鋼制單盤式內浮頂的設計

彭曼華

（河北都邦石化工程設計有限公司，河北石家莊 050000）

油品和各種液體化學品的儲存設備—儲罐，是石油化工裝置和儲運系統設施的重要組成部分[1]。內浮頂儲罐因為具有減少蒸發損耗、取消了中央排水管和轉動扶梯等易損件、減少外部環境對儲存介質的影響等優點而應用廣泛。在內浮頂儲罐的設計過程中，內浮頂的設計十分重要。常用的內浮頂型式有淺盤式、敞口隔艙式、單盤式、雙盤式和浮筒式。本文以某項目10 000m3儲罐鋼制單盤式內浮頂的設計為例，對單盤式內浮頂的設計過程進行了總結。

1 鋼制單盤式內浮頂結構

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

2 鋼制單盤式內浮頂的設計原則

根據GB 50341—2014[2]規定，鋼制單盤式內浮頂的設計應符合以下四個條件：

1）浮頂處于漂浮狀態時，下表面應與儲液全面接觸。也即在正常操作條件下，單盤和儲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，單盤板和任意兩個隔艙同時泄漏時，浮頂應能漂浮在液面上不沉沒；

3）內浮頂的設計浮力不應小于自重的2倍；

4）在上述條件下，浮頂不應發生強度和穩定性破壞。

3 10 000m3鋼制內浮頂設計舉例

汽油屬于甲B 類液體，一般選用內浮頂儲罐儲存。某項目10 000m3汽油儲罐內浮頂選用鋼制單盤式，現以此為例，介紹鋼制內浮盤的設計過程。

3.1 基本數據

儲罐內徑D=30m，浮艙外徑D1=29.6m，浮艙內徑D2=25.2m，浮艙底板傾斜角α=0.018rad。浮艙內邊緣板寬度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。儲存介質密度ρ=750kg/m3。

以上尺寸為初選，最終尺寸需經穩定性和抗沉性校核，并考慮結構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，單盤和儲液之間不存在油氣空間，單盤的安裝高度C 應滿足Cmin＜C＜Cmax[3]。當單盤的安裝高度為Cmin時，單盤所受到的浮力恰好與單盤的重量相平衡，此時單盤是水平的。若將單盤繼續下降，單盤將在浮力的作用下向上凸起，這樣單盤受力不好，也會影響單盤排水；當單盤的安裝高度為Cmax時，液面與單盤的安裝位置平齊，若將單盤繼續上移，單盤與浮艙連接處將會出現油氣空間，加速浮盤腐蝕。

3.2.1 單盤最低安裝位置

當單盤處在最低安裝位置時，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。同時假設環形浮艙浸沒深度在安裝單盤前后沒有變化，此時單盤的自重全部與自身受到的浮力相平衡，即

其中，T0為環形浮艙自身漂在儲液上時的浸沒深度，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。裝上單盤以后浮艙下沉量的增加值ΔT1也會增大。當達到最高安裝位置Cmax時，ΔT1達到最大值（ΔT1max），此時液面與單盤的安裝位置平齊，單盤中點的浮力與單盤自重平衡，即Cmax=T0+ΔT1max。

根據單盤平衡條件，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

單盤的安裝高度應滿足220mm ≤C≤384.4mm。可根據此范圍初步確定單盤的安裝高度，但浮艙結構尺寸改變后，單盤的安裝高度也會有變化。因此，需確定好浮艙的結構尺寸后，再最終確定安裝高度，安裝高度初步定為260mm。

3.3 浮頂的抗沉性校核

為滿足單盤板和任意兩個隔艙同時泄漏時，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，儲液就會從浮頂外側經外邊緣板流入浮頂并灌進艙內。即應滿足：b3≥T+T0α+Δ。

其中，T為環形浮艙底板傾角α=0時下沉的最大深度，等于浮艙本身的浸沒深度T0′′、單盤泄漏后環形浮艙增加的下沉深度T1和隔艙泄漏后環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m=32，單個隔倉對應的中心角。

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

3.4 設計浮力與浮頂自重的校核

當設計浮力為2倍的浮頂自重時，不計單盤因自身撓度產生的浮力，浮盤的下沉深度可由下式計算得出

經過計算，浮盤下沉深度為696mm ＜760mm，滿足要求。

3.5 浮頂的強度及穩定性校核

浮頂的強度及穩定性需校核單盤的強度、浮艙的強度、環形浮艙的整體穩定性（包括浮艙平面穩定性和側面穩定性）和環形浮艙截面的承載能力（包括頂板、底板的徑向應力和內外邊緣板的總環向應力）。根據文獻一和文獻三中的公式進行計算，結果見表1所示

通過計算可知，外邊緣板環向應力不滿足要求，需在外邊緣板上設置加強筋。因此，在外邊緣板中心處設置50×5的角鋼加強筋，經計算設置加強筋后，σcr1=355.3MPa，σcr3=199.8MPa 均大于[σ]值，浮艙穩定性合格。

表1 浮頂強度及穩定性校核結果合

4 結語

GB 50341—2014中僅給出了單盤式內浮頂的設計準則，并未給出具體的計算方法，參考文獻一和參考文獻三中也僅給出了單盤式外浮頂的計算方法，并未給出單盤式內浮頂的計算方法。本文根據單盤式內浮頂的設計準則并結合參考文獻計算方法，總結了單盤式內浮頂的設計方法和設計思路。