JP2005343540A

JP2005343540A - 液体貯蔵タンクにおける浮き屋根の揺動防止装置

Info

Publication number: JP2005343540A
Application number: JP2004167592A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Kageyama; 満蔭山; Shunichi Higuchi; 俊一樋口; Takashi Matsuda; 隆松田
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】スロッシングに伴う液面傾斜による浮き屋根の揺動を拘束する機構を備えることで地震災害時における安全性を確保する。
【解決手段】本発明は、浮き屋根３の対角線上の二隅におけるタンクの上部と下部にそれぞれプーリ１６を固定配置しケーブル１８の一端を屋根３の上部における一方の隅部に固定した状態で上部プーリ１６に掛け回し、他端を下部プーリ１６を介して屋根８の下部における他方の隅部に固定してなり、かつ前記屋根３の対角線上で対称となるように配置した２組のプーリ１６とケーブル１８の組合せからなる鉛直牽引ガイド１０を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、大容量の液体貯蔵タンクにおける浮き屋根の揺動防止装置に関する。

製油所、ＣＴＳなどの石油備蓄基地においては、付属施設として大容量の石油、原油などの燃料タンクを配備している。これらの燃料タンクは、従来、例えば図１１（ａ）に示すように、基礎上に固定された底板１の周囲に立ち上げ状態に一体化され、かつ上面が開口した筒状のタンク側壁２とからなるタンク本体と、側壁２の内側に配置されてその開口を覆う浮き屋根（蓋）３からなっており、屋根３の下面にはフロート４が設けられ、これにより屋根３は側壁２の内部に貯蔵される燃料５の液面上に浮かび、燃料５の液位に応じて昇降することで、貯蔵量に応じてその容積を可変としている。なお、図では地上露出式の燃料タンクを示しているが、地下式ないしは半地下式の燃料タンクでも類似構造となっている。

タンク内に貯蔵されている液体には、本体の側面で反対方向に上下するスロッシング振動の特性があり、その固有周期は貯蔵燃料の高さと本体の直径で定まり、通常の使用では数秒以上となっている。一方、マグニチュードの大きな巨大地震は長周期成分が多く発生し、タンクのスロッシング周期と共振する可能性が高い。

タンクのスロッシング振動が地震動と共振すると、図１１（ｂ）に示すように燃料５は水平方向変位に応じて移動して側壁２に衝突し、また逆側にも移動して同一動作が繰り返されて増幅する。

この動作に伴う液面傾斜に応じて屋根３は揺動変位し、燃料５は屋根３の端部と側壁２の上縁に形成された隙間からオーバフローして外部に漏洩するおそれがあるとともに、屋根３の端部が側壁２の内側壁に衝突し、その火花により漏れた燃料５に引火して火災が発生する虞れが生ずる。このため、現状では、貯蔵高さを制限して用いる必要があり、タンク一基当たりの貯蔵効率が低いものとなっていた。

なお、気象庁により「２００３年十勝沖地震」と命名された２００３年９月２６日以降に北海道で生じた一連の地震災害時に、北海道最北端の苫小牧の出光北海道製油所でタンク火災が生じ、４４時間後に鎮火した事故では、石油のスロッシングに伴う火花による燃料への引火が原因であると断定され、防災体制の不備とともに浮き屋根式タンクの構造上の問題が特に指摘されている。

本発明は、以上の課題を解決するものであり、スロッシングに伴う液面傾斜による浮き屋根の揺動を抑えるようにした液体貯蔵タンクにおける浮き屋根の揺動防止装置を提供するものである。

前記目的を達成するため本発明は、底板の周囲に立ち上げ状態に一体化され、かつ上面が開口したタンク側壁と、該側壁の内側に配置されてその開口を覆うとともに、側壁内部に貯留される液体の液位に応じて昇降する浮き屋根とを備えた液体貯蔵タンクにおいて、前記浮き屋根の上方と下方に配設された上下一対のガイドプーリと、該上下一対のガイドプーリに掛け回されその両端が前記浮き屋根に固定されるケーブルとからなる鉛直牽引ガイドを複数備えたことを特徴とするものである（請求項１）。

この発明において、前記鉛直牽引ガイドは、前記浮き屋根の対角線上で対称となるように、または平面視で正三角形状等の多角形状となるように配置されることを特徴とする（請求項２）。

