 J 仅适用于直径大于 36 m 的油罐罐壁开口承载计算袁 没有提到直径小于等于36 m 的油罐罐壁开口承载计算方法遥API 650 附录 P 不仅适用于直径大于 36 m 的油罐罐壁开口承载计算袁而且指出袁当客户要求时也可以适用于直径小于等于 36 m 的油罐罐壁开口允许载荷计算遥2.2计算方法种类GB 50341 附录 J 规定了 2 种计算校核方法袁即公式法和有限元法遥API 650 附录 P.3.1.1-a冤 规定了 4 种计算校 核 方 法 袁 除 了 附 录 P.2 中 的 公 式 法 和 P.3.1.1-b冤的有限元法外袁还可以采用 WRC 297 公报方法咱5暂或 ASME-2要2017野Rules for Con-struction of Pressure Vessels Division 2要Alternative Rules冶咱6暂的方法咱7暂遥相比较而言袁API 650 的规定更加全面袁也更加方便合理遥 API 650 附录 P.2 中的公式法需要查图表袁并手工逐个计算管口袁耗时耗力遥 附录 P.3.1.1-b冤 的有限元法则需要配备专业的数值模拟软件和有经验的专业分析工程师袁 并不是所有单位都能配备足够条件加以实施遥 而 WRC 297 公报方法则比较简单袁 各设计单位都有 WRC 297 的计算软件袁 设计工程师对 WRC 的操作界面也比较熟悉袁如果输出结果在 WRC 297 的适用范围内袁其结果是可靠的遥ASME-2要2017 在 4.5.15 中明确提出了 3种方法袁即 WRC 537咱8暂渊WRC 107咱9暂的更新替代版冤和WRC297尧ASMESTP-PT-074要2015 叶LocalStresses in Nozzles in Shells and FormedHeads from External Loads曳方法咱10暂以及有限元法遥 WRC 537 和 WRC 297 方法简单直接袁如果输出结果在其适用范围内袁 结果是可靠的遥 ASMESTP-PT-074要2015 相对大部分设计工程师来说比较陌生袁 而有限元法同样存在着软件及人员的局限性遥2.3制造商和采购方工作范围GB 50341 明确了各相关数据和公式的输入数值和输出结果袁 但没有明确这些数据的来源和工作范围划分遥 例如袁 附录 J.3 中罐壁无约束条件下的径向位移和转角尧 附录 J.4 中罐壁开口处载荷 WR和 兹L的计算结果在后续 J.5 罐壁开口处载荷确定部分完全没有提及袁不知 J.3 和 J.4 的计算结果有何用途遥 另外袁 附录 J.4.1 规定袁FR尧ML与 MC应由罐壁刚度尧罐壁径向位移尧罐壁转角及管线连接的刚性与约束条件来计算确定遥 从此条文看袁FR尧ML与 MC是计算得出的袁 但这不符合工程实践遥API 650 明确了各相关数据和公式的输入数值和输出结果袁 也规定了数据的来源和工作范围划分遥 附录 P.2.8 规定了双方的工作范围袁制造商需要按照附录 P.2.4 和附录 P.2.5 将罐壁刚度系数 Kc尧KL尧KR及罐壁无约束条件下的径向位移和转角提供给采购方袁而采购方应按照附录 P.2.6 将罐壁开口处载荷提供给制造商遥 制造商还应按照附录 P.2.7 进行最终的外载荷是否超标的计算和评定遥对比分析可以得出袁GB 50341 附录 J.2.3 中的罐壁刚度系数及附录 J.3 中罐壁无约束条件下的径向位移和转角袁应该是制造商计算完毕后袁将Kc尧KL尧KR尧Wd尧兹r的计算结果提供给采购方即可遥而附录 J.4 中的 FR尧ML与 MC则应由采购方提供袁这也和工程实践经验一致遥2.4计算算例GB 50341 中没有给出计算算例袁工程人员使用时存在理解偏差和歧义的可能性遥 如果给出算例袁 将会对此规范和公式的正确使用提供良好的导向作用遥在 API 650 附录 P.2.9 中袁则提供了公制单位制和习惯单位制 2 种计算算例袁 算例的计算步骤详细尧 清晰袁 非常便于工程人员理解与参考使62窑窑用遥 尤其是在计算算例最后部分袁 通过公式反推算袁得出允许外载荷的最大许用值袁直接进行数值比较即可袁 无需在图表中插点复核袁 使用更加方便遥 此计算算例对 GB 50341 的正确使用也有很好的参考作用遥2.5有限元方法详细说明GB 50341 附录 J.1 提到也可以采用有限元应力分析法来确定管口许用外荷载袁 但没有给出具体的建模尧分析和评定标准等遥基于不同的分析人员袁其评估结果可能会有差别遥API 650 附录 P.3.2 和附录 P.3.3 提供了具体的建模尧分析和评定标准等内容袁便于分析人员统一要求和评估方法袁有利于规范化遥尤其是附录P.3.2.6 提到 野有限元法经常会出现管口接管部分在单独产品载荷下的应力超标袁但是袁此应力是自限性的且接管的应变值很小遥因此袁接管应力可以不用分析遥冶此条说明有效避免了由于考虑接管应力超标而带来的过度设计袁降低了成本袁提高了经济性遥2.6开孔处设计物料静压产生的压力载荷 