鋼制單盤式內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)

彭曼華

（河北都邦石化工程設(shè)計(jì)有限公司，河北石家莊 050000）

油品和各種液體化學(xué)品的儲(chǔ)存設(shè)備—儲(chǔ)罐，是石油化工裝置和儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)施的重要組成部分[1]。內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐因?yàn)榫哂袦p少蒸發(fā)損耗、取消了中央排水管和轉(zhuǎn)動(dòng)扶梯等易損件、減少外部環(huán)境對儲(chǔ)存介質(zhì)的影響等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。在內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)過程中，內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)十分重要。常用的內(nèi)浮頂型式有淺盤式、敞口隔艙式、單盤式、雙盤式和浮筒式。本文以某項(xiàng)目10 000m3儲(chǔ)罐鋼制單盤式內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)為例，對單盤式內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)過程進(jìn)行了總結(jié)。

1 鋼制單盤式內(nèi)浮頂結(jié)構(gòu)

單盤式內(nèi)浮頂主要由單盤和環(huán)形密封艙兩部分組成。其中單盤是一層薄鋼板，使儲(chǔ)液與外界大氣隔離。環(huán)形浮艙由浮艙頂板、浮艙底板、內(nèi)邊緣板、外邊緣板、隔板及加強(qiáng)框架、加強(qiáng)筋等組成的許多獨(dú)立隔艙組合而成。

2 鋼制單盤式內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)原則

根據(jù)GB 50341—2014[2]規(guī)定，鋼制單盤式內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)應(yīng)符合以下四個(gè)條件：

1）浮頂處于漂浮狀態(tài)時(shí)，下表面應(yīng)與儲(chǔ)液全面接觸。也即在正常操作條件下，單盤和儲(chǔ)液之間不存在油氣空間；

2）在浮頂上沒有雨載荷和活載荷的情況下，單盤板和任意兩個(gè)隔艙同時(shí)泄漏時(shí)，浮頂應(yīng)能漂浮在液面上不沉沒；

3）內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)浮力不應(yīng)小于自重的2倍；

4）在上述條件下，浮頂不應(yīng)發(fā)生強(qiáng)度和穩(wěn)定性破壞。

3 10 000m3鋼制內(nèi)浮頂設(shè)計(jì)舉例

汽油屬于甲B 類液體，一般選用內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。某項(xiàng)目10 000m3汽油儲(chǔ)罐內(nèi)浮頂選用鋼制單盤式，現(xiàn)以此為例，介紹鋼制內(nèi)浮盤的設(shè)計(jì)過程。

3.1 基本數(shù)據(jù)

儲(chǔ)罐內(nèi)徑D=30m，浮艙外徑D1=29.6m，浮艙內(nèi)徑D2=25.2m，浮艙底板傾斜角α=0.018rad。浮艙內(nèi)邊緣板寬度b1=0.66m，厚度t1=0.008m；浮艙外邊緣板寬度b3=0.74m，厚度t3=0.006m；浮艙頂板厚度t2=0.005m，浮艙底板厚度t4=0.006m，浮艙寬度b=2.2m，單盤板厚度t=0.006m。浮盤材質(zhì)為Q235B，鋼材彈性模量E=2.0×1011Pa，浮艙重量mo=38.8t，單盤重量mD=27.2t。儲(chǔ)存介質(zhì)密度ρ=750kg/m3。

以上尺寸為初選，最終尺寸需經(jīng)穩(wěn)定性和抗沉性校核，并考慮結(jié)構(gòu)和安裝因素后最終確定。

3.2 確定單盤安裝高度

為保證在正常操作條件下，單盤和儲(chǔ)液之間不存在油氣空間，單盤的安裝高度C 應(yīng)滿足Cmin＜C＜Cmax[3]。當(dāng)單盤的安裝高度為Cmin時(shí)，單盤所受到的浮力恰好與單盤的重量相平衡，此時(shí)單盤是水平的。若將單盤繼續(xù)下降，單盤將在浮力的作用下向上凸起，這樣單盤受力不好，也會(huì)影響單盤排水；當(dāng)單盤的安裝高度為Cmax時(shí)，液面與單盤的安裝位置平齊，若將單盤繼續(xù)上移，單盤與浮艙連接處將會(huì)出現(xiàn)油氣空間，加速浮盤腐蝕。

3.2.1 單盤最低安裝位置

當(dāng)單盤處在最低安裝位置時(shí)，單盤在理論上是水平的，沒有向上或向下的撓度，單盤中心撓度為0。同時(shí)假設(shè)環(huán)形浮艙浸沒深度在安裝單盤前后沒有變化，此時(shí)單盤的自重全部與自身受到的浮力相平衡，即

