蜂窩箱全接液式金屬內(nèi)浮盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張艷來(lái)，羅 磊,，黃湘寧，楊矯健，曾祥國(guó)

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

蜂窩箱全接液式金屬內(nèi)浮盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張艷來(lái)1，羅 磊1,2，黃湘寧2，楊矯健2，曾祥國(guó)2

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

0 引言

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

在石油的存儲(chǔ)過(guò)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(jì)損失；另一方面污染大氣環(huán)境，同時(shí)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(duì)于一個(gè)采用固定頂結(jié)構(gòu)的3000m3的汽油儲(chǔ)罐，按年周轉(zhuǎn)50次計(jì)算，年損失油品在203t左右，而采用性能完好的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐時(shí)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(dòng)頂蓋。采用這種內(nèi)浮頂蓋覆蓋在液體表面是目前公認(rèn)的最理想的降低油品蒸發(fā)損耗的最經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的方法。

儲(chǔ)罐內(nèi)浮盤是一種通過(guò)浮力使之隨著儲(chǔ)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(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)揮發(fā)，降低損耗節(jié)約能源，保護(hù)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(dú)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(wú)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(qiáng)度與剛度較弱、抗沖擊力較弱和密封較差。

根據(jù)目前國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3～7]所有的內(nèi)浮頂設(shè)計(jì)計(jì)算都是使用的比重為0.7 或者更低，即使實(shí)際使用時(shí)介質(zhì)的比重大于0.7 時(shí)也應(yīng)如此，以保證有足夠的浮力。可以安全地承受至少兩個(gè)人在浮頂上任意地方走動(dòng)，無(wú)論是處于漂浮狀態(tài)還是落在支柱上，不會(huì)使浮頂受損或使罐內(nèi)儲(chǔ)存的產(chǎn)品浸溢到浮頂上。內(nèi)浮頂提供的浮力，設(shè)計(jì)時(shí)是按照其固定載荷的二倍，再加上用來(lái)抵消周邊密封與罐壁之間、穿過(guò)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(jì)介紹

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種全接液、整體強(qiáng)度與剛度大、聯(lián)接簡(jiǎn)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(jì)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(jiǎn)單合理、零部件少、整體強(qiáng)度剛度大、全接液(無(wú)油氣空間)、浮力大的優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)單合理、零部件少、整體強(qiáng)度剛度大、全接液(無(wú)油氣空間)、浮力大的優(yōu)點(diǎn)。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(zhǎng)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(jì)產(chǎn)品浮在儲(chǔ)油罐的油面上無(wú)油氣空間，具有單位強(qiáng)度高等優(yōu)良性能和質(zhì)輕、剛性大等諸多優(yōu)點(diǎn)。

金屬蜂窩板1與“王”字梁3、“工”字梁4合為一體，使得整體強(qiáng)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(wèn)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(jì)產(chǎn)品正常工作時(shí)浮在儲(chǔ)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(shí)用新型與儲(chǔ)油罐之間的密封。檢修時(shí)，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(jìn)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(jì)

3.1 主設(shè)計(jì)參數(shù)

罐徑：D=Φ40000；容積：V=20000m3；儲(chǔ)存介質(zhì)：CPP；介質(zhì)計(jì)算密度γ=700kg/m3。

3.2 主要結(jié)構(gòu)梁的強(qiáng)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(zhǎng)l=3m。

由于主梁受均步載荷和集中載荷，故采用疊加法來(lái)效核其強(qiáng)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(jì)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(qiáng)度的效核：

故滿足強(qiáng)度條件。

剛度效核：

由上述計(jì)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(qiáng)度和穩(wěn)定性校核

3.3.1 支腿強(qiáng)度校核

支腿材料為304；校核長(zhǎng)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(jì)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(jì)算：

所以：σ壓＜[σ壓]抗壓強(qiáng)度足夠。

3.3.2 支腿的失穩(wěn)臨界壓力計(jì)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(zhǎng)度；

μ為長(zhǎng)度系數(shù)(視為二端鉸支取μ=1)。則：

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

安全系數(shù)很大，所以支腿不會(huì)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(jì)且按GB50341-2003規(guī)范規(guī)定計(jì)算浮箱浮力。

浮頂浮力自重比：

計(jì)算顯示符合GB50341-2003要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)浮盤的使用目的是減少油液在儲(chǔ)存過(guò)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(shí)內(nèi)浮頂能適應(yīng)各種尺寸的對(duì)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(qiáng)、不占容積和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，具有很好的市場(chǎng)。該產(chǎn)品已設(shè)計(jì)、制造并在海南安裝使用，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況該項(xiàng)目產(chǎn)品整體強(qiáng)度以及浮力都達(dá)到預(yù)期效果，內(nèi)浮盤運(yùn)行良好。該設(shè)計(jì)產(chǎn)品已申請(qǐng)專利保護(hù)，并且該項(xiàng)目獲得湖南省科技型中小企業(yè)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目。

[1]焦均堅(jiān),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(kāi)發(fā)2003,1(2).

[2]劉明福.拱頂儲(chǔ)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(chǔ)罐設(shè)計(jì)[M]拱頂罐改內(nèi)浮頂罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].上海,上?？茖W(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(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]API標(biāo)準(zhǔn)650-2008鋼制焊接儲(chǔ)油罐[S].

[6]API650《鋼制焊接石油儲(chǔ)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(jì)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(chǔ)罐內(nèi)浮盤是一種通過(guò)浮力使其漂浮在油罐液面上隨油品上下升降的浮動(dòng)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(rèn)的最理想的降低油品蒸發(fā)損耗的最經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的方法。由于在內(nèi)浮盤在作業(yè)過(guò)程中要始終保持漂浮在液面上，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上一定要保證其有足夠的浮力,同時(shí)要保證各個(gè)部位的連接強(qiáng)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(jì)，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性、浮力等相關(guān)方面的計(jì)算。

內(nèi)浮頂；強(qiáng)度；穩(wěn)定性；浮力

張艷來(lái)（1970 -），男，副教授，博士后，主要研究方向?yàn)橄嘧儍?chǔ)能材料研究、機(jī)械裝備設(shè)計(jì)、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）