上海油罐罐頂失穩結構設計分析

?新聞資訊 ????|???? ?2019-10-09 10:30

  隨著油庫擴容的要求,多年來國內外的浮頂卡阻沉頂事故多次發生,造成巨大經濟損失,成為急待解決的課題。根據多年的設計經驗,通過剖析國內外浮頂油罐結構,提出了避免浮頂卡阻沉頂事故的措施。


  一、浮頂載荷分析


  1.浮頂油罐的浮頂所受載荷較為復雜,除介質引起的浮力外,還有風、雨、操作條件、自身結構,尤其是導向管(或導油管)及導向筒的結構對浮頂傾斜時是否卡阻影響頗大,現就各主要因素對浮頂的影響分述于下。


  取決于浮頂及附件質量、刮蠟板、密封機構對罐壁摩擦力的大小及方向以及導向筒對導向管、量油管摩擦力的大小及方向。但當隔艙破壞漏油、浮頂積水、風力作用及浮頂受導向管(或量油管)卡阻時,其浸沒深度就會發生深度不同的變化,造成浮頂傾斜。


  2.暴雨沖擊力作用


  暴雨無風時,對浮頂的沖擊力是均勻向下的,僅影響浮頂的浸沒深度,但當暴雨伴隨狂風時,就會使雨線偏斜。雨線對浮頂的沖擊力可分解成與浮頂垂直的力及與罐頂平行的力,而其力作用在消防擋板和擋雨板上,由于雨線在風力作用下對浮頂形成一入射角,浮頂左方一部分不受雨線作用,因而造成浮頂偏載,所以對浮頂中心形成傾覆力矩,并與前一力矩疊加。


  3.風力作用


  狂風對浮頂產生附加彎矩,并使浮頂向最大風向漂移。當狂風吹過罐上方時,風力線密度發生變化,并改變方向,與罐頂呈α角俯沖到浮頂上,并在消防擋板擋雨板處受阻最大。俯沖力T可分解成與浮頂垂直的T2(略去浮頂的排水坡度)和平行浮頂的T1。在俯沖力的尾端,即狂風初始進入地帶,由于風力線突變,根據空氣動力學原理,將產生一定的真空度,相當對浮頂產生一向上的吸力T3,這樣一來,T2和T3形成了對浮頂中心的傾覆力矩,T1對消防擋板產生一推力,使浮頂向最大風向漂移,并產生對浮頂的傾覆力矩M,其方向與前一力矩疊加。且風力為忽大忽小的動載荷。


  4.不均勻積水對浮頂的作用力


  當暴雨使浮頂積水不能從中央排水管排盡時,將造成一定深度的積水,因浮頂傾斜,在最大風力方向一側積水較深,又產生一與前相同方向的浮頂傾覆力矩。


  二、預防措施


  1.增加導向管數量


  導向管及量油管與最大風向的不同安裝方位,對浮頂的傾覆矩影響較大。如在最大風向浮頂的兩端增加2根導向管,則浮頂傾覆就會受阻,使導向管(或量油管)傾覆彎矩減小。對于大型儲罐,由于直徑較大,可適當增加導向管,對任何風向都有較大抗浮頂傾覆能力,其增加的費用遠遠低于浮頂沉沒事故處理造成的經濟損失。


  2.在浮頂外隔艙上加設連通管


  在狂風暴雨時,中央排水管及緊急排水管由于浮頂的傾斜,已失去了原有的功能,使浮頂上方在最大風向上產生局部大量積水,它是浮頂破壞的重要因素,為此需及時排除。若在浮頂最外一圈夏季最大風向區域的浮艙上加設適當數量的連通管,通過連通管將浮頂上的積水及時排入罐內,減少了浮頂積水形成的外載荷,消除了導致浮頂破壞的重要因素。


  3.按最大風向兩端布置導向管及量油管


  當儲罐容量較小時,也可仍按現有浮頂結構僅設兩根導向管及量油管,但必須按建罐地點實際最大風向兩端布置,且將量油管設在夏季最大風尾處。這樣,導向管對浮頂反力矩的力臂會成百倍地增加。


  4.在浮頂上加設定位環


  現有的浮頂儲罐,有的在浮頂下部均布若干個限位塊,其徑向尺寸約為浮頂與罐壁空間的1/2,它在與罐壁接觸時,罐壁對它的反力對浮頂中心產生力矩,使浮頂傾覆,處于最大風向的限位塊產生的傾覆力矩正好與前述傾覆力矩疊加,加劇了浮頂的傾覆,因而十分不利。如果將其改在浮頂上部,并使其有一定柔性,一方面可使力矩與上相反,減緩浮頂傾覆,另一方面,其柔性可吸收一部分定位塊與罐壁的沖擊能,減緩浮頂在狂風下飄蕩產生的沖擊力,使動載荷系數降低,不宜使浮頂產生整體失穩破壞。


  5.提高導向管(或量油管)剛度


  導向管及量油管的變形失穩主要是剛度不足,為此可將導向管及量油管的直徑及壁厚加大,由現在的下端固結,上端自由(可軸向移動)改為兩端固結(或上端固結,下端可軸向滑動)。有人可能擔心,原來的上端自由是為解決導向管因氣溫變化產生的熱脹冷縮。筆者認為,導向管的工作條件與罐壁相差無幾,因為原油儲罐雖然與大氣溫差較大,但由于罐壁保溫,外露部分又因罐壁結構較薄,故與量油管同一氣溫下的濕度變化較小,這種差異引起的伸縮可由導向管兩端的支架吸收,只要支架設計合理,不會造成惡性附加應力。


  6.設計封閉式隔艙


  現有的國內外浮頂油罐皆為非封閉式隔艙,每一個隔艙的人孔大都為快開機械聯接式平板蓋,當在事故條件下,易使雨水或油注入艙內,加大浮頂載荷,惡化了沉頂條件。浮艙頂板與浮艙隔板大都為花焊聯接,若其中一個隔艙有油或水,當液面超過頂板與隔板的花焊焊縫時,就必然產生液體溢艙,同樣惡化了浮頂沉頂條件,倘若油罐的設計者或建設單位使浮頂隔板與浮頂底板形成花焊,那么只要有一個隔艙浸入液體,就會使全部浮船浸入等深的液體中,必然產生浮頂沉沒。