張艷來，羅 磊,，黃湘寧，楊矯健，曾祥國

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙 410004；2.湖南石化設(shè)備制造有限公司，長沙 410009)

蜂窩箱全接液式金屬內(nèi)浮盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

張艷來1，羅 磊1,2，黃湘寧2，楊矯健2，曾祥國2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙 410004；2.湖南石化設(shè)備制造有限公司，長沙 410009)

0 引言

隨著石油行業(yè)的發(fā)展，我國汽柴油等輕質(zhì)油需求量不斷增長，相應(yīng)的新油庫、新油罐建造數(shù)量也隨之增多，同時，由于安全與環(huán)保意識的提高，內(nèi)浮頂油罐的應(yīng)用范圍也得到推擴，因此內(nèi)浮產(chǎn)品需求量也增大。

在石油的存儲過程中，存在油品蒸發(fā)現(xiàn)象。這一方面造成了油品損耗，經(jīng)濟損失；另一方面污染大氣環(huán)境，同時由于大部分是可燃或者是有毒氣體，容易引起火災(zāi)，人員中毒等情況[1]。而采用內(nèi)浮盤的主要目的是減少油氣的揮發(fā)損失。根據(jù)相關(guān)資料，對于一個采用固定頂結(jié)構(gòu)的3000m3的汽油儲罐，按年周轉(zhuǎn)50次計算，年損失油品在203t左右，而采用性能完好的內(nèi)浮頂儲罐時其油品損失約在2.125t[2]。

1 內(nèi)浮頂介紹

內(nèi)浮頂是漂浮在油罐液面上隨油品上下升降的浮動頂蓋。采用這種內(nèi)浮頂蓋覆蓋在液體表面是目前公認的最理想的降低油品蒸發(fā)損耗的最經(jīng)濟、簡單的方法。

儲罐內(nèi)浮盤是一種通過浮力使之隨著儲罐液面升降而升降的覆蓋在液面上的節(jié)能環(huán)保設(shè)備。能有效的減少儲罐內(nèi)介質(zhì)揮發(fā)，降低損耗節(jié)約能源，保護環(huán)境。目前，公知的內(nèi)浮頂有浮筒式（槽盆式）與浮箱式兩大類，一般由結(jié)構(gòu)件、浮力件與密封件構(gòu)成。浮筒式或槽盆式內(nèi)浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)件、浮力件與密封件為獨立元件，密封件以下均存在較大油氣空間。浮箱式內(nèi)浮頂雖以箱體作為浮力件和密封件，為全接液，無油氣空間；但箱體為中空結(jié)構(gòu)，箱體與箱體之間以連接板聯(lián)接，整體強度與剛度較弱、抗沖擊力較弱和密封較差。

根據(jù)目前國際行業(yè)標(biāo)準[3～7]所有的內(nèi)浮頂設(shè)計計算都是使用的比重為0.7 或者更低，即使實際使用時介質(zhì)的比重大于0.7 時也應(yīng)如此，以保證有足夠的浮力?？梢园踩爻惺苤辽賰蓚€人在浮頂上任意地方走動，無論是處于漂浮狀態(tài)還是落在支柱上，不會使浮頂受損或使罐內(nèi)儲存的產(chǎn)品浸溢到浮頂上。內(nèi)浮頂提供的浮力，設(shè)計時是按照其固定載荷的二倍，再加上用來抵消周邊密封與罐壁之間、穿過浮頂接管與其密封之間的摩擦力。

2 蜂窩箱全接液式金屬內(nèi)浮盤設(shè)計介紹

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一種全接液、整體強度與剛度大、聯(lián)接簡單和密封效果好的蜂窩板鑲嵌式全接液金屬內(nèi)浮頂。

蜂窩板鑲嵌式全接液金屬內(nèi)浮頂，包括由若干“王”字梁和若干“工”字梁縱橫交叉構(gòu)成的圓盤狀框形支撐結(jié)構(gòu)，在支撐結(jié)構(gòu)的周邊設(shè)有圈板構(gòu)成圓盤體，圈板、“王”字梁和“工”字梁在圓盤體上形成若干單元格，在單元格內(nèi)設(shè)有金屬蜂窩板。該設(shè)計由于采用框形支撐結(jié)構(gòu)和金屬蜂窩板構(gòu)成的圓盤體，具有結(jié)構(gòu)簡單合理、零部件少、整體強度剛度大、全接液(無油氣空間)、浮力大的優(yōu)點。

