大型儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法分析

矯立超+田震+李斐凡+王民中

摘要：近年來，石油作為一種戰(zhàn)略物資在我國越來越受到重視，這不僅是受到了汽車工業(yè)快速發(fā)展的影響，同時也和化工產(chǎn)業(yè)深度發(fā)展有關(guān)。目前我國石油資源分布不均衡，需要進(jìn)行運(yùn)輸，對大型儲罐的需求十分迫切，尤其是大型油庫需要的儲罐也從小到大不斷升級。文章結(jié)合石油儲運(yùn)需要的大型儲罐技術(shù)設(shè)計(jì)展開了研究，并對相應(yīng)的方法進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：大型儲罐；石油儲運(yùn)；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法；戰(zhàn)略物資；石油資源 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TE972 文章編號：1009-2374（2017）07-0107-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.050

廣義上，“儲罐”泛指用于存儲氣態(tài)、液態(tài)物質(zhì)的鋼制密封容器，在我國現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛用途，包括石油、化工、消防、冶金等產(chǎn)業(yè)，其中大型儲罐可以有效地提高生產(chǎn)、降低成本，它是很多工業(yè)企業(yè)的必要性設(shè)備之一。理論上最有效率且安全度高的石油供應(yīng)方式為長輸管道，但它只解決了運(yùn)輸問題，無法發(fā)揮石油供應(yīng)“集散地”的效應(yīng)。大型儲罐應(yīng)用中不僅強(qiáng)調(diào)個體容量規(guī)模，對于群組效應(yīng)的要求也十分明顯，一定規(guī)格、一定數(shù)量的儲罐可以提高石油供應(yīng)的規(guī)劃性、戰(zhàn)略性，實(shí)現(xiàn)與市場之間的靈活統(tǒng)籌。

1 大型儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概述

從我國石油產(chǎn)業(yè)自主建設(shè)開始，社會每年都會新增大量的儲罐設(shè)備，特別是大型儲罐的數(shù)量越來越多，由此形成了相對龐大的建設(shè)成本。結(jié)合現(xiàn)狀分析，我國石油儲罐基礎(chǔ)建設(shè)在整個儲罐工程造價(jià)中占據(jù)70%左右的成本，其中80%～90%又消耗在材料、制造、人工等方面，留給地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)的資金十分有限，而這也嚴(yán)重影響著油罐的可靠性、安全性和效率性。

概括地說，一個大型儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括了罐體選型、地質(zhì)勘探、地形分析、地基承載力和穩(wěn)定性計(jì)算、地基變形幅度計(jì)算等方面。應(yīng)該說，任何一種可能影響大型儲罐運(yùn)行安全的要素都應(yīng)該考慮到設(shè)計(jì)內(nèi)容中；結(jié)合國內(nèi)外出現(xiàn)的大型儲罐基礎(chǔ)安全問題，其中出現(xiàn)頻率最高的就是儲罐基礎(chǔ)部分沉降、變形、歪斜等造成儲罐的不穩(wěn)定性，從而引起儲罐發(fā)生倒塌或扭曲，造成十分嚴(yán)重的后果。大型儲罐中所容納的石化產(chǎn)品具有污染屬性，一旦泄露不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時也會危害人類生命健康、破壞自然生態(tài)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)作為第一步，應(yīng)該充分地了解儲罐地基變形的機(jī)理，根據(jù)存在的安全隱患展開相應(yīng)的處理方法，如在恰當(dāng)?shù)奈恢眉庸虡痘A(chǔ)，整體上對于地基處理的要求是密實(shí)、穩(wěn)定、牢固。同時，現(xiàn)實(shí)中儲罐體積越大它在單位容積上消耗的鋼材也就越少，而“相對之下”的儲罐所占的基礎(chǔ)空間也就越小，例如，15萬m3和20萬m3的儲罐占地面積相差不超過200m2，但在對地基的影響上卻存在很大差異；根據(jù)物理學(xué)原理可知壓力越大、受力面積越小，壓強(qiáng)就越大，所以在要求上地基壓縮層的深度一般為儲罐直徑的一倍，舉例說明，10萬m3左右的儲罐（浮頂罐）直徑在80m左右，那么在地基壓縮層上也應(yīng)該保持在80m左右，當(dāng)然可以根據(jù)地質(zhì)優(yōu)勢稍微縮小，但承載力的要求并沒有變化。因此地基沉降是大型儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中必須考慮的問題，也是重點(diǎn)防治的問題。

