蜂窝箱全接液式金属内浮盘结构设计

2014-05-11张艳来黄湘宁杨矫健曾祥国

制造业自动化 2014年10期

关键词：支腿凹槽圆盘

张艳来，罗磊,，黄湘宁，杨矫健，曾祥国

(1.中南林业科技大学，长沙 410004；2.湖南石化设备制造有限公司，长沙 410009)

蜂窝箱全接液式金属内浮盘结构设计

张艳来1，罗磊1,2，黄湘宁2，杨矫健2，曾祥国2

(1.中南林业科技大学，长沙 410004；2.湖南石化设备制造有限公司，长沙 410009)

0 引言

随着石油行业的发展，我国汽柴油等轻质油需求量不断增长，相应的新油库、新油罐建造数量也随之增多，同时，由于安全与环保意识的提高，内浮顶油罐的应用范围也得到推扩，因此内浮产品需求量也增大。

在石油的存储过程中，存在油品蒸发现象。这一方面造成了油品损耗，经济损失；另一方面污染大气环境，同时由于大部分是可燃或者是有毒气体，容易引起火灾，人员中毒等情况[1]。而采用内浮盘的主要目的是减少油气的挥发损失。根据相关资料，对于一个采用固定顶结构的3000m3的汽油储罐，按年周转50次计算，年损失油品在203t左右，而采用性能完好的内浮顶储罐时其油品损失约在2.125t[2]。

1 内浮顶介绍

内浮顶是漂浮在油罐液面上随油品上下升降的浮动顶盖。采用这种内浮顶盖覆盖在液体表面是目前公认的最理想的降低油品蒸发损耗的最经济、简单的方法。

储罐内浮盘是一种通过浮力使之随着储罐液面升降而升降的覆盖在液面上的节能环保设备。能有效的减少储罐内介质挥发，降低损耗节约能源，保护环境。目前，公知的内浮顶有浮筒式（槽盆式）与浮箱式两大类，一般由结构件、浮力件与密封件构成。浮筒式或槽盆式内浮顶的结构件、浮力件与密封件为独立元件，密封件以下均存在较大油气空间。浮箱式内浮顶虽以箱体作为浮力件和密封件，为全接液，无油气空间；但箱体为中空结构，箱体与箱体之间以连接板联接，整体强度与刚度较弱、抗冲击力较弱和密封较差。

根据目前国际行业标准[3～7]所有的内浮顶设计计算都是使用的比重为0.7 或者更低，即使实际使用时介质的比重大于0.7 时也应如此，以保证有足够的浮力。可以安全地承受至少两个人在浮顶上任意地方走动，无论是处于漂浮状态还是落在支柱上，不会使浮顶受损或使罐内储存的产品浸溢到浮顶上。内浮顶提供的浮力，设计时是按照其固定载荷的二倍，再加上用来抵消周边密封与罐壁之间、穿过浮顶接管与其密封之间的摩擦力。

2 蜂窝箱全接液式金属内浮盘设计介绍

针对现有技术的不足，设计一种全接液、整体强度与刚度大、联接简单和密封效果好的蜂窝板镶嵌式全接液金属内浮顶。

蜂窝板镶嵌式全接液金属内浮顶，包括由若干“王”字梁和若干“工”字梁纵横交叉构成的圆盘状框形支撑结构，在支撑结构的周边设有圈板构成圆盘体，圈板、“王”字梁和“工”字梁在圆盘体上形成若干单元格，在单元格内设有金属蜂窝板。该设计由于采用框形支撑结构和金属蜂窝板构成的圆盘体，具有结构简单合理、零部件少、整体强度刚度大、全接液(无油气空间)、浮力大的优点。

本设计目的采用的技术方案如下：

蜂窝板镶嵌式全接液金属内浮顶，包括由若干“王”字梁和若干“工”字梁纵横交叉构成的圆盘状框形支撑结构，在所述支撑结构的周边设有圈板构成圆盘体，所述圈板、“王”字梁和“工”字梁在圆盘体上形成若干单元格，在所述单元格内设有金属蜂窝板。圈板的内侧设有凹槽，所述金属蜂窝板镶嵌在圈板的凹槽和“王”字梁、“工”字梁的侧边凹槽内。

金属蜂窝板与所述凹槽之间设有耐油橡胶密封。圈板外侧的上边缘设有向外的凸边，在上边缘的凸边上设有密封胶带。“王”字梁的底部设有若干支腿。

本设计由于采用框形支撑结构和金属蜂窝板构成的圆盘体，具有结构简单合理、零部件少、整体强度刚度大、全接液(无油气空间)、浮力大的优点。如图1～图6所示，蜂窝板镶嵌式全接液金属内浮顶，包括由若干横向排列的“王”字梁3和若干纵向排列的“工”字梁4纵横交叉构成的圆盘状框形支撑结构，在支撑结构的周边设有圈板2构成圆盘体T，圈板2、“王”字梁3和“工”字梁4在圆盘体T上形成若干单元格，在单元格内设有金属蜂窝板1；圈板2的内侧设有凹槽6，“王”字梁和“工”字梁的侧边本身就有凹槽6，金属蜂窝板1镶嵌在圈板2的凹槽6和“王”字梁3、“工”字梁4的侧边凹槽6内，金属蜂窝板1与凹槽6之间设有耐油橡胶7密封；圈板2外侧的上、下边缘设有向外的凸边201、202，在上边缘的凸边201上设有密封胶带11；所述“王”字梁3的底部设有若干支腿10。金属蜂窝板1（如图2所示），有位于圆盘体T中部的长方形和位于圆盘体T边上弦形两种，均为中空密闭体，由底板、面板和周边封板满焊封闭而成；中空密闭体内用航空粘合剂内粘六角铝箔蜂窝芯5，经热压复合成型。金属蜂窝板1作为内浮顶的浮力件，可使本设计产品浮在储油罐的油面上无油气空间，具有单位强度高等优良性能和质轻、刚性大等诸多优点。