本設(shè)計目的采用的技術(shù)方案如下：

蜂窩板鑲嵌式全接液金屬內(nèi)浮頂，包括由若干“王”字梁和若干“工”字梁縱橫交叉構(gòu)成的圓盤狀框形支撐結(jié)構(gòu)，在所述支撐結(jié)構(gòu)的周邊設(shè)有圈板構(gòu)成圓盤體，所述圈板、“王”字梁和“工”字梁在圓盤體上形成若干單元格，在所述單元格內(nèi)設(shè)有金屬蜂窩板。圈板的內(nèi)側(cè)設(shè)有凹槽，所述金屬蜂窩板鑲嵌在圈板的凹槽和“王”字梁、“工”字梁的側(cè)邊凹槽內(nèi)。

金屬蜂窩板與所述凹槽之間設(shè)有耐油橡膠密封。圈板外側(cè)的上邊緣設(shè)有向外的凸邊，在上邊緣的凸邊上設(shè)有密封膠帶?！巴酢弊至旱牡撞吭O(shè)有若干支腿。

本設(shè)計由于采用框形支撐結(jié)構(gòu)和金屬蜂窩板構(gòu)成的圓盤體，具有結(jié)構(gòu)簡單合理、零部件少、整體強度剛度大、全接液(無油氣空間)、浮力大的優(yōu)點。如圖1～圖6所示，蜂窩板鑲嵌式全接液金屬內(nèi)浮頂，包括由若干橫向排列的“王”字梁3和若干縱向排列的“工”字梁4縱橫交叉構(gòu)成的圓盤狀框形支撐結(jié)構(gòu)，在支撐結(jié)構(gòu)的周邊設(shè)有圈板2構(gòu)成圓盤體T，圈板2、“王”字梁3和“工”字梁4在圓盤體T上形成若干單元格，在單元格內(nèi)設(shè)有金屬蜂窩板1；圈板2的內(nèi)側(cè)設(shè)有凹槽6，“王”字梁和“工”字梁的側(cè)邊本身就有凹槽6，金屬蜂窩板1鑲嵌在圈板2的凹槽6和“王”字梁3、“工”字梁4的側(cè)邊凹槽6內(nèi)，金屬蜂窩板1與凹槽6之間設(shè)有耐油橡膠7密封；圈板2外側(cè)的上、下邊緣設(shè)有向外的凸邊201、202，在上邊緣的凸邊201上設(shè)有密封膠帶11；所述“王”字梁3的底部設(shè)有若干支腿10。金屬蜂窩板1（如圖2所示），有位于圓盤體T中部的長方形和位于圓盤體T邊上弦形兩種，均為中空密閉體，由底板、面板和周邊封板滿焊封閉而成；中空密閉體內(nèi)用航空粘合劑內(nèi)粘六角鋁箔蜂窩芯5，經(jīng)熱壓復(fù)合成型。金屬蜂窩板1作為內(nèi)浮頂?shù)母×?，可使本設(shè)計產(chǎn)品浮在儲油罐的油面上無油氣空間，具有單位強度高等優(yōu)良性能和質(zhì)輕、剛性大等諸多優(yōu)點。

金屬蜂窩板1與“王”字梁3、“工”字梁4合為一體，使得整體強度、剛度大；在圈板2、“王”字梁3、“工”字梁4上的凹槽6，較好地解決了金屬蜂窩板1與金屬蜂窩板1之間的聯(lián)接與密封問題。采用“王”字梁3除了可以利用其凹槽6鑲嵌金屬蜂窩板1外，還可以利用其下筋板9上的翼板8方便用螺栓連接支腿10（如圖3和圖6所示）。

本設(shè)計產(chǎn)品正常工作時浮在儲油罐的油面上，隨油面的升降而升降，圈板2上的密封膠帶11可以保證本實用新型與儲油罐之間的密封。檢修時，該浮盤落到罐底由支腿10支撐（如圖1所示），放掉罐內(nèi)的油后，工人可以利用支腿10形成的空間進行檢修。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 I處局部放大圖

圖5 B-B向視圖

圖6 “王”字梁與支腿連接的示意圖

3 蜂窩箱全接液式金屬內(nèi)浮盤主要設(shè)計

3.1 主設(shè)計參數(shù)

