儲罐設計漫談-04弱頂和微內壓
儲罐超壓時(shí)有兩個(gè)地方最易遭到破壞，一個(gè)是罐頂與罐壁連接部分，一個(gè)是罐底與最下一節罐壁連接的角縫，后者破壞會(huì )導致儲液流到其它地方造成危害。而從罐頂掀開(kāi)，使壓力得到泄放，能夠確保其部位的安全。
所以規范希望能夠設計弱頂結構，破壞時(shí)先從罐頂而不是罐底或者罐壁破壞。
什么是弱頂
API650-2013關(guān)于弱頂的要求：
(1)對于大于等于15m的儲罐需要符合以下規定：
a.錐頂斜度不超過(guò)2：12（9.5°）
b.罐頂支撐件不能與罐頂板連接。
c.罐頂與包邊角鋼的連續角焊縫不超過(guò)5mm（3/16in）。
d.結構形式按照圖F-2中的a-e
e.罐頂罐壁接頭橫截面積不超過(guò)A。
(2)對于帶錨固的儲罐，直徑在9~15m之間，需要符合以下規定：
a.儲罐高度9m及以上
b.儲罐需要符合(1)的b-e條款要求
c.規定斜度為3/4： 12
d.附件包括接管人孔，需要設計成能承受至少離底板100mm的彎矩。
(3)對于直徑小于15m的帶錨固儲罐，需要符合以下規定：
a.儲罐需要符合(1)的a-e條款要求
b.進(jìn)行彈性分析，確定空罐時(shí)筒體和底板角焊縫強度至少為1.5倍的頂部角焊縫強度， 充液時(shí)筒體和底板角焊縫強度至少為2.5倍的頂部角焊縫強度。
c.附件包括接管人孔，需要設計成能承受至少離底板100mm的彎矩。
d.底板對接焊。
任何直徑的錨固儲罐， 需要符合(1)的b-e的要求，且錨固螺栓和平衡力需要按照3倍失效壓力計算。
達到弱頂有多難
要完全符合弱頂結構非常不容易，首先斜度上的要求，拱頂儲罐頂的半徑在0.8D-1.2D,起始的角度大大超過(guò)9.5度，把所有的拱頂儲罐排除在弱頂的范圍內。
另外大直徑的儲罐，由于內/外壓所需要的截面積A比較大，而弱頂需要的截面積A比較小，經(jīng)常是矛盾的。
直徑小的儲罐，弱頂所需要的截面積太小，經(jīng)常采用最小的角鋼還是超過(guò)。
最好滿(mǎn)足的就是角焊縫的要求了，但是即使角焊縫小，也不一定是先在罐頂破壞.
對于一般的超壓，罐底比罐頂更容易破壞。
弱頂和微內壓
對于弱頂和微內壓主要需要計算如下一些面積和壓力
圖1
空罐情況下罐不被抬起的最大壓力計算
在規范中，空罐情況下罐不被抬起的最大壓力計算按照圖1的第4行計算公式計算。為了計算此值，在空罐情況下，內壓P產(chǎn)生的舉升力等于罐壁+罐頂的重量
與GB50341相比,API650Pmax要小。但是由于不再假設材料密度，所以對于其他材料（比如鋁）頂也適用。
承壓環(huán)面積和儲罐的最大設計壓力計算
在微內壓的情況下，需要承壓環(huán)保持一定的面積，保證抗壓能力。得到這個(gè)面積后，再反算一下在這個(gè)面積下，承壓環(huán)及儲罐能夠承受的最大設計壓力。（有點(diǎn)類(lèi)似反算MAWP）
承壓面積按照圖1的第二行計算，最大設計壓力按照圖1 的第三行計算。他們公式的來(lái)源推導如下：
A和Pi分別為API650-2013對承壓環(huán)面積要求，和儲罐的最大設計壓力。對比老版及GB50341的標準公式，它們原理一致。假設了鋼板材料密度為碳鋼密度，及鋼板的許用應力為135MPa。但是公式通用性沒(méi)有API650-2013強。
承壓環(huán)破壞壓力
當承壓環(huán)面積的應力達到屈服點(diǎn)時(shí)，承壓環(huán)會(huì )失效。所以需要計算頂部承壓環(huán)可能發(fā)生失效的壓力。
對比一下英制的公式：
經(jīng)過(guò)轉化：
后一項0.6*0.245DLr/D^2=0.147Dlr/D^2, 英制單位的公式符合更好點(diǎn).
弱頂面積的矛盾
弱頂的承壓環(huán)破壞壓力Pf應當小于罐底部不被抬起的最大內壓力Pmax，所以
GB50341和API650-2007，2013公式原理一致，表達略有不同，API650-2013的公式更為通用。
按照以上兩條原則，承壓環(huán)面積有個(gè)最優(yōu)面積使得兩個(gè)條件都達到。
承壓環(huán)的最優(yōu)實(shí)際面積為：
公式的含義為：
弱頂的承壓環(huán)最大面積>A實(shí)際>max(外壓所需承壓環(huán)面積，內壓所需承壓環(huán)面積)
而實(shí)際上大多數時(shí)候：
所以如果滿(mǎn)足承壓環(huán)面積小于弱頂面積，那么承壓環(huán)無(wú)法承受內外壓所需面積，從而導致矛盾，弱頂的重要一項，面積是永遠無(wú)法達到的。
此時(shí)無(wú)論如何都設計不合適的弱頂。