大型储罐设计计算中的抗震验算

摘要：介绍了石油化工大型储罐设计计算中容易被忽视的抗震计算等重要内容，用实例说明了抗震计算的程序和步骤，该方法可简化计算过程，提高设计效率，提高大型储罐设计的安全性和可靠性。

关键词：大型储罐；设计计算；抗震验算；可靠性

中图分类号： TU973+.31 文献标识码： A

抗震设计是大型储罐设计的重要环节。由于储罐抗震性能不好加之抗震措施不到位，因而在近年来国内外发生的地震灾害中，储罐的地震危害屡见不鲜。更为严重的是储罐的损坏有时还伴随着火灾、爆炸和环境污染等次生灾害发生。因此，大型储罐在设计计算中，抗震验算不容忽视。

一、大型储罐设计中的抗震验算方法

在设计大型储罐时，设计者往往根据 GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》，根据储罐的设计温度、油品腐蚀特性、材料使用部位、材料的化学成分、力学性能、焊接性能及安全可靠性和经济合理性选用各部分的材料后，计算各圈壁板厚度、核算罐壁筒体许用临界压力以确定抗风圈的设置，确定罐顶与罐壁连接的有效面积等设计规范正文中所涉及到的设计计算，附录D中给出了储罐的抗震计算，但笔者发现该抗震计算方法并不完善，而GB50761-2012《石油化工钢制设备抗震设计规范》中则给出了相对比较完善的抗震计算。本文结合不久前完成的10000原油储罐的抗震验算，探讨大型储罐的抗震验算方法。

设计条件:储罐直径D=28000mm;罐壁高度H=18000mm;最大液面高度=16800mm;储液密度=780;储罐材质:Q345R;罐壁距底板1/3高度处的名义厚度=10mm;油罐内半径R=14000mm;储罐内储液总量:储罐内储液总量=8070000kg;底圈壁板有效厚度=12.7mm;底圈罐壁材料设计温度下弹性模量=197000MPa;罐壁底部垂直荷载=182000kg;抗震设防烈度:7度(0.1g);重力加速度g=9.81;设计地震分组:第一组;场地类别:Ⅱ.

1、自振周期

1.1 储罐的罐液耦连振动基本周期 =

根据D/Hw=1.667查规范表10.2.1用插入法得=0.428×10-3代入上式，得≈0.269s

1.2 储液晃动基本自振周期 =2π≈5.601

2、水平地震作用及效应

2.1 水平地震影响系数α按下图计算(α小于0.05时,应取0.05):

Ⅰ. 当 T≤0.1s 时α=0.45+10(-0.45)T

Ⅱ. 当 0.1s＜T≤ 时α=

Ⅲ. 当 ＜T≤5 时 α=

Ⅳ. 当 5＜T≤15 时 α=[- (T-5)]

其中：水平地震影响系数最大值 (查表4.2.1)=0.23

特征周期 (查表3.2.3)=0.35s

储罐的阻尼比ζ=0.04

曲线下降段的衰减指数:γ=0.9+(0.05-ζ)/(0.3+6ζ)=0.9185

阻尼调整系数(小于0.55时,应取0.55):=1+(0.05-ζ)/ (0.08+1.6ζ)=1.0694

直线下降段的下降斜率调整系数 (小于0时,应取0):

当T≤6.0s时 =0.02+(0.05-ζ)/ (4+32ζ)=0.0219

当T＞6.0s时 =(-0.03)/ 14=0.0153

因为 T=0.269s 所以=0.0219 而 =0.35s 因此该储罐地震属于Ⅱ类情况，

故 α==0.246

2.2 储罐的水平地震作用力 =ηαφg

其中：设备重要度系数η(查表3.1.2)=1.00

动液系数φ:

当/R≤1.5时 φ=tanh(R/)/(R/)=0.6196

当/R＞1.5时 φ=1-0.4375R/=0.6354

因为/R=1.20 所以 φ=0.6196 故 =ηαφg=12066157 N

2.3 水平地震作用下储罐底面的倾倒力矩 =0.45=3.6488x N·mm

其中：地震作用调整系数=0.4

3、罐壁竖向稳定许用临界应力

3.1 第一圈罐壁（自下往上计）的竖向稳定临界应力:

=0.0915(1+0.0429)(1-0.1706/H)/=15.7 MPa

其中：第一圈罐壁的平均直径=28012.7mm

3.2 第一圈罐壁的稳定许用临界应力:==10.46 MPa

二、罐壁的抗震验算

1、罐底周边单位长度上的力

1.1 罐底周边单位长度上的提离力:==59.20 N/mm

1.2 罐底周边单位长度上的提离反抗力:==84.89 N/mm

其中：为储罐和罐底的最大提离反抗力:

=min｛，｝=64.6 N/mm

=64.6N/mm=72.0N/mm

罐底环形边缘板的有效厚度=9.7mm,罐底环形边缘板材料的屈服强度=345MPa

2、无锚固储罐的罐壁底部竖向压应力

2.1 当≤时，==6.26 MPa

2.2 当＜≤2时，==6.29 MPa

2.3 当＞2或时，可采取下列措施中的一项或多项，并重复本条第1款和第2款计算，直到满足要求为止:

①减小储罐高径比；

②加大第一圈罐壁的厚度；

③加大罐底环形边缘板的厚度；

④采用地脚螺栓把储罐锚固在基础上。

2.4 结果判定:

=59.20N/mm＜=84.89N/mm（属于2.1情况）=6.26MPa＜=10.46MPa 合格

3、锚固储罐抗震验算

3.1 罐壁底部竖向压应力:==6.26 MPa

其中：第一圈罐壁的截面积 =π=1117660

第一圈罐壁的横截面抵抗矩 =0.785=7.8232x

=6.26MPa＜=10.46MPa 合格

3.2 地脚螺栓拉应力:==67.81 MPa

其中：地脚螺栓拉应力,若计算值小于0,表示不需锚固.

地脚螺栓的中心圆直径=28250mm地脚螺栓的个数n=36

一个地脚螺栓(M48)的有效截面积=1385

地脚螺栓抗震许用应力，根据4.7.2确定为170MPa

=67.81MPa＜=170MPa 合格

4、液面晃动波高

4.1 水平地震作用下罐内液面晃动波高:

=1.5(=113 mm

4.2 最大液面高度至罐壁顶部的距离应大于液面晃动波高。

H-=1200mm＞=113mm 合格

三、结论

通过算例表明，本文所提出的抗震设计方法，能够更加准确地考虑储罐的抗震设计问题。大型储罐抗震计算方法很多，但上述设计计算是优先选用的方法，其它方法可以作为它的补充和计算精确度的验证。

参考文献

[1] GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》

[2] GB50761-2012《石油化工钢制设备抗震设计规范》

[3]《化工设备设计全书》之—《球罐和大型储罐》