罐徑：D=Φ40000；容積：V=20000m3；儲存介質(zhì)：CPP；介質(zhì)計算密度γ=700kg/m3。

3.2 主要結(jié)構(gòu)梁的強度、剛度校核

已知：主梁自重G=4.93Kg/m2，需承受2.2kN的集中活載荷，梁長l=3m。

由于主梁受均步載荷和集中載荷，故采用疊加法來效核其強度，確定載荷并算出彎矩。

均載荷：q=4.93Kg/m×9.8m/s2=48.314N/m。集中載荷：F=2.2×103N。

由均步載荷引起的跨中彎矩：

由集中載荷引起的跨中彎矩：

慣性矩的計算：

梁的抗彎截面模量：

由均步載荷引起的跨中撓度：

由集中載荷引起的跨中撓度：

強度的效核：

故滿足強度條件。

剛度效核：

由上述計算結(jié)果可知：最大撓度Qmax=7.7772mm是在許可范圍之內(nèi)，因此滿足剛度條件。

3.3 支腿的強度和穩(wěn)定性校核

3.3.1 支腿強度校核

支腿材料為304；校核長度為1800mm；橫截面為外徑Φ37內(nèi)徑Φ34；Φ40000/20000m3浮頂共有支腿250根。

按SH3046-92規(guī)定：

式中：S為荷載設(shè)計值。

GK為浮頂每一支腿上的平均荷載：

QK為附加荷載，按SH3046-92規(guī)范，取600Pa均布活荷載計算：

所以：σ壓＜[σ壓]抗壓強度足夠。

3.3.2 支腿的失穩(wěn)臨界壓力計算

式中：PO為臨界荷載（kgf）；

E為材料彈性模量（2.1×107N/cm2）；

J為支腿截面慣性矩。

式中：L為支腿校核長度；

μ為長度系數(shù)(視為二端鉸支取μ=1)。則：

從以上計算可知：失穩(wěn)臨界壓力Po=16888N大大高于荷載設(shè)計值S=5839N。

安全系數(shù)很大，所以支腿不會失穩(wěn)。

3.4 浮頂?shù)母×Ψ治?/h3>

浮頂自重G：20810.082KG。

浮箱總面積S：1227m2。

介質(zhì)密度以700kg/m3計且按GB50341-2003規(guī)范規(guī)定計算浮箱浮力。

浮頂浮力自重比：

計算顯示符合GB50341-2003要求。

4 結(jié)束語

內(nèi)浮盤的使用目的是減少油液在儲存過程中油汽的揮發(fā)耗損，節(jié)約能源，降低安全隱患和減少環(huán)境污染。同時內(nèi)浮頂能適應(yīng)各種尺寸的對接罐和搭接罐，并且它本身不污染油品或化學(xué)品，能減少介質(zhì)的揮發(fā)失，防止空氣污染，是一種節(jié)能環(huán)保的裝置。具有成本低，安裝工期短，耐腐蝕性強、不占容積和使用壽命長等特點，具有很好的市場。該產(chǎn)品已設(shè)計、制造并在海南安裝使用，根據(jù)現(xiàn)場情況該項目產(chǎn)品整體強度以及浮力都達到預(yù)期效果，內(nèi)浮盤運行良好。該設(shè)計產(chǎn)品已申請專利保護，并且該項目獲得湖南省科技型中小企業(yè)科技創(chuàng)新基金資助項目。

[1]焦均堅,張永杰.內(nèi)浮頂在石化工業(yè)中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)2003,1(2).

[2]劉明福.拱頂儲罐內(nèi)浮頂?shù)陌l(fā)展[J].石油化工設(shè)備,2004,33(1):43-47.

[3]湛盧炳,孫晉坡,陳再康.大型儲罐設(shè)計[M]拱頂罐改內(nèi)浮頂罐結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].上海,上海科學(xué)技術(shù)出版社,1986:190.

[4]SH 3046-92石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設(shè)計規(guī)范[S].

[5]API標(biāo)準650-2008鋼制焊接儲油罐[S].

[6]API650《鋼制焊接石油儲罐》附錄H部分（第11版）.

[7]SYJ1016-82立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].

structure design of honeycomb carton full liquid metal internal floating

ZHANG Yan-lai1, LUO Lei1,2, HUANG Xiang-ning2, YANG Jiao-jiang2, ZENG Xiang-guo2

儲罐內(nèi)浮盤是一種通過浮力使其漂浮在油罐液面上隨油品上下升降的浮動節(jié)能環(huán)保設(shè)備。采

用這種內(nèi)浮盤覆蓋在液體表面是目前公認的最理想的降低油品蒸發(fā)損耗的最經(jīng)濟、簡單的方法。由于在內(nèi)浮盤在作業(yè)過程中要始終保持漂浮在液面上，因此在產(chǎn)品設(shè)計上一定要保證其有足夠的浮力,同時要保證各個部位的連接強度及穩(wěn)定性。文中就內(nèi)浮產(chǎn)品介紹其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其進行強度、穩(wěn)定性、浮力等相關(guān)方面的計算。

內(nèi)浮頂；強度；穩(wěn)定性；浮力

張艷來（1970 -），男，副教授，博士后，主要研究方向為相變儲能材料研究、機械裝備設(shè)計、干燥原理及干燥設(shè)備。

TQ116.2

A

1009-0134(2014)05(下)-0150-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).43

2014-03-01

蜂窩板鑲嵌式全接液金屬內(nèi)浮頂（13C26214304185）