また、前記ワイヤケーブルと屋根との間に、弾性材のみまたは弾性材と粘弾性ダンパーの組合せからなるダンパー機構が介在されていることが好ましく（請求項３）、さらに、前記側壁の内面に沿って突設された鉛直なガイドリブと、前記屋根の周縁にあって前記ガイドリブに係合する溝と、該溝の両側には前記ガイドリブの両側面に沿って転動するローラとからなる回り止め用鉛直ガイドを設けたことが好ましい（請求項４）。

本発明においては、複数の鉛直牽引ガイドを備えることにより、屋根の上下方向の動きに対しては抵抗なく動作するが、スロッシングに伴う液面傾斜による屋根の揺動運動は拘束され、水平状態を保って昇降することになり、これによって地震災害時における燃料漏れや火災発生の虞れがなく、また貯蔵高さの制限を緩和できるため、一基当たりの貯蔵量の増加を図ることができる。

請求項２の発明では、地震動の水平２方向成分に対処できる。請求項３の発明では、弾性材のバネ弾性に応じた制震効果を得ることができ、請求項７の発明では、弾性材のバネ定数と、粘弾性ダンパーの粘弾性力とを合成した制震効果を得ることができる。請求項４の発明では、さらに確実なずれ防止を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１、図２は本発明を耐震型に適用した第１実施形態を示し、図３はその作用説明図である。なお、従来と同一箇所には同一符号を付してその説明を省略し、異なる箇所、あるいは新たに付加した箇所にのみ異なる符号を用いて説明する。

図１，２において、浮き屋根３の対角線位置には、水平面内において例えば９０°の交差角で２対の鉛直牽引ガイド１０が配置されている。

各鉛直牽引ガイド１０は、揺動防止装置の本体部分となるもので、特に図２に示すように、前記屋根３の対角線上の二隅における側板２の上部内側と下部内側にそれぞれ溶接などにより固定された上部ブラケット１２及び下部ブラケット１４と、各ブラケットに回転可能に軸受けされたガイドプーリ１６とを備えている。

そして、ワイヤケーブル１８の一端を屋根３の上部における一方の隅部に固定金具２０を介して固定した状態で上部側プーリ１６に掛け回し、これを屋根３の端部に形成されたケーブル挿通用の切欠き２２を通じて側板２内に鉛直に導いて下部側プーリ１６に掛け回し、さらに対角位置のプーリ１６に側に水平に導き、このプーリ１６掛け回し、この掛け回し端を屋根３の他端側下部に鉛直に導き、この端部を固定金具２０を介して屋根３に固定しており、かつ以上の掛け回し構造が屋根３の対角線上（図２の左右）で対称となるように配置した２組のガイドプーリ１６とケーブル１８の組合せからなり、この組合せを可能とするために、下部ブラケット１４には左右２つのプーリ１６を上下を違えて軸受けしている。

さらに各鉛直牽引ガイド１０と水平面内において４５°の交差角位置には対角上に一対の回り止め用の鉛直ガイド２４が設けられている。

この鉛直ガイド２４は、特に図１の一部に示すように、側壁２の内面に沿って突設された鉛直なガイドリブ２６と、屋根３の周縁あってガイドリブ２６に係合する溝２８と、屋根３の上面において、溝２８の両側に固定された軸受けブラケット３０に軸受けされて前記ガイドリブ２６の両側面に沿って転動するローラ３２とからなるもので、これにより屋根３の回動及び回動に伴うワイヤケーブル１８のずれを防止している。

以上の構成において、屋根３は通常時には図２及び図３（ａ）に示すように、タンク内の燃料貯蔵量に応じて上下する。この状態から地震などにより、水平力がタンクに加わり、貯蔵されている燃料５のスロッシング周期と共振すると（ｂ），（ｃ）に示すように燃料５にスロッシングが生ずる。すなわち、液面が壁面衝突方向に向けて傾きつつ衝突する往復動作が繰り返される。

この状態で、屋根３はワイヤケーブル１８に牽引されつつ水平状態に拘束されながら上下のみ昇降し、これによって図中破線で示す傾斜液面の波頭を押さえ、スロッシングによる燃料のタンクからのオーバフローを規制し、さらには屋根３の外周部が側壁２の内面に衝突することを防止することになり、燃料漏れや、衝突時の火花などによる火災発生を防止できることになる。

