船用水泥罐结构分析与选型

方光才

(上海打捞局芜湖潜水装备厂,安徽芜湖 241001)

0 引言

船用水泥输送系统的功能是装卸、运输、贮存干粉水泥、膨润土、重晶石等物料,供海上钻井平台施工等使用,一般操作压力在0.6MPa以下。作为输送系统中贮存干粉物料的压力容器——水泥罐,一般采用碳钢制立式圆柱形,设计压力为0.6MPa,直径一般为 3 200～4 800mm,长径比多在 1.1～1.5之间。为了装卸干粉类物料,需要使干粉物料流动起来,并通过高压气流的吹搅使散料混合成为雾状,并均匀流向罐底部中心最低点处。由于水泥罐是盛装水泥、膨润土、重晶石等干粉物料的压力容器,其结构设计除应满足一般压力容器的要求外,更应注重满足系统功能的工艺要求,具体体现在管口的设置、下部封头内部特殊结构的设计等。故在水泥罐内底部需设计成一定角度的斜滑板结构,这样能使罐内雾化的水泥等物料依靠自身重力流向罐体内部中心处,以便卸载。在斜滑板上部或板间隔之间装有流体帆布,供从罐底通入的压缩空气透过流体帆布吹搅物料用。

装卸物料的效率主要取决于盛装物料容器的自身结构和输送系统管路的设计。此外还受许多因素影响,如物料自身的密度、容器内的压力、通入容器内空气的流量以及卸料弯管的直径等。但就水泥罐本身而言,采用何种结构形式、结构参数最为经济合理,是首先要考虑的问题。

水泥罐置于船舱内,占有相当大的舱室空间。为了提高舱室空间内的有效利用率,提高运营效率,在设计水泥罐时,必须考虑选用水泥罐的形式、长径比的大小。为此作者在实际工作中统计比较了国内外实际制造并投入运营的四大类型、三十多种规格的水泥罐,通过计算直接反映水泥罐制造、运营成本的两个经济性参数——容重和空间容积有效利用率,进行比较并综合考虑结构设计、制造安装、使用维护等多方面因素,最终推荐出较经济实用的水泥罐结构形式及长径比,供设计者参考使用。

1 两个经济性参数的概念

(1)容重为水泥罐等贮存类压力容器单位有效装料容积的自重,等于水泥罐净重与有效装料容积的比值。其中有效装料容积即为容器可供盛装物料的实际容量。

(2)空间容积有效利用率为容器单位占用空间的有效装料容积百分比,等于容器有效装料容积与空间占有容积的百分比值。其中空间占有容积即为容器自身所占有的空间容积,主要取决于其自身的外形最大容积尺寸。

2 常用水泥罐的结构及特点

水泥罐一般由本体、接管、下封头内部组合件、人孔四大部分组成。其中本体部分包括上封头、下封头、筒节和支腿。有的筒体下部多带一锥形筒体(或称锥封头)。目前国内外较流行的水泥罐结构形式主要有以下四种形式,如图 1所示。现就其主要特点分述如下。

2.1 Ⅰ型(单腔人字滑板式)

此种水泥罐下封头的内部一般装有 6块呈人字形结构的滑板,滑板下部封头与筒体内未被分隔而是一个通腔室,故只有一个进气口。人字滑板间隔分别装有流体帆布,供通入吹搅物料用压缩空气。其主要特点是:人字形滑板结构使物料很容易滑(流)向底部中心处,而在滑板的上部无任何堆积,这样更便于卸料,能使料出得很干净。此种结构水泥罐制造最容易,成本最低,安装、维护最方便。此类罐(碳钢制)的容重平均为202 kg/m3左右;空间容积有效利用率一般为 (78～79)%,平均为78.5%;一般长径比为1.1～1.5之间,推荐使用1.2～1.5,并尽可能大一些。

图1 水泥罐结构形式

2.2 Ⅱ型(多腔斜板式)

此种形式的水泥罐下封头的内部一般装有 12块下斜板和 24块上斜板以及内部中心位置装有一圆形圈板,上、下斜板分别开有一定数量和大小的通气孔,供蒙覆在上面的流体帆布通入吹搅物料的压缩空气。封头下部多用径向隔板和圆形圈板分隔为3个独立的压力腔室(个别还有 6腔室、8腔室不等),如图2所示。使用时有 3个进气口,分别向 3个腔室通入压缩空气。此种水泥罐的主要特点是:下部封头内的斜滑板倾斜角度稍小且数量多、进气口及控制阀件也较多,故结构相对复杂,制造稍难,成本稍高且卸料效果略差。此类罐(碳钢制)的容重平均为209 kg/m3左右;空间容积有效利用率一般为(70～78)%,平均为75%;一般长径比为0.69～3.38,推荐使用 1.2～1.5,并尽可能大一些。

2.3 Ⅲ型(单腔外锥斜板式)

图2 压力腔室简图

此种形式的水泥罐外形与其他形式略有不同,在筒节与下封头间多一个锥筒,因而下封头较小,一般直径只有2 000mm。下封头的内部只装有12块斜板,斜板上开有一定数量和大小的通气孔,供蒙覆在上面的流体帆布通入吹搅物料的压缩空气。斜板下部封头内未被分隔而是一个通腔室,故只有一个进气口。此种水泥罐主要特点是:需要一定的安装高度,一般空间利用率较低,造价略高,但装卸料效率高,出料净。此类罐(碳钢制)的容重平均为193 kg/m3左右;空间容积有效利用率一般为(51～73)%,平均为66%;一般长径比为1.14～1.76,推荐使用1.5～1.8。

2.4 Ⅳ型(单腔内锥筒式)

此种形式的水泥罐在罐内部筒节与下封头间多1个内锥筒,在锥筒下部装有骨架支撑,支撑上面蒙覆流体帆布以供吹搅物料的压缩空气通入。锥筒下部封头内未被分隔而是一个通腔室,故只有一路总进气口。此种水泥罐的主要特点是:在罐内部锥筒及支撑骨架上还装有很多阀件,结构最为复杂,制造、维护成本最高,但装卸料效果好,出料净。此类罐(碳钢制)的容重平均为234kg/m3左右;空间容积有效利用率一般为(68～78)%,平均为73%;一般长径比在1.0～1.3之间,推荐使用1.2～1.5,并尽可能大一些。

3 经济性参数对比

综上所述,各种水泥罐都各有其特点,除了必须满足用户使用及功能性要求外,水泥罐的设计还须做到安全、可靠,经济、合理,即尽可能提高空间有效利用率,降低容重,减少制造、维护成本,并使得装料效率高、出料快而净,从而达到高运营效率和经济效益之目的。四种罐的经济性参数对比见表 1。

表1 四种罐体经济性参数对比表

此外,在进行水泥罐设计时,应结合系统的需要考虑使用几台罐和单台罐的具体结构形式以及适宜的长径比。系统所需水泥罐的数量一般为偶数,即2、4,少数为 6、8。推荐常用水泥罐的直径为 3 700～4 200mm,长径比应在 1.2～1.5之间,并尽可能大些。