[发明专利]钢制焊接立式大型油罐

说明书

技术领域

本发明属于化工设备领域，具体涉及一种钢制焊接立式大型油罐。

背景技术

油罐是石油行业的主要设备，用于储存原油及成品石油。

随着国民经济对石油需求量的不断增加，以及国家石油储备体系的建立，原油的储存量不断增加，建造的油罐容量也不断扩大。现在我国储备原油的油罐单台容量已经达到15×10⁴ m³，国外最大的单台容量已达20×10⁴ m³，因此，单台容量20×10⁴ m³的大型油罐将成为我国今后原油储罐建设的重点（见《油气储运》杂志2013年第2期刊登的刘发安等撰写的论文《20×10⁴ m³特大型浮顶原油储罐应力分析与安全评定》介绍）。

到目前为止，国内外的油罐均为钢制焊接立式圆筒形结构，油罐由罐底、罐壁、罐顶组成，其中罐顶有固定顶及外浮顶两种。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（见GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》标准后面的“条文说明”中关于第5.2.10条的解释）。油罐的罐体上，还有盘梯、加强圈、抗风圈、人孔、排水系统、进出料接管等附件。

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，在罐壁底部将产生局部性的弯矩和横向剪力［具体见徐芝纶《弹性力学》（下册）（第4版）高等教育出版社2006年12月出版第190页顶部介绍］。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，即边缘应力，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［具体见刁玉玮等著作《化工设备机械基础》（第6版）大连理工大学出版社2006年12月出版第82~85页介绍］。

因为罐壁与罐底的T形接头处在形状上由圆筒形罐壁突变到平面形罐底，属于几何不连续结构。T型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，边缘部位最大轴向应力与周向薄膜应力的比值K称为应力集中系数，在不考虑罐底变形的情况下，T形接头处罐壁的应力集中系数K=2.05（具体见余国琮著作《化工容器及设备》天津大学出版社2003年出版第116~119页介绍）。

另外，由于T形接头的大角焊缝焊接后，焊缝内部还存在着很大的焊接残余应力［具体见中国机械工程学会焊接学会编写的《焊接手册》第3卷“焊接结构”（第3版）机械工业出版社2008年1月出版第107~108页介绍，以及《材料工程》杂志2003年第6期刊登的陈晓冬撰写的论文《压力容器中焊接残余应力的消除对策》前言部分介绍］。

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。

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（具体见前面所引的余国琮著作《化工容器及设备》第122~123页介绍）。