加えて、スロッシングによる移動毎に傾斜液面の波頭を押さえるため、その分早期に減衰させることができる。

さらに、以上の作用は水平面内において９０°の交差角で配置された２対の鉛直牽引ガイド１０が振動方向の分力を分担しつつ共同して同一作用を行うため、全方向の振動に対応可能となっている。

なお、前記各ワイヤケーブル１８の張力の調整には、施工時などにおいてターンバックルなどの長さ調整具をケーブル１８中に介挿することによって行うことができる。

この第１実施形態では、ワイヤケーブル１８の張力によりスロッシングを抑制するため、衝撃力がワイヤケーブル１８、ブラケット１２，１４、プーリ１６並びにタンクに加わる。ワイヤケーブル１８はそれ自体の伸縮性と張力調整による遊びによりある程度衝撃緩和する。

次に、図４は本発明を制震型に適用した第２実施形態を示す。まず、図４（ａ）は各ワイヤケーブル１８の端部外周において、上部側固定金具２０と屋根３との間に座番４２を介して圧縮コイルバネ４０（弾性材）を介挿した以外は、第１実施形態と同様である。このバネ４０の弾性はワイヤケーブル１８の剛性より小さく、ワイヤケーブル１８に過度の張力が加わった場合に伸縮して張力を緩和し、制震作用を行う。

なお、下部側の固定金具２０と屋根３の下面との間に圧縮コイルバネ４０を介挿してもよいし、双方に圧縮コイルバネ４０を介挿してもよい。

一方、図４（ｂ）はタンクの底面側におけるワイヤケーブル１８の水平位置途中に、引張コイルバネ４４を直列に接続した以外は第１実施形態と同様である。この例においても前記と同様の作用によりワイヤケーブル１８に加わる張力を緩和し、制震作用を行う。なお、この場合においても垂直位置に直列接続してもよく、要はワイヤケーブル１８の移動の妨げとならない位置及び長さとすればよい。

次に、図５は本発明を制震型に適用した第３実施形態を示す。本実施形態では、図４（ａ）に示す前記第２実施形態における圧縮コイルバネ４０に加え、その周囲に一対の油圧ダンパーなどからなる粘弾性ダンパー４６を介在させた以外は、前記第２実施形態と同様である。

なお、下部側の固定金具２０と屋根３の下面との間に同一の機構を設けてもよいし、双方に設けてもよい。さらには、図４（ｂ）の引っ張りコイルバネ４４との組合せも容易にできることも勿論である。

周知のように粘弾性ダンパー４４は、速度比例型であり、比較的小振幅から減衰力を発揮し、前記圧縮コイルバネ４０のバネ弾性と共働して制震作用を行う。したがって、本実施形態では鉛直牽引ガイド１０を構成する各部材の剛性が小さくてもよいため、経済的である。

図６は、直径５０ｍ、高さ２５ｍのタンクにおいて、３５．５ｍｍのケーブルを用いた鉛直牽引ガイドを２本配置した場合の例における水平地動加速度に対する上下変位伝達関数のグラフを示し、縦軸は地動加速度（cm/gal）を、横軸は周期（Ｈｚ）をとっている。図６において、(1) は従来のタンクの特性を示し、(2) はダンパー機構を設けない場合の特性を示し、(3) は、ダンパー機構としてバネ（バネ剛性１kg/cm）＋粘弾性ダンパー（ダンパー係数１ton／（cm/sec））を用いた場合の特性を示し、さらに(5) はダンパ係数を無限大とした場合の特性を示す。同グラフから明らかなように、(1) 、(2) の振動周期８秒で最大ピークであると仮定すると、(3) ではピークがなくなり、(4) ではピークが長周期側にずれ、かつ低い値となっている。

次に、図７は、タンク内のスロッシング現象に共振する周期で所定震度の地震波が入力された場合における浮き屋根端部の上下変位と時間との関係を示すグラフであって、縦軸に変位量（ｃｍ）、横軸に時間（秒）を示している。

