钢制单盘式内浮顶的设计

彭曼华

（河北都邦石化工程设计有限公司，河北石家庄 050000）

油品和各种液体化学品的储存设备—储罐，是石油化工装置和储运系统设施的重要组成部分[1]。内浮顶储罐因为具有减少蒸发损耗、取消了中央排水管和转动扶梯等易损件、减少外部环境对储存介质的影响等优点而应用广泛。在内浮顶储罐的设计过程中，内浮顶的设计十分重要。常用的内浮顶型式有浅盘式、敞口隔舱式、单盘式、双盘式和浮筒式。本文以某项目10 000m3储罐钢制单盘式内浮顶的设计为例，对单盘式内浮顶的设计过程进行了总结。

1 钢制单盘式内浮顶结构

单盘式内浮顶主要由单盘和环形密封舱两部分组成。其中单盘是一层薄钢板，使储液与外界大气隔离。环形浮舱由浮舱顶板、浮舱底板、内边缘板、外边缘板、隔板及加强框架、加强筋等组成的许多独立隔舱组合而成。

2 钢制单盘式内浮顶的设计原则

根据GB 50341—2014[2]规定，钢制单盘式内浮顶的设计应符合以下四个条件：

1）浮顶处于漂浮状态时，下表面应与储液全面接触。也即在正常操作条件下，单盘和储液之间不存在油气空间；

2）在浮顶上没有雨载荷和活载荷的情况下，单盘板和任意两个隔舱同时泄漏时，浮顶应能漂浮在液面上不沉没；

3）内浮顶的设计浮力不应小于自重的2倍；

4）在上述条件下，浮顶不应发生强度和稳定性破坏。

3 10 000m3钢制内浮顶设计举例

汽油属于甲B 类液体，一般选用内浮顶储罐储存。某项目10 000m3汽油储罐内浮顶选用钢制单盘式，现以此为例，介绍钢制内浮盘的设计过程。

3.1 基本数据

储罐内径D=30m，浮舱外径D1=29.6m，浮舱内径D2=25.2m，浮舱底板倾斜角α=0.018rad。浮舱内边缘板宽度b1=0.66m，厚度t1=0.008m；浮舱外边缘板宽度b3=0.74m，厚度t3=0.006m；浮舱顶板厚度t2=0.005m，浮舱底板厚度t4=0.006m，浮舱宽度b=2.2m，单盘板厚度t=0.006m。浮盘材质为Q235B，钢材弹性模量E=2.0×1011Pa，浮舱重量mo=38.8t，单盘重量mD=27.2t。储存介质密度ρ=750kg/m3。

以上尺寸为初选，最终尺寸需经稳定性和抗沉性校核，并考虑结构和安装因素后最终确定。

3.2 确定单盘安装高度

为保证在正常操作条件下，单盘和储液之间不存在油气空间，单盘的安装高度C 应满足Cmin＜C＜Cmax[3]。当单盘的安装高度为Cmin时，单盘所受到的浮力恰好与单盘的重量相平衡，此时单盘是水平的。若将单盘继续下降，单盘将在浮力的作用下向上凸起，这样单盘受力不好，也会影响单盘排水；当单盘的安装高度为Cmax时，液面与单盘的安装位置平齐，若将单盘继续上移，单盘与浮舱连接处将会出现油气空间，加速浮盘腐蚀。

3.2.1 单盘最低安装位置

当单盘处在最低安装位置时，单盘在理论上是水平的，没有向上或向下的挠度，单盘中心挠度为0。同时假设环形浮舱浸没深度在安装单盘前后没有变化，此时单盘的自重全部与自身受到的浮力相平衡，即

其中，T0为环形浮舱自身漂在储液上时的浸没深度，等于浮舱本身的浸没深度T0′和考虑浮舱底板倾斜角α的下沉深度增加量T0α。

P为单盘板单位面积重量

3.2.2 单盘最高安装位置

随着安装位置的提高，储液对单盘的浮力将减小，从而使得越来越多的单盘重量由浮舱承担。装上单盘以后浮舱下沉量的增加值ΔT1也会增大。当达到最高安装位置Cmax时，ΔT1达到最大值（ΔT1max），此时液面与单盘的安装位置平齐，单盘中点的浮力与单盘自重平衡，即Cmax=T0+ΔT1max。

根据单盘平衡条件，单盘安装后浮舱下沉所增加的浮力加单盘的浮力等于单盘的总重，可得出

单盘的安装高度应满足220mm ≤C≤384.4mm。可根据此范围初步确定单盘的安装高度，但浮舱结构尺寸改变后，单盘的安装高度也会有变化。因此，需确定好浮舱的结构尺寸后，再最终确定安装高度，安装高度初步定为260mm。

3.3 浮顶的抗沉性校核

为满足单盘板和任意两个隔舱同时泄漏时，浮顶能漂浮在液面上不沉没，浮顶需满足如下条件：下沉深度不大于外边缘板的高度b3，并留有一定的裕量（一般取5～10cm）。如果下沉深度大于外边缘板的高度，储液就会从浮顶外侧经外边缘板流入浮顶并灌进舱内。即应满足：b3≥T+T0α+Δ。

其中，T为环形浮舱底板倾角α=0时下沉的最大深度，等于浮舱本身的浸没深度T0′′、单盘泄漏后环形浮舱增加的下沉深度T1和隔舱泄漏后环形浮舱倾斜增加的最大下沉深度ΔT0之和，整理公式后可得，

式中，浮舱的隔仓数m=32，单个隔仓对应的中心角。

通过计算，b3=760mm＞599.7+19.5+100=719.2mm。外边缘板尺寸满足要求。

3.4 设计浮力与浮顶自重的校核

当设计浮力为2倍的浮顶自重时，不计单盘因自身挠度产生的浮力，浮盘的下沉深度可由下式计算得出

经过计算，浮盘下沉深度为696mm ＜760mm，满足要求。

3.5 浮顶的强度及稳定性校核

浮顶的强度及稳定性需校核单盘的强度、浮舱的强度、环形浮舱的整体稳定性（包括浮舱平面稳定性和侧面稳定性）和环形浮舱截面的承载能力（包括顶板、底板的径向应力和内外边缘板的总环向应力）。根据文献一和文献三中的公式进行计算，结果见表1所示

通过计算可知，外边缘板环向应力不满足要求，需在外边缘板上设置加强筋。因此，在外边缘板中心处设置50×5的角钢加强筋，经计算设置加强筋后，σcr1=355.3MPa，σcr3=199.8MPa 均大于[σ]值，浮舱稳定性合格。

表1 浮顶强度及稳定性校核结果合

4 结语

GB 50341—2014中仅给出了单盘式内浮顶的设计准则，并未给出具体的计算方法，参考文献一和参考文献三中也仅给出了单盘式外浮顶的计算方法，并未给出单盘式内浮顶的计算方法。本文根据单盘式内浮顶的设计准则并结合参考文献计算方法，总结了单盘式内浮顶的设计方法和设计思路。