船用水泥罐結(jié)構(gòu)分析與選型

方光才

(上海打撈局蕪湖潛水裝備廠,安徽蕪湖 241001)

0 引言

船用水泥輸送系統(tǒng)的功能是裝卸、運(yùn)輸、貯存干粉水泥、膨潤土、重晶石等物料,供海上鉆井平臺施工等使用,一般操作壓力在0.6MPa以下。作為輸送系統(tǒng)中貯存干粉物料的壓力容器——水泥罐,一般采用碳鋼制立式圓柱形,設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa,直徑一般為 3 200～4 800mm,長徑比多在 1.1～1.5之間。為了裝卸干粉類物料,需要使干粉物料流動起來,并通過高壓氣流的吹攪使散料混合成為霧狀,并均勻流向罐底部中心最低點(diǎn)處。由于水泥罐是盛裝水泥、膨潤土、重晶石等干粉物料的壓力容器,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足一般壓力容器的要求外,更應(yīng)注重滿足系統(tǒng)功能的工藝要求,具體體現(xiàn)在管口的設(shè)置、下部封頭內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。故在水泥罐內(nèi)底部需設(shè)計(jì)成一定角度的斜滑板結(jié)構(gòu),這樣能使罐內(nèi)霧化的水泥等物料依靠自身重力流向罐體內(nèi)部中心處,以便卸載。在斜滑板上部或板間隔之間裝有流體帆布,供從罐底通入的壓縮空氣透過流體帆布吹攪物料用。

裝卸物料的效率主要取決于盛裝物料容器的自身結(jié)構(gòu)和輸送系統(tǒng)管路的設(shè)計(jì)。此外還受許多因素影響,如物料自身的密度、容器內(nèi)的壓力、通入容器內(nèi)空氣的流量以及卸料彎管的直徑等。但就水泥罐本身而言,采用何種結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)最為經(jīng)濟(jì)合理,是首先要考慮的問題。

水泥罐置于船艙內(nèi),占有相當(dāng)大的艙室空間。為了提高艙室空間內(nèi)的有效利用率,提高運(yùn)營效率,在設(shè)計(jì)水泥罐時,必須考慮選用水泥罐的形式、長徑比的大小。為此作者在實(shí)際工作中統(tǒng)計(jì)比較了國內(nèi)外實(shí)際制造并投入運(yùn)營的四大類型、三十多種規(guī)格的水泥罐,通過計(jì)算直接反映水泥罐制造、運(yùn)營成本的兩個經(jīng)濟(jì)性參數(shù)——容重和空間容積有效利用率,進(jìn)行比較并綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造安裝、使用維護(hù)等多方面因素,最終推薦出較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的水泥罐結(jié)構(gòu)形式及長徑比,供設(shè)計(jì)者參考使用。

1 兩個經(jīng)濟(jì)性參數(shù)的概念

(1)容重為水泥罐等貯存類壓力容器單位有效裝料容積的自重,等于水泥罐凈重與有效裝料容積的比值。其中有效裝料容積即為容器可供盛裝物料的實(shí)際容量。

(2)空間容積有效利用率為容器單位占用空間的有效裝料容積百分比,等于容器有效裝料容積與空間占有容積的百分比值。其中空間占有容積即為容器自身所占有的空間容積,主要取決于其自身的外形最大容積尺寸。

2 常用水泥罐的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

水泥罐一般由本體、接管、下封頭內(nèi)部組合件、人孔四大部分組成。其中本體部分包括上封頭、下封頭、筒節(jié)和支腿。有的筒體下部多帶一錐形筒體(或稱錐封頭)。目前國內(nèi)外較流行的水泥罐結(jié)構(gòu)形式主要有以下四種形式,如圖 1所示?，F(xiàn)就其主要特點(diǎn)分述如下。

2.1 Ⅰ型(單腔人字滑板式)

此種水泥罐下封頭的內(nèi)部一般裝有 6塊呈人字形結(jié)構(gòu)的滑板,滑板下部封頭與筒體內(nèi)未被分隔而是一個通腔室,故只有一個進(jìn)氣口。人字滑板間隔分別裝有流體帆布,供通入吹攪物料用壓縮空氣。其主要特點(diǎn)是:人字形滑板結(jié)構(gòu)使物料很容易滑(流)向底部中心處,而在滑板的上部無任何堆積,這樣更便于卸料,能使料出得很干凈。此種結(jié)構(gòu)水泥罐制造最容易,成本最低,安裝、維護(hù)最方便。此類罐(碳鋼制)的容重平均為202 kg/m3左右;空間容積有效利用率一般為 (78～79)%,平均為78.5%;一般長徑比為1.1～1.5之間,推薦使用1.2～1.5,并盡可能大一些。