まず（ａ）は苫小牧地震波の特性を示し、（ｂ）は従来型のタンクの特性を示すものであり、このものは変動周期が長く、時間経過とともに振幅が順次大きくなり、９０秒後には最大値である±３００ｃｍ（３ｍ）となることが確認された。また（ｃ）はワイヤケーブルのみの耐震型タンクとした場合を示すもので、この場合には変動周期が短くまた比較的短時間である９０秒後には最大振幅が±１００ｃｍ前後となり、以後は多少の増減を伴いつつ減衰しないことが確認された。さらに（ｄ）はワイヤケーブルにバネ及び粘弾性ダンパーを用いた場合を示すもので、この場合には、不定形周波数であるが、約７０〜１００秒の間に最大振幅である±４０ｃｍとなり、それ以降は順次減衰することが確認された。

よって、以上のグラフからは、本発明構造のタンクにおける浮き屋根の変動は小さく、特にダンパー機構を備えた場合には、その効果が大きいことが確認された。

図８は以上の地震波が入力された場合のワイヤケーブルに加わる張力と時間の関係を示すものであり、縦軸に荷重（ｋｇｆ）横軸に時間（秒）を示している。

まず（ａ）はワイヤケーブル単体の場合を示し、前記図７と同様に最大振幅時である９０秒の段階で約３００tonfの引張り荷重が加わることになる。これに対し（ｂ）はワイヤケーブルにバネ及び粘弾性ダンパーを加えた場合を示すもので、７０〜１００秒の間に９０tonfを最大値とする引張荷重が加わり、その後は急激に荷重が小さくなることが確認された。

なお、直径１０ｍｍのワイヤの場合の破断荷重は７tonであるため、耐震型とした場合には、１０ton以上の荷重に耐えるためには、さらに太径のワイヤケーブルと、これをガイド及び支持するための剛性の高い機構を備えるほか、タンク自体にも荷重に耐える補強を行わなければならないのに対し、ダンパー機構を付設した場合にはその１／２０の荷重に耐えればよいため、経済的である。

図９は第４実施形態を示す。本実施形態においては、鉛直牽引ガイド１０におけるワイヤケーブル１８の掛け回しを第１実施形態とは天地逆にするとともに、その上部側に位置するブラケット１４をタンク側壁２の外側に沿って立設され、タンク側壁２の上空に突出させた一対の支持ポスト５０の上端に固定し、タンク上空で２本のワイヤケーブル１８を平行に掛け回した以外は第１実施形態と同様である。

なお、本実施形態において、図示と直交する鉛直牽引ガイド１０のブラケット１４の取付位置を上下にずらすことで直交状態に交叉するワイヤケーブル１８同士の輻輳を防止できる。

また本実施形態においても第２、第３実施形態と同様に、バネ単体またはこれと粘弾性ダンパの組合せからなるダンパ機構を付設することが可能であることは勿論である。

本実施形態では、支持ポスト５０によりタンクの補強も兼用でき、引張荷重によるタンク自体の負担を軽減できる。

図１０は第５実施形態を示す。本実施形態は、鉛直牽引ガイド１０のワイヤケーブル１８をタンク外で掛け回すようにしたもので、屋根３の上面にあって対角線上の対称位置に立設され、その上端に一体化した水平なアーム部６０ａを設けたＬ字形の支持アーム６０と、各支持アーム６０に対応して側壁２からやや離れた位置に立設され、かつ上端にタンク内側にオーバハングさせた状態で一体化され、プーリ１６を回転自在に軸受けする上部ブラケット６２を一体化した一対の支持ポスト６４と、底板１の下部を掘り下げて作られ、両側を前記支持ポスト６４の下部に開口させた地下通路６６と、地下通路６６の両側に固定され、かつプーリ１６を回転可能に軸受けした一対の下部ブラケット６８と、支持アーム６０の垂直部及び側板２の頂部に固定されたブラケット７０を介して回転可能に軸受けされたケーブル引き込み用の一対のガイドプーリ７２を備えている。

そして、ワイヤケーブル１８の一端を固定金具２０を介して一方のアーム部６０ａの先端に固定した状態で上部ブラケットのプーリ１８に掛け回し、これを地下通路６６内のプーリ１８に掛け回し、次いで反対側の支持ポスト６４のプーリ１８に掛け回した上でその先端をプーリ７２を介して反対側のアーム部６０ａに固定したものであり、これを左右対称に行うことで、前記各実施形態と同様な構造としている。

