蜂窩箱全接液式金屬內浮盤結構設計

張艷來，羅 磊,，黃湘寧，楊矯健，曾祥國

(1.中南林業科技大學，長沙 410004；2.湖南石化設備制造有限公司，長沙 410009)

蜂窩箱全接液式金屬內浮盤結構設計

張艷來1，羅 磊1,2，黃湘寧2，楊矯健2，曾祥國2

(1.中南林業科技大學，長沙 410004；2.湖南石化設備制造有限公司，長沙 410009)

0 引言

隨著石油行業的發展，我國汽柴油等輕質油需求量不斷增長，相應的新油庫、新油罐建造數量也隨之增多，同時，由于安全與環保意識的提高，內浮頂油罐的應用范圍也得到推擴，因此內浮產品需求量也增大。

在石油的存儲過程中，存在油品蒸發現象。這一方面造成了油品損耗，經濟損失；另一方面污染大氣環境，同時由于大部分是可燃或者是有毒氣體，容易引起火災，人員中毒等情況[1]。而采用內浮盤的主要目的是減少油氣的揮發損失。根據相關資料，對于一個采用固定頂結構的3000m3的汽油儲罐，按年周轉50次計算，年損失油品在203t左右，而采用性能完好的內浮頂儲罐時其油品損失約在2.125t[2]。

1 內浮頂介紹

內浮頂是漂浮在油罐液面上隨油品上下升降的浮動頂蓋。采用這種內浮頂蓋覆蓋在液體表面是目前公認的最理想的降低油品蒸發損耗的最經濟、簡單的方法。

儲罐內浮盤是一種通過浮力使之隨著儲罐液面升降而升降的覆蓋在液面上的節能環保設備。能有效的減少儲罐內介質揮發，降低損耗節約能源，保護環境。目前，公知的內浮頂有浮筒式（槽盆式）與浮箱式兩大類，一般由結構件、浮力件與密封件構成。浮筒式或槽盆式內浮頂的結構件、浮力件與密封件為獨立元件，密封件以下均存在較大油氣空間。浮箱式內浮頂雖以箱體作為浮力件和密封件，為全接液，無油氣空間；但箱體為中空結構，箱體與箱體之間以連接板聯接，整體強度與剛度較弱、抗沖擊力較弱和密封較差。

根據目前國際行業標準[3～7]所有的內浮頂設計計算都是使用的比重為0.7 或者更低，即使實際使用時介質的比重大于0.7 時也應如此，以保證有足夠的浮力。可以安全地承受至少兩個人在浮頂上任意地方走動，無論是處于漂浮狀態還是落在支柱上，不會使浮頂受損或使罐內儲存的產品浸溢到浮頂上。內浮頂提供的浮力，設計時是按照其固定載荷的二倍，再加上用來抵消周邊密封與罐壁之間、穿過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浮盤設計介紹

針對現有技術的不足，設計一種全接液、整體強度與剛度大、聯接簡單和密封效果好的蜂窩板鑲嵌式全接液金屬內浮頂。

蜂窩板鑲嵌式全接液金屬內浮頂，包括由若干“王”字梁和若干“工”字梁縱橫交叉構成的圓盤狀框形支撐結構，在支撐結構的周邊設有圈板構成圓盤體，圈板、“王”字梁和“工”字梁在圓盤體上形成若干單元格，在單元格內設有金屬蜂窩板。該設計由于采用框形支撐結構和金屬蜂窩板構成的圓盤體，具有結構簡單合理、零部件少、整體強度剛度大、全接液(無油氣空間)、浮力大的優點。

本設計目的采用的技術方案如下：

蜂窩板鑲嵌式全接液金屬內浮頂，包括由若干“王”字梁和若干“工”字梁縱橫交叉構成的圓盤狀框形支撐結構，在所述支撐結構的周邊設有圈板構成圓盤體，所述圈板、“王”字梁和“工”字梁在圓盤體上形成若干單元格，在所述單元格內設有金屬蜂窩板。圈板的內側設有凹槽，所述金屬蜂窩板鑲嵌在圈板的凹槽和“王”字梁、“工”字梁的側邊凹槽內。

金屬蜂窩板與所述凹槽之間設有耐油橡膠密封。圈板外側的上邊緣設有向外的凸邊，在上邊緣的凸邊上設有密封膠帶?！巴酢弊至旱牡撞吭O有若干支腿。

本設計由于采用框形支撐結構和金屬蜂窩板構成的圓盤體，具有結構簡單合理、零部件少、整體強度剛度大、全接液(無油氣空間)、浮力大的優點。如圖1～圖6所示，蜂窩板鑲嵌式全接液金屬內浮頂，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縱橫交叉構成的圓盤狀框形支撐結構，在支撐結構的周邊設有圈板2構成圓盤體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，在單元格內設有金屬蜂窩板1；圈板2的內側設有凹槽6，“王”字梁和“工”字梁的側邊本身就有凹槽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的側邊凹槽6內，金屬蜂窩板1與凹槽6之間設有耐油橡膠7密封；圈板2外側的上、下邊緣設有向外的凸邊201、202，在上邊緣的凸邊201上設有密封膠帶11；所述“王”字梁3的底部設有若干支腿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；中空密閉體內用航空粘合劑內粘六角鋁箔蜂窩芯5，經熱壓復合成型。金屬蜂窩板1作為內浮頂的浮力件，可使本設計產品浮在儲油罐的油面上無油氣空間，具有單位強度高等優良性能和質輕、剛性大等諸多優點。