圖1 水泥罐結(jié)構(gòu)形式

2.2 Ⅱ型(多腔斜板式)

此種形式的水泥罐下封頭的內(nèi)部一般裝有 12塊下斜板和 24塊上斜板以及內(nèi)部中心位置裝有一圓形圈板,上、下斜板分別開有一定數(shù)量和大小的通氣孔,供蒙覆在上面的流體帆布通入吹攪物料的壓縮空氣。封頭下部多用徑向隔板和圓形圈板分隔為3個獨(dú)立的壓力腔室(個別還有 6腔室、8腔室不等),如圖2所示。使用時有 3個進(jìn)氣口,分別向 3個腔室通入壓縮空氣。此種水泥罐的主要特點(diǎn)是:下部封頭內(nèi)的斜滑板傾斜角度稍小且數(shù)量多、進(jìn)氣口及控制閥件也較多,故結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,制造稍難,成本稍高且卸料效果略差。此類罐(碳鋼制)的容重平均為209 kg/m3左右;空間容積有效利用率一般為(70～78)%,平均為75%;一般長徑比為0.69～3.38,推薦使用 1.2～1.5,并盡可能大一些。

2.3 Ⅲ型(單腔外錐斜板式)

圖2 壓力腔室簡圖

此種形式的水泥罐外形與其他形式略有不同,在筒節(jié)與下封頭間多一個錐筒,因而下封頭較小,一般直徑只有2 000mm。下封頭的內(nèi)部只裝有12塊斜板,斜板上開有一定數(shù)量和大小的通氣孔,供蒙覆在上面的流體帆布通入吹攪物料的壓縮空氣。斜板下部封頭內(nèi)未被分隔而是一個通腔室,故只有一個進(jìn)氣口。此種水泥罐主要特點(diǎn)是:需要一定的安裝高度,一般空間利用率較低,造價略高,但裝卸料效率高,出料凈。此類罐(碳鋼制)的容重平均為193 kg/m3左右;空間容積有效利用率一般為(51～73)%,平均為66%;一般長徑比為1.14～1.76,推薦使用1.5～1.8。

2.4 Ⅳ型(單腔內(nèi)錐筒式)

此種形式的水泥罐在罐內(nèi)部筒節(jié)與下封頭間多1個內(nèi)錐筒,在錐筒下部裝有骨架支撐,支撐上面蒙覆流體帆布以供吹攪物料的壓縮空氣通入。錐筒下部封頭內(nèi)未被分隔而是一個通腔室,故只有一路總進(jìn)氣口。此種水泥罐的主要特點(diǎn)是:在罐內(nèi)部錐筒及支撐骨架上還裝有很多閥件,結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜,制造、維護(hù)成本最高,但裝卸料效果好,出料凈。此類罐(碳鋼制)的容重平均為234kg/m3左右;空間容積有效利用率一般為(68～78)%,平均為73%;一般長徑比在1.0～1.3之間,推薦使用1.2～1.5,并盡可能大一些。

3 經(jīng)濟(jì)性參數(shù)對比

綜上所述,各種水泥罐都各有其特點(diǎn),除了必須滿足用戶使用及功能性要求外,水泥罐的設(shè)計(jì)還須做到安全、可靠,經(jīng)濟(jì)、合理,即盡可能提高空間有效利用率,降低容重,減少制造、維護(hù)成本,并使得裝料效率高、出料快而凈,從而達(dá)到高運(yùn)營效率和經(jīng)濟(jì)效益之目的。四種罐的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)對比見表 1。

表1 四種罐體經(jīng)濟(jì)性參數(shù)對比表

此外,在進(jìn)行水泥罐設(shè)計(jì)時,應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的需要考慮使用幾臺罐和單臺罐的具體結(jié)構(gòu)形式以及適宜的長徑比。系統(tǒng)所需水泥罐的數(shù)量一般為偶數(shù),即2、4,少數(shù)為 6、8。推薦常用水泥罐的直徑為 3 700～4 200mm,長徑比應(yīng)在 1.2～1.5之間,并盡可能大些。