无T形接头及大角焊缝的钢制焊接超大型油罐.pdf

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1、754化工机械2016正无T形接头及大角焊缝的钢制焊接超大型油罐倪永良4崔琴王海范(江苏省化工设备制造安装有限公司)摘要设计了一种无T形接头及大角焊缝的钢制焊接超大型油罐，在罐壁与罐底环形边缘板之间增加了过渡连接圈，使圆筒形罐壁通过弧形过渡段圆滑过渡到平面形罐底，这种结构可以明显降低罐壁与罐底连接部位的边缘应力，排除了整个油罐的主要危险点，可使超大型油罐能够安全运行。关键词超大型油罐T形接头大角焊缝低周疲劳提离运动象足屈曲抗震性能中图分类号TQ053．2文献标识码A文章编号0254—6094(2016)06-0754-05随着国民经济对石油需求量的不断增加，以及国家石油

2、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。现在我国新建的储备原油的油罐，单台容量都在10×104m3以上，有的已经达到15×104m3，国外最大的单台容量已经超过20×104m3。因此，单台容量20×104m3的超大型油罐将成为我国今后原油储罐建设的重点⋯。现行的油罐设计规范标准主要有：我国的GB50341．2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》旧1、美国的API650-2013《焊接石油储罐》[33、13本的JIsB8501—2013《焊接的钢制石油储罐》”1、英国的BS2654．19974石油工业立式钢制焊接油罐》"。，其中采用最广泛的是美

3、国石油学会标准API650-2013。到目前为止，国内外的油罐均为钢制焊接立式圆筒形结构，罐体由罐底、罐壁和罐顶组成，其中罐顶有固定顶和外浮顶两种，大型和超大型的油罐采用外浮顶；容积在10×104m3以上的超大型油罐，因为消防的要求，目前罐壁的高度一般为22m左右；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。有关专家对油罐上T形接头区域及大角焊缝部位所作的应力分析以及对该区域安全性状况进行了评价，认为T形接头区域是整个油罐的主要危险点，给油罐的安全运行带来很大的危害。针对上述危害的情况，笔者设计了一种无T形接头及

4、大角焊缝的钢制焊接超大型油罐。1现行油罐上T形接头区域的载荷及大角焊缝部位的应力状况1．1T形接头区域承受的载荷油罐内充满油品后，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‘6。，在罐壁底部将产生局部性的弯矩和横向剪力。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(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⋯。因为罐壁与罐底的T形接头处在形状上

5、由圆筒形罐壁突变到平面形罐底，属于几何不连续结构。T形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⋯。1．2大角焊缝部位的应力状况由于T形接头的大角焊缝焊接后，焊缝内部t倪永良，男，1959年1月生，高级工程师，总工程师。江苏省常州市，213002。第43卷第6期化工机械755存在着很大的焊接残余应力"1，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㈣111。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

6、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‘8

7、。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GB50341-2014第5．2．10条要求和该标准后面所附的“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

8、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⋯1。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。未焊透和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¨1，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¨0’”1。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(GB50341．2014、API650-2013、JISB8501-2013)对该部位大角焊缝的结构和尺寸均提出了