其中，T0為環(huán)形浮艙自身漂在儲(chǔ)液上時(shí)的浸沒深度，等于浮艙本身的浸沒深度T0′和考慮浮艙底板傾斜角α的下沉深度增加量T0α。

P為單盤板單位面積重量

3.2.2 單盤最高安裝位置

隨著安裝位置的提高，儲(chǔ)液對單盤的浮力將減小，從而使得越來越多的單盤重量由浮艙承擔(dān)。裝上單盤以后浮艙下沉量的增加值ΔT1也會(huì)增大。當(dāng)達(dá)到最高安裝位置Cmax時(shí)，ΔT1達(dá)到最大值（ΔT1max），此時(shí)液面與單盤的安裝位置平齊，單盤中點(diǎn)的浮力與單盤自重平衡，即Cmax=T0+ΔT1max。

根據(jù)單盤平衡條件，單盤安裝后浮艙下沉所增加的浮力加單盤的浮力等于單盤的總重，可得出

單盤的安裝高度應(yīng)滿足220mm ≤C≤384.4mm?？筛鶕?jù)此范圍初步確定單盤的安裝高度，但浮艙結(jié)構(gòu)尺寸改變后，單盤的安裝高度也會(huì)有變化。因此，需確定好浮艙的結(jié)構(gòu)尺寸后，再最終確定安裝高度，安裝高度初步定為260mm。

3.3 浮頂?shù)目钩列孕：?/h3>

為滿足單盤板和任意兩個(gè)隔艙同時(shí)泄漏時(shí)，浮頂能漂浮在液面上不沉沒，浮頂需滿足如下條件：下沉深度不大于外邊緣板的高度b3，并留有一定的裕量（一般取5～10cm）。如果下沉深度大于外邊緣板的高度，儲(chǔ)液就會(huì)從浮頂外側(cè)經(jīng)外邊緣板流入浮頂并灌進(jìn)艙內(nèi)。即應(yīng)滿足：b3≥T+T0α+Δ。

其中，T為環(huán)形浮艙底板傾角α=0時(shí)下沉的最大深度，等于浮艙本身的浸沒深度T0′′、單盤泄漏后環(huán)形浮艙增加的下沉深度T1和隔艙泄漏后環(huán)形浮艙傾斜增加的最大下沉深度ΔT0之和，整理公式后可得，

式中，浮艙的隔倉數(shù)m=32，單個(gè)隔倉對應(yīng)的中心角。

通過計(jì)算，b3=760mm＞599.7+19.5+100=719.2mm。外邊緣板尺寸滿足要求。

3.4 設(shè)計(jì)浮力與浮頂自重的校核

當(dāng)設(shè)計(jì)浮力為2倍的浮頂自重時(shí)，不計(jì)單盤因自身撓度產(chǎn)生的浮力，浮盤的下沉深度可由下式計(jì)算得出

經(jīng)過計(jì)算，浮盤下沉深度為696mm ＜760mm，滿足要求。

3.5 浮頂?shù)膹?qiáng)度及穩(wěn)定性校核

浮頂?shù)膹?qiáng)度及穩(wěn)定性需校核單盤的強(qiáng)度、浮艙的強(qiáng)度、環(huán)形浮艙的整體穩(wěn)定性（包括浮艙平面穩(wěn)定性和側(cè)面穩(wěn)定性）和環(huán)形浮艙截面的承載能力（包括頂板、底板的徑向應(yīng)力和內(nèi)外邊緣板的總環(huán)向應(yīng)力）。根據(jù)文獻(xiàn)一和文獻(xiàn)三中的公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1所示

通過計(jì)算可知，外邊緣板環(huán)向應(yīng)力不滿足要求，需在外邊緣板上設(shè)置加強(qiáng)筋。因此，在外邊緣板中心處設(shè)置50×5的角鋼加強(qiáng)筋，經(jīng)計(jì)算設(shè)置加強(qiáng)筋后，σcr1=355.3MPa，σcr3=199.8MPa 均大于[σ]值，浮艙穩(wěn)定性合格。

表1 浮頂強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核結(jié)果合

4 結(jié)語

GB 50341—2014中僅給出了單盤式內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并未給出具體的計(jì)算方法，參考文獻(xiàn)一和參考文獻(xiàn)三中也僅給出了單盤式外浮頂?shù)挠?jì)算方法，并未給出單盤式內(nèi)浮頂?shù)挠?jì)算方法。本文根據(jù)單盤式內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則并結(jié)合參考文獻(xiàn)計(jì)算方法，總結(jié)了單盤式內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路。