2 大型儲罐技術(shù)設(shè)計(jì)的方法分析及總結(jié)

2.1 石油儲罐選址和前期處理

大型儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要是以現(xiàn)場環(huán)境為對象展開的，鑒于石油儲罐的特殊性，它對油庫選址的自然條件也有較高的要求，對于一些地理結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、軟土地基等情況必須加以避免，否則基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也就失去了意義。

其中“軟土地基”是一個非常重要的問題，它往往決定了一個儲罐工程項(xiàng)目的成本、質(zhì)量和進(jìn)度，甚至決定了項(xiàng)目是否可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。軟土地基即軟弱地基，它泛指一些淤泥、雜填土、沖填土等成分構(gòu)成的地基環(huán)境，在土壤結(jié)構(gòu)層面缺乏密實(shí)聯(lián)系的特點(diǎn)，很容易出現(xiàn)沉降、裂縫、地下水溢出等問題，影響地表工程的穩(wěn)定性。

因此，在進(jìn)行石油儲罐選址的過程中，需要對地基進(jìn)行前期處理，這也屬于設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重要部分，即針對現(xiàn)有的環(huán)境進(jìn)行評估（社會環(huán)境、人文環(huán)境、自然環(huán)境），如果軟土地基現(xiàn)狀在可控制范圍內(nèi)，通過較小的成本代價(jià)即可滿足正常要求，則可以繼續(xù)展開后續(xù)的設(shè)計(jì)工作。具體數(shù)據(jù)包括軟土地基的組成、分布、土質(zhì)和均勻性等，如果是城市建設(shè)過程中的回填土、雜填土，應(yīng)該查明歷史數(shù)據(jù)，搞清楚究竟是什么成分。

同時，也可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和地基現(xiàn)狀展開設(shè)計(jì)，即通過計(jì)算地基的承載力，進(jìn)而改善儲罐的大小、體型、結(jié)構(gòu)等。

2.2 大型儲罐的基礎(chǔ)類型

大型儲罐基礎(chǔ)與常用土工結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)之間存在差異，其本身具備獨(dú)有的特點(diǎn)，即大型儲罐的罐體體積相對較大，并且撓性較強(qiáng)。罐體的荷載面積以及單位面積的荷載強(qiáng)度大。整體來說，罐體荷載均勻。基于沖水實(shí)驗(yàn)，可使罐體荷載提升至最大強(qiáng)度。大型儲罐建設(shè)位置發(fā)生地震時，造成罐體以及裝置內(nèi)部液體的受力產(chǎn)生劇烈的變化。大型儲罐基礎(chǔ)的類型有三種，即環(huán)墻式罐基礎(chǔ)、外環(huán)墻式罐基礎(chǔ)以及護(hù)坡式罐基礎(chǔ)。

2.2.1 環(huán)墻式罐基礎(chǔ)類型。環(huán)墻式罐基礎(chǔ)類型根據(jù)建設(shè)材料的不同，又可分為磚砌環(huán)墻式、石砌環(huán)墻式、碎石環(huán)墻式以及鋼筋混凝土環(huán)墻式。其中鋼筋混凝土環(huán)墻式罐基礎(chǔ)建設(shè)階段，在大型儲罐的壁板下方設(shè)置鋼筋混凝土環(huán)墻，進(jìn)而支撐壁板的荷重。大型儲罐中，浮頂罐可運(yùn)用此種基礎(chǔ)類型。大型儲罐建設(shè)時，通過使用鋼筋混凝土環(huán)墻式罐基礎(chǔ)，能夠降低儲罐周邊受力不均出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，提高建設(shè)面積的使用效率。