FPGB 50341 附录 J.5 罐壁开口的允许外荷载公式中明确有 FP的值袁但是整个附录 J 中却没有提到 FP的具体定义和计算方法袁 尤其是在附录J.2.2 中已经有了 FR尧FL的说明袁 却唯独没有对FP的规定遥而在 API 650 附录 P.2.3 的符号定义中袁对FP明确规定了定义及计算公式袁 具体的计算公式为 FP=a2P遥2.7补强类型GB 50341 的图 J.2.3-1J.2.3-12 中分为罐壁补强板和仅管颈补强板这 2 种情况遥但是袁补强板都是在罐壁上的袁 根本不存在仅管颈补强板这种情况遥API 650 的图 P.2aP.2l 中也分为 2 种情况 袁 即 Reinforcement on Shell尧Reinforce-ment in Nozzle Neck Only遥根据专业经验袁GB 50341 的插图名称理解为罐壁补强渊罐壁多余金属补强或补强圈补强咱11暂冤尧仅接管补强 渊接管多余金属补强或者厚壁管补强咱11暂冤更为合适遥2.8FR尧ML与 MC数值来源GB 50341 附录 J.4.1 指出袁野在罐壁开口接管处袁 由外荷载产生的弹性变形应按下列公式计算遥 FR尧ML与 MC应由罐壁刚度尧罐壁径向位移尧罐壁转角及管线连接的刚性与约束条件来计算确定冶遥此段文字中的 2 个计算很容易让人误解是需要制造商计算袁 可是制造商根本就无法获得足够的相关信息来计算 FR尧ML与 MC的值遥API 650 附录 P.2.6 说明袁FR尧ML与 MC应通过管道柔性分析获得遥通过对比可以看出袁FR尧ML与 MC输入数据应由采购方提供给制造商袁 而不是由制造商自己计算得出遥3结束语API 650 和 GB 50341 中对立式圆筒形储罐罐壁开口的许用外载荷都给出了计算和校核方法袁但存在一定的差异遥 仔细理解 2 个标准制订的原理和推导步骤袁并结合算例进行复核袁对标准规范的准确使用很有帮助遥参考文献院咱1暂 Welded tanks for oil storage院API 650要2018咱S暂.咱2暂 立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范院GB 50341要2014咱S暂.咱3暂 H D Billimoria袁J Hagstrom.Stiffness coefficients andallowable loads for nozzles in flat bottom storage tanks咱J暂.Journal of pressure vessel technology袁1978袁100渊4冤院389-399.咱4暂 H D Billimoria袁K K Tam.Experimental investigationof stiffness coefficients and allowable loads for a nozzlein a flat bottom storage tank 咱J暂.Engineering袁1980袁76渊6冤院162-169.咱5暂 Local stresses in cylindrical shells due to external load鄄ing on nozzles-supplement to WRC bulletin No.107院WRC 297要1984咱S暂.咱6暂 Rules for construction of pressure vessels Division 2要Alternative rules院ASME 峪-2要2017咱S暂.咱7暂 James R Farr袁Maan H Jawad.Guidebook for the designof ASME Section 峪 pressure vessels 院2nd ed咱M暂.NewYork院ASME Press袁2001院255-275.咱8暂 Precision equations and enhanced diagrams for localstresses in spherical and cylindrical shells due toexternal loadings for implementation of WRC bulletin107院WRC 537要2010咱S暂.咱9暂 Local stress in spherical and cylindrical shells due toexternal loading院WRC 107要1965咱S暂.咱10暂 Local stresses in nozzles in shells and formed headsfrom external loads院ASME STP-PT-074要2015咱S暂.咱11暂 压力容器 第 3 部分院设计院GB 150.3要2011咱S暂.渊张编冤第 6 期樊 飞袁等院国内外标准中立式圆筒形储罐罐壁开口许用外载荷计算讨论63窑窑