なお、地下通路６６を形成しなくても、プーリによりケーブル１６の方向を転換して水平な迂回経路をとることで、類似する構造とすることができる。

また、本実施形態でも第２、第３実施形態と同様に、バネ単体またはこれと粘弾性ダンパの組合せからなるダンパ機構を付設することが可能であることは勿論である。

本実施形態では、既存のタンクの改修時にタンク内部に入ることなく改修できる利点がある。

ところで、ケーブルの剛性は張力範囲でのみ作用し、圧縮側では期待できない。従って、バネを付加しないと、ダンパーは伸びる方向（ケーブルの圧縮方向）には戻らない。押し引きの特性が同じ一般のダンパーにあっては、ダンパーを伸びる方向に素早く戻すために、ダンパーからの力を上回る大きなバネが必要となる。しかし、バネを大きくすると、スロッシングの固有周期も短くなるため、獲得されるスロッシングの減衰定数に限界が生ずることになる。そこで、ダンパーが伸びる方向に動くときに、例えばオイルダンパのリリーフ弁が開くといった構造の片効きダンパを用いることが好ましい。これにより、付加バネが小さい場合であっても、粘性係数の大きなダンパを用いることができ、スロッシングの減衰定数を大きく設定することが可能となる。

本発明を耐震型に適用した第１実施形態を示す一部拡大部分を含む平面図である。図１のＡ−Ａ線側断面図である。（ａ）〜（ｃ）は作用説明図である。本発明を制震型に適用した第２実施形態を示す側断面図である。本発明を制震型に適用した第３実施形態を示す側断面図である。水平地動加速度に対する上下変位伝達関数を示すグラフである。（ａ）〜（ｄ）は浮き屋根端部の上下変位と時間経過との関係を従来と本発明とで比較したグラフである。（ａ），（ｂ）はケーブル張力と時間経過との関係を耐震型と制震型とで比較したグラフである。ケーブルの掛け回し構造を変えた第４実施形態を示す側断面図である。ケーブルの掛け回し構造を変えた第５実施形態を示す側断面図である。（ａ），（ｂ）は従来の浮き屋根式タンクと地震時における不具合を示す側断面図である。

符号の説明

１，２タンク本体（１底板、２側板）
３浮き屋根
４フロート
１０鉛直牽引ガイド
１６，７２ガイドプーリ
１８ワイヤケーブル
２４回り止め用鉛直ガイド
２６ガイドリブ
２８溝
３２転動ローラ
４０，４４，４６ダンパー機構
（４０圧縮コイルバネ、４４引っ張りコイルバネ、４６粘弾性ダンパー）

Claims

底板の周囲に立ち上げ状態に一体化され、かつ上面が開口したタンク側壁と、該側壁の内側に配置されてその開口を覆うとともに、側壁内部に貯留される液体の液位に応じて昇降する浮き屋根とを備えた液体貯蔵タンクにおいて、
前記浮き屋根の上方と下方に配設された上下一対のガイドプーリと、該上下一対のガイドプーリに掛け回されその両端が前記浮き屋根に固定されるケーブルとからなる鉛直牽引ガイドを複数備えたことを特徴とする液体貯蔵タンクにおける浮き屋根の揺動防止装置。
前記鉛直牽引ガイドは、前記浮き屋根の対角線上で対称となるように、または平面視で正三角形状等の多角形状となるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の液体貯蔵タンクにおける浮き屋根の揺動防止装置。
前記ワイヤケーブルと屋根との間に、弾性材のみまたは弾性材と粘弾性ダンパーの組合せからなるダンパー機構が介在されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体貯蔵タンクにおける浮き屋根の揺動防止装置。
前記側壁の内面に沿って突設された鉛直なガイドリブと、前記屋根の周縁にあって前記ガイドリブに係合する溝と、該溝の両側には前記ガイドリブの両側面に沿って転動するローラとからなる回り止め用鉛直ガイドを設けたことを特徴とする液体貯蔵タンクにおける請求項１〜３のいずれかに記載の浮き屋根の揺動防止装置。