由于在軟土地基的基礎(chǔ)上建設(shè)大型儲罐，都會產(chǎn)生較大的沉降量，因此儲罐建設(shè)階段需要設(shè)計(jì)儲罐罐底標(biāo)高相關(guān)步驟。罐底預(yù)抬高的高度，需要根據(jù)工程施工技術(shù)對罐底標(biāo)高的施工要求以及大型儲罐最終所形成的沉降進(jìn)行估算。設(shè)置環(huán)墻式罐基礎(chǔ)，可以減少大型儲罐建設(shè)場地中需要預(yù)抬高的土方量，并且能夠省去環(huán)墻式罐周邊的土石方堆填步驟，降低了大型儲罐所在區(qū)域面積的外部荷載影響，提高了大型儲罐的穩(wěn)定性。

2.2.2 外環(huán)墻式罐基礎(chǔ)類型。外環(huán)墻式罐基礎(chǔ)，需要將儲罐的建設(shè)區(qū)域預(yù)先鋪設(shè)砂墊層，而后將儲罐施工建設(shè)在砂墊層之上。儲罐建設(shè)完成后，施工單位應(yīng)在砂墊層基礎(chǔ)周邊設(shè)置鋼筋混凝土環(huán)墻，實(shí)現(xiàn)對砂墊層的防護(hù)，保證其穩(wěn)定性。

2.2.3 護(hù)坡式罐基礎(chǔ)類型。護(hù)坡式罐基礎(chǔ)類型根據(jù)護(hù)坡的建設(shè)材料不同，可分為混凝土護(hù)坡、石砌護(hù)坡以及碎石灌漿護(hù)坡。護(hù)坡罐基礎(chǔ)建設(shè)階段，需要將儲罐建設(shè)在砂墊層之上，同時在砂墊層基礎(chǔ)周邊設(shè)置護(hù)坡，阻擋砂墊層中砂石的流失。

2.3 大型儲罐的選型設(shè)計(jì)

大型儲罐選型階段，應(yīng)根據(jù)儲罐的規(guī)格、容積、施工環(huán)境的地質(zhì)、施工原料的供應(yīng)、業(yè)主的實(shí)際需求以及施工單位的施工技術(shù)、地基的處理方式和社會經(jīng)濟(jì)的影響等多方面實(shí)現(xiàn)綜合分析研究，確定需要建設(shè)的儲罐類型。儲罐建設(shè)依照地質(zhì)環(huán)境選型，需要滿足一些條件。例如，當(dāng)儲罐建設(shè)場地沒有硬性要求時，并且建設(shè)環(huán)境中的地基土質(zhì)能夠提供足夠的承載力，可以采用護(hù)坡式或者基于鋼筋混凝土的外環(huán)墻式罐基礎(chǔ)。如果軟土地基不能滿足建設(shè)所需承載力的要求，但是計(jì)算得到的沉降差在合理范圍內(nèi)，可以采用環(huán)墻式、外環(huán)墻式以及護(hù)坡式罐基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，大型儲罐的建設(shè)和運(yùn)用對于滿足我國石油儲運(yùn)具有重要意義。大型儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)業(yè)主的需求以及實(shí)際的建設(shè)環(huán)境，結(jié)合不同的儲罐類型，設(shè)計(jì)并制定出合理的大型儲罐建設(shè)方案，提高儲罐建設(shè)的效率，促進(jìn)社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定

發(fā)展。

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作者簡介：矯立超（1987-），男，山東青島人，海工英派爾工程有限公司助理工程師，碩士，研究方向：化工設(shè)備設(shè)計(jì)；田震（1989-），女，山東聊城人，海工英派爾工程有限公司助理工程師，研究方向：靜設(shè)備設(shè)計(jì)；李斐凡（1991-），女，山東淄博人，海工英派爾工程有限公司助理工程師，研究方向：靜設(shè)備設(shè)計(jì)；王民中（1989-），男，山東東阿人，海工英派爾工程有限公司助理工程師，碩士，研究方向：壓力容器設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）