风载荷对油罐倾倒力矩的计算方法

张浩 (中国石油天然气管道局天津设计院，天津 300457)



风载荷对油罐倾倒力矩的计算方法

张浩 (中国石油天然气管道局天津设计院，天津 300457)

在GB 50341-2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》的“油罐抗风稳定性计算及锚固设计”中，仅给出了油罐不发生倾倒的力矩要求，具体各个力矩的计算方法并没有明确给出，这对油罐抗风稳定性计算造成了很大的困难。为此，提出了抗风稳定性计算中所需力矩的具体计算公式，特别是推导出了水平和垂直风压对罐壁罐底接合点倾倒力矩的计算方法，为油罐设计提供了重要参考。

油库油罐；抗风稳定性；风压；倾倒力矩；计算方法

立式圆筒形钢制焊接油罐是国内的石油化工生产中重要的设备类型。在GB50341-2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》[1]中，增加了“油罐抗风稳定性计算及锚固设计”章节，但其中并未详细论述具体的计算方法，仅给出了未锚固罐倾倒校核计算时不发生倾倒的要求，具体力矩的计算公式并未提到。这就造成了在油罐设计过程中该部分相关计算结果难以得出，成为油罐设计计算中的一个盲区。为此，笔者寻求油罐抗风稳定性计算中所需力矩的具体计算方法。

1 油罐抗风稳定性计算问题

注：a为罐壁风载荷(PWS)，Pa；b为风压上举载荷(PWR)，Pa；c为内压上举载荷，Pa；d为罐壁重量和罐顶支撑件重量(不包括罐顶板)，kg；e为罐顶板及其上附件重量，kg；f为罐壁罐底接合点(力矩平衡点)；H1为罐壁高度，m；D为油罐直径，m。

在GB50341-2014中，关于抗风稳定性的规定如下：未锚固罐倾倒校核计算，当油罐不发生倾倒时，应满足：

0.6MW+Mpi

MW+Mpi<(MDL+MF)/2+MDLR

(1)

式中,MW为水平和垂直风压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩，N·m；Mpi为设计内压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩，N·m；MDL为罐壁重量和罐顶支撑件重量(不包括罐顶板)对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩，N·m；MDLR为罐顶板及其上附件重量对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩，N·m；MF为储液重量对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩，N·m。

根据未锚固罐所受的载荷(见图1)可知：

(2)

(3)

(4)

式中，g为重力加速度，m/s2。

MF在GB50341-2014中已经给出了具体的计算公式。现在的关键问题是如何计算MW。

2 MW的计算

在GB50341-2014中， MW被拆解为水平风压对罐壁罐底结合点的倾倒力矩(MWS)和垂直风压对罐壁罐底结合点的倾倒力矩(MWR)，即MW=MWS+MWR。同时，定义MWS为由PWS引起的对罐壁罐底结合点的倾倒力矩：

(5)

定义MWR为由PWR引起的对罐壁罐底结合点的倾倒力矩：

(6)

式中,PWS为作用于罐壁上的水平风载荷，Pa；PWR为作用于罐顶部的举升风载荷，Pa。

由此，MW的计算问题变成了求解PWS和PWR。PWS和PWR的计算公式在GB50341-2014中并未明确给出，但是在附录F中有关于设计风压的描述：W为设计风压，w0为风载荷的基准压力，在圆柱状罐壁垂直投影面上W=1.23w0，在锥顶和双曲面固定顶水平投影面上W=2.06w0。由此可以推测，在圆柱状罐壁垂直投影面上的设计风压W=1.23w0就是PWS, 在锥顶和双曲面固定顶水平投影面上的设计风压W=2.06w0就是PWR。

根据API650-2013《焊接石油储罐》[2]的规定，可以得到：

(7)

(8)

式中,V为风速，km/h；系数单位为kg/m3。API650-2013中风载荷的基准压力是根据离地约10m高处的3s阵风风速V计算的；而GB50341-2014中风载荷的基准压力一般按当地平台地面10m高度10min的平均风速观测数据，经概率统计得出50年一遇确定的最大风速，再乘以相应的空气密度。

根据文献[3]，经过计算可得国内外风速的转换比例：

美国3s瞬时风速=1.58×国内10min平均风速

(9)

则当国内风载荷的基准压力为w0时，转换为国外风速：

(10)

由此可得：

(11)

(12)

(13)

(14)

最后，根据MW=MWS+MWR即可求得水平和垂直风压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩MW。

3 实例验证

2015年大港油田采油六厂羊中心站6#罐大修项目，具体为拆除原5000m3多功能罐，并在原址新建一座5000m3多功能罐。该项目的国内风载荷的基准压力w0=550Pa，油罐直径D=23.7m，罐壁高H=12.5m为拱顶罐。下面将重点说明水平和垂直风压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩MW的计算过程，并对比与原油罐(无抗风锚固计算时)的不同情况。

对于新建的5000m3多功能罐，根据式(11)～(14)可以计算出：

PWS=1.23w0=0.68(kPa)

PWR=2.06w0=1.13(kPa)

MW=MWS+MWR=7163290(N·m)

为了核实上述结果，应用TANK软件进行了验算。TANK软件关于MWS和MW的计算结果如下：

Moment about shell-to-bottom joint [MWS]:

= 18. * Vfact (D + Insulation)*H^2 / 2

= 18. * 0.7676 (77.8 + 0.0 )*41.0^2/2

= 900854.7 ft.lb[1221342.8N·m]

Moment about shell-to-bottom joint[MW]:

= MWS + Wind Uplift*VArea*D / 2

= 900854 + 0.1599*683784*77.8/2

= 5152154.0 ft.lb[6985084.5N·m]

可见根据式(13)和式(14)计算的MW与TANK软件计算的结果差别很小。

另外，根据项目的其他设计条件，应用式(2)～式(4)可以求得：

Mpi=10455262(N·m)

MDL=6690632(N·m)

MDLR=3367770(N·m)

MF=25885288(N·m)

通过上述计算得出：

0.6MW+Mpi>MDL/1.5+MDLR

MW+Mpi<(MDL+MF)/2+MDLR

(15)

式(15)表明，当考虑油罐抗风稳定性时，需要对油罐进行锚固设计。故而在该项目中对油罐增加了锚固螺栓，以确保罐体不会发生倾倒。原油罐没有锚固设计，这样就纠正了原项目不严谨的部分。

4 结语

用GB50341-2014附录F中的设计风压1.23ω0和2.06ω0分别代替“油罐抗风稳定性计算及锚固设计”中的PWS和PWR对水平和垂直风压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩MW进行了计算。相对于原来的设计方法，在抗风稳定性中考虑了风载荷对油罐的倾倒力矩，极大地增加了油罐的安全性，为以后的国内油罐设计提供了重要参考。

[1]立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范，GB50341-2014[S].

[2]焊接石油储罐，AP650-2013[S].

[3]刘德平，赵永胜，陈全勇，等.国内外基本风速标准的比较研究[J].电力勘测设计，2013(2):30～33.

[编辑] 张涛

2016-09-16

中国石油天然气集团公司科技专项(H201104006)。

张浩(1989-)，男，助理工程师，现主要从事油气储运机械设备设计方面的研究工作；E-mail:zzzhanghao@cnpc.com.cn。

TE972.102

A

1673-1409(2016)34-0074-03

[引著格式]张浩.风载荷对油罐倾倒力矩的计算方法[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(34)：74～76.