储罐设计漫谈-04弱顶和微内压

储罐超压时有两个地方最易遭到破坏，一个是罐顶与罐壁连接部分，一个是罐底与最下一节罐壁连接的角缝，后者破坏会导致储液流到其它地方造成危害。而从罐顶掀开，使压力得到泄放，能够确保其部位的安全。

所以规范希望能够设计弱顶结构，破坏时先从罐顶而不是罐底或者罐壁破坏。

什么是弱顶

API650-2013关于弱顶的要求：

(1)对于大于等于15m的储罐需要符合以下规定：

a.锥顶斜度不超过2：12（9.5°）

b.罐顶支撑件不能与罐顶板连接。

c.罐顶与包边角钢的连续角焊缝不超过5mm（3/16in）。

d.结构形式按照图F-2中的a-e

e.罐顶罐壁接头横截面积不超过A。

(2)对于带锚固的储罐，直径在9~15m之间，需要符合以下规定：

a.储罐高度9m及以上

b.储罐需要符合(1)的b-e条款要求

c.规定斜度为3/4： 12

d.附件包括接管人孔，需要设计成能承受至少离底板100mm的弯矩。

(3)对于直径小于15m的带锚固储罐，需要符合以下规定：

a.储罐需要符合(1)的a-e条款要求

b.进行弹性分析，确定空罐时筒体和底板角焊缝强度至少为1.5倍的顶部角焊缝强度， 充液时筒体和底板角焊缝强度至少为2.5倍的顶部角焊缝强度。

c.附件包括接管人孔，需要设计成能承受至少离底板100mm的弯矩。

d.底板对接焊。

任何直径的锚固储罐， 需要符合(1)的b-e的要求，且锚固螺栓和平衡力需要按照3倍失效压力计算。

达到弱顶有多难

要完全符合弱顶结构非常不容易，首先斜度上的要求，拱顶储罐顶的半径在0.8D-1.2D,起始的角度大大超过9.5度，把所有的拱顶储罐排除在弱顶的范围内。

另外大直径的储罐，由于内/外压所需要的截面积A比较大，而弱顶需要的截面积A比较小，经常是矛盾的。

直径小的储罐，弱顶所需要的截面积太小，经常采用最小的角钢还是超过。

最好满足的就是角焊缝的要求了，但是即使角焊缝小，也不一定是先在罐顶破坏.

对于一般的超压，罐底比罐顶更容易破坏。

弱顶和微内压

对于弱顶和微内压主要需要计算如下一些面积和压力

图1

空罐情况下罐不被抬起的最大压力计算

在规范中，空罐情况下罐不被抬起的最大压力计算按照图1的第4行计算公式计算。为了计算此值，在空罐情况下，内压P产生的举升力等于罐壁+罐顶的重量

与GB50341相比,API650Pmax要小。但是由于不再假设材料密度，所以对于其他材料（比如铝）顶也适用。

承压环面积和储罐的最大设计压力计算

在微内压的情况下，需要承压环保持一定的面积，保证抗压能力。得到这个面积后，再反算一下在这个面积下，承压环及储罐能够承受的最大设计压力。（有点类似反算MAWP）

承压面积按照图1的第二行计算，最大设计压力按照图1 的第三行计算。他们公式的来源推导如下：

A和Pi分别为API650-2013对承压环面积要求，和储罐的最大设计压力。对比老版及GB50341的标准公式，它们原理一致。假设了钢板材料密度为碳钢密度，及钢板的许用应力为135MPa。但是公式通用性没有API650-2013强。

承压环破坏压力

当承压环面积的应力达到屈服点时，承压环会失效。所以需要计算顶部承压环可能发生失效的压力。

对比一下英制的公式：

经过转化：

后一项0.6*0.245DLr/D^2=0.147Dlr/D^2, 英制单位的公式符合更好点.

弱顶面积的矛盾

弱顶的承压环破坏压力Pf应当小于罐底部不被抬起的最大内压力Pmax，所以

GB50341和API650-2007，2013公式原理一致，表达略有不同，API650-2013的公式更为通用。

按照以上两条原则，承压环面积有个最优面积使得两个条件都达到。

承压环的最优实际面积为：

公式的含义为：

弱顶的承压环最大面积>A实际>max(外压所需承压环面积，内压所需承压环面积)

而实际上大多数时候：

所以如果满足承压环面积小于弱顶面积，那么承压环无法承受内外压所需面积，从而导致矛盾，弱顶的重要一项，面积是永远无法达到的。

此时无论如何都设计不合适的弱顶。