金属蜂窝板1与“王”字梁3、“工”字梁4合为一体，使得整体强度、刚度大；在圈板2、“王”字梁3、“工”字梁4上的凹槽6，较好地解决了金属蜂窝板1与金属蜂窝板1之间的联接与密封问题。采用“王”字梁3除了可以利用其凹槽6镶嵌金属蜂窝板1外，还可以利用其下筋板9上的翼板8方便用螺栓连接支腿10（如图3和图6所示）。

本设计产品正常工作时浮在储油罐的油面上，随油面的升降而升降，圈板2上的密封胶带11可以保证本实用新型与储油罐之间的密封。检修时，该浮盘落到罐底由支腿10支撑（如图1所示），放掉罐内的油后，工人可以利用支腿10形成的空间进行检修。

图1 结构示意图

图3 I处局部放大图

图5 B-B向视图

图6 “王”字梁与支腿连接的示意图

3 蜂窝箱全接液式金属内浮盘主要设计

3.1 主设计参数

罐径：D=Φ40000；容积：V=20000m3；储存介质：CPP；介质计算密度γ=700kg/m3。

3.2 主要结构梁的强度、刚度校核

已知：主梁自重G=4.93Kg/m2，需承受2.2kN的集中活载荷，梁长l=3m。

由于主梁受均步载荷和集中载荷，故采用叠加法来效核其强度，确定载荷并算出弯矩。

均载荷：q=4.93Kg/m×9.8m/s2=48.314N/m。集中载荷：F=2.2×103N。

由均步载荷引起的跨中弯矩：

由集中载荷引起的跨中弯矩：

惯性矩的计算：

梁的抗弯截面模量：

由均步载荷引起的跨中挠度：

由集中载荷引起的跨中挠度：

强度的效核：

故满足强度条件。

刚度效核：

由上述计算结果可知：最大挠度Qmax=7.7772mm是在许可范围之内，因此满足刚度条件。

3.3 支腿的强度和稳定性校核

3.3.1 支腿强度校核

支腿材料为304；校核长度为1800mm；横截面为外径Φ37内径Φ34；Φ40000/20000m3浮顶共有支腿250根。

按SH3046-92规定：

式中：S为荷载设计值。

GK为浮顶每一支腿上的平均荷载：

QK为附加荷载，按SH3046-92规范，取600Pa均布活荷载计算：

所以：σ压＜[σ压]抗压强度足够。

3.3.2 支腿的失稳临界压力计算

式中：PO为临界荷载（kgf）；

E为材料弹性模量（2.1×107N/cm2）；

J为支腿截面惯性矩。

式中：L为支腿校核长度；

μ为长度系数(视为二端铰支取μ=1)。则：

从以上计算可知：失稳临界压力Po=16888N大大高于荷载设计值S=5839N。

安全系数很大，所以支腿不会失稳。

3.4 浮顶的浮力分析

浮顶自重G：20810.082KG。

浮箱总面积S：1227m2。

介质密度以700kg/m3计且按GB50341-2003规范规定计算浮箱浮力。

浮顶浮力自重比：

计算显示符合GB50341-2003要求。

4 结束语

内浮盘的使用目的是减少油液在储存过程中油汽的挥发耗损，节约能源，降低安全隐患和减少环境污染。同时内浮顶能适应各种尺寸的对接罐和搭接罐，并且它本身不污染油品或化学品，能减少介质的挥发失，防止空气污染，是一种节能环保的装置。具有成本低，安装工期短，耐腐蚀性强、不占容积和使用寿命长等特点，具有很好的市场。该产品已设计、制造并在海南安装使用，根据现场情况该项目产品整体强度以及浮力都达到预期效果，内浮盘运行良好。该设计产品已申请专利保护，并且该项目获得湖南省科技型中小企业科技创新基金资助项目。

[1]焦均坚,张永杰.内浮顶在石化工业中的应用[J].企业技术开发2003,1(2).

[2]刘明福.拱顶储罐内浮顶的发展[J].石油化工设备,2004,33(1):43-47.

[3]湛卢炳,孙晋坡,陈再康.大型储罐设计[M]拱顶罐改内浮顶罐结构设计[M].上海,上海科学技术出版社,1986:190.

[4]SH 3046-92石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范[S].

[5]API标准650-2008钢制焊接储油罐[S].

[6]API650《钢制焊接石油储罐》附录H部分（第11版）.

[7]SYJ1016-82立式圆筒形钢制焊接油罐设计技术规范[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

储罐内浮盘是一种通过浮力使其漂浮在油罐液面上随油品上下升降的浮动节能环保设备。采

用这种内浮盘覆盖在液体表面是目前公认的最理想的降低油品蒸发损耗的最经济、简单的方法。由于在内浮盘在作业过程中要始终保持漂浮在液面上，因此在产品设计上一定要保证其有足够的浮力,同时要保证各个部位的连接强度及稳定性。文中就内浮产品介绍其主要结构设计，并对其进行强度、稳定性、浮力等相关方面的计算。

内浮顶；强度；稳定性；浮力