金屬蜂窩板1與“王”字梁3、“工”字梁4合為一體，使得整體強度、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之間的聯接與密封問題。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）。

本設計產品正常工作時浮在儲油罐的油面上，隨油面的升降而升降，圈板2上的密封膠帶11可以保證本實用新型與儲油罐之間的密封。檢修時，該浮盤落到罐底由支腿10支撐（如圖1所示），放掉罐內的油后，工人可以利用支腿10形成的空間進行檢修。

圖1 結構示意圖

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浮盤主要設計

3.1 主設計參數

罐徑：D=Φ40000；容積：V=20000m3；儲存介質：CPP；介質計算密度γ=700kg/m3。

3.2 主要結構梁的強度、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l=3m。

由于主梁受均步載荷和集中載荷，故采用疊加法來效核其強度，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：

強度的效核：

故滿足強度條件。

剛度效核：

由上述計算結果可知：最大撓度Qmax=7.7772mm是在許可范圍之內，因此滿足剛度條件。

3.3 支腿的強度和穩定性校核

3.3.1 支腿強度校核

支腿材料為304；校核長度為1800mm；橫截面為外徑Φ37內徑Φ34；Φ40000/20000m3浮頂共有支腿250根。

按SH3046-92規定：

式中：S為荷載設計值。

GK為浮頂每一支腿上的平均荷載：

QK為附加荷載，按SH3046-92規范，取600Pa均布活荷載計算：

所以：σ壓＜[σ壓]抗壓強度足夠。

3.3.2 支腿的失穩臨界壓力計算

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為支腿校核長度；

μ為長度系數(視為二端鉸支取μ=1)。則：

從以上計算可知：失穩臨界壓力Po=16888N大大高于荷載設計值S=5839N。

安全系數很大，所以支腿不會失穩。

3.4 浮頂的浮力分析

浮頂自重G：20810.082KG。

浮箱總面積S：1227m2。

介質密度以700kg/m3計且按GB50341-2003規范規定計算浮箱浮力。

浮頂浮力自重比：

計算顯示符合GB50341-2003要求。

4 結束語

內浮盤的使用目的是減少油液在儲存過程中油汽的揮發耗損，節約能源，降低安全隱患和減少環境污染。同時內浮頂能適應各種尺寸的對接罐和搭接罐，并且它本身不污染油品或化學品，能減少介質的揮發失，防止空氣污染，是一種節能環保的裝置。具有成本低，安裝工期短，耐腐蝕性強、不占容積和使用壽命長等特點，具有很好的市場。該產品已設計、制造并在海南安裝使用，根據現場情況該項目產品整體強度以及浮力都達到預期效果，內浮盤運行良好。該設計產品已申請專利保護，并且該項目獲得湖南省科技型中小企業科技創新基金資助項目。

[1]焦均堅,張永杰.內浮頂在石化工業中的應用[J].企業技術開發2003,1(2).

[2]劉明福.拱頂儲罐內浮頂的發展[J].石油化工設備,2004,33(1):43-47.

[3]湛盧炳,孫晉坡,陳再康.大型儲罐設計[M]拱頂罐改內浮頂罐結構設計[M].上海,上?？茖W技術出版社,1986:190.

[4]SH 3046-92石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范[S].

[5]API標準650-2008鋼制焊接儲油罐[S].

[6]API650《鋼制焊接石油儲罐》附錄H部分（第11版）.

[7]SYJ1016-82立式圓筒形鋼制焊接油罐設計技術規范[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

儲罐內浮盤是一種通過浮力使其漂浮在油罐液面上隨油品上下升降的浮動節能環保設備。采

用這種內浮盤覆蓋在液體表面是目前公認的最理想的降低油品蒸發損耗的最經濟、簡單的方法。由于在內浮盤在作業過程中要始終保持漂浮在液面上，因此在產品設計上一定要保證其有足夠的浮力,同時要保證各個部位的連接強度及穩定性。文中就內浮產品介紹其主要結構設計，并對其進行強度、穩定性、浮力等相關方面的計算。

內浮頂；強度；穩定性；浮力

張艷來（1970 -），男，副教授，博士后，主要研究方向為相變儲能材料研究、機械裝備設計、干燥原理及干燥設備。

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浮頂（13C26214304185）