上海油罐罐顶失稳结构设计分析

 新闻资讯     |      2019-10-09 10:30

  随着油库扩容的要求,多年来国内外的浮顶卡阻沉顶事故多次发生,造成巨大经济损失,成为急待解决的课题。根据多年的设计经验,通过剖析国内外浮顶油罐结构,提出了避免浮顶卡阻沉顶事故的措施。


  一、浮顶载荷分析


  1.浮顶油罐的浮顶所受载荷较为复杂,除介质引起的浮力外,还有风、雨、操作条件、自身结构,尤其是导向管(或导油管)及导向筒的结构对浮顶倾斜时是否卡阻影响颇大,现就各主要因素对浮顶的影响分述于下。


  取决于浮顶及附件质量、刮蜡板、密封机构对罐壁摩擦力的大小及方向以及导向筒对导向管、量油管摩擦力的大小及方向。但当隔舱破坏漏油、浮顶积水、风力作用及浮顶受导向管(或量油管)卡阻时,其浸没深度就会发生深度不同的变化,造成浮顶倾斜。


  2.暴雨冲击力作用


  暴雨无风时,对浮顶的冲击力是均匀向下的,仅影响浮顶的浸没深度,但当暴雨伴随狂风时,就会使雨线偏斜。雨线对浮顶的冲击力可分解成与浮顶垂直的力及与罐顶平行的力,而其力作用在消防挡板和挡雨板上,由于雨线在风力作用下对浮顶形成一入射角,浮顶左方一部分不受雨线作用,因而造成浮顶偏载,所以对浮顶中心形成倾覆力矩,并与前一力矩叠加。


  3.风力作用


  狂风对浮顶产生附加弯矩,并使浮顶向最大风向漂移。当狂风吹过罐上方时,风力线密度发生变化,并改变方向,与罐顶呈α角俯冲到浮顶上,并在消防挡板挡雨板处受阻最大。俯冲力T可分解成与浮顶垂直的T2(略去浮顶的排水坡度)和平行浮顶的T1。在俯冲力的尾端,即狂风初始进入地带,由于风力线突变,根据空气动力学原理,将产生一定的真空度,相当对浮顶产生一向上的吸力T3,这样一来,T2和T3形成了对浮顶中心的倾覆力矩,T1对消防挡板产生一推力,使浮顶向最大风向漂移,并产生对浮顶的倾覆力矩M,其方向与前一力矩叠加。且风力为忽大忽小的动载荷。


  4.不均匀积水对浮顶的作用力


  当暴雨使浮顶积水不能从中央排水管排尽时,将造成一定深度的积水,因浮顶倾斜,在最大风力方向一侧积水较深,又产生一与前相同方向的浮顶倾覆力矩。


  二、预防措施


  1.增加导向管数量


  导向管及量油管与最大风向的不同安装方位,对浮顶的倾覆矩影响较大。如在最大风向浮顶的两端增加2根导向管,则浮顶倾覆就会受阻,使导向管(或量油管)倾覆弯矩减小。对于大型储罐,由于直径较大,可适当增加导向管,对任何风向都有较大抗浮顶倾覆能力,其增加的费用远远低于浮顶沉没事故处理造成的经济损失。


  2.在浮顶外隔舱上加设连通管


  在狂风暴雨时,中央排水管及紧急排水管由于浮顶的倾斜,已失去了原有的功能,使浮顶上方在最大风向上产生局部大量积水,它是浮顶破坏的重要因素,为此需及时排除。若在浮顶最外一圈夏季最大风向区域的浮舱上加设适当数量的连通管,通过连通管将浮顶上的积水及时排入罐内,减少了浮顶积水形成的外载荷,消除了导致浮顶破坏的重要因素。


  3.按最大风向两端布置导向管及量油管


  当储罐容量较小时,也可仍按现有浮顶结构仅设两根导向管及量油管,但必须按建罐地点实际最大风向两端布置,且将量油管设在夏季最大风尾处。这样,导向管对浮顶反力矩的力臂会成百倍地增加。


  4.在浮顶上加设定位环


  现有的浮顶储罐,有的在浮顶下部均布若干个限位块,其径向尺寸约为浮顶与罐壁空间的1/2,它在与罐壁接触时,罐壁对它的反力对浮顶中心产生力矩,使浮顶倾覆,处于最大风向的限位块产生的倾覆力矩正好与前述倾覆力矩叠加,加剧了浮顶的倾覆,因而十分不利。如果将其改在浮顶上部,并使其有一定柔性,一方面可使力矩与上相反,减缓浮顶倾覆,另一方面,其柔性可吸收一部分定位块与罐壁的冲击能,减缓浮顶在狂风下飘荡产生的冲击力,使动载荷系数降低,不宜使浮顶产生整体失稳破坏。


  5.提高导向管(或量油管)刚度


  导向管及量油管的变形失稳主要是刚度不足,为此可将导向管及量油管的直径及壁厚加大,由现在的下端固结,上端自由(可轴向移动)改为两端固结(或上端固结,下端可轴向滑动)。有人可能担心,原来的上端自由是为解决导向管因气温变化产生的热胀冷缩。笔者认为,导向管的工作条件与罐壁相差无几,因为原油储罐虽然与大气温差较大,但由于罐壁保温,外露部分又因罐壁结构较薄,故与量油管同一气温下的湿度变化较小,这种差异引起的伸缩可由导向管两端的支架吸收,只要支架设计合理,不会造成恶性附加应力。


  6.设计封闭式隔舱


  现有的国内外浮顶油罐皆为非封闭式隔舱,每一个隔舱的人孔大都为快开机械联接式平板盖,当在事故条件下,易使雨水或油注入舱内,加大浮顶载荷,恶化了沉顶条件。浮舱顶板与浮舱隔板大都为花焊联接,若其中一个隔舱有油或水,当液面超过顶板与隔板的花焊焊缝时,就必然产生液体溢舱,同样恶化了浮顶沉顶条件,倘若油罐的设计者或建设单位使浮顶隔板与浮顶底板形成花焊,那么只要有一个隔舱浸入液体,就会使全部浮船浸入等深的液体中,必然产生浮顶沉没。