臥式雙層埋地罐的工程設(shè)計(jì)

程濤濤，邵繼東

(惠生工程(中國)有限公司 河南化工設(shè)計(jì)院分公司，河南 鄭州 450018)

臥式雙層埋地罐對(duì)于儲(chǔ)存易燃易爆的介質(zhì)具有良好的防火、防爆效果[1]；對(duì)于儲(chǔ)存有毒或污染性質(zhì)的介質(zhì)，其外層結(jié)構(gòu)保證泄漏物不會(huì)直接污染土壤和水源，提高了環(huán)保性能。良好的安全和環(huán)保特性，使其能夠勝任日益嚴(yán)苛的環(huán)保要求，廣泛應(yīng)用于化工和煉油等行業(yè)。由于此類設(shè)備深埋地下，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別考慮設(shè)備所處的埋地環(huán)境和自身操作工況。本文結(jié)合某項(xiàng)目中一臺(tái)導(dǎo)熱油地下罐的設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊考慮、選材、內(nèi)/外筒設(shè)計(jì)參數(shù)的確定等進(jìn)行探討。

1 設(shè)備概況

1.1 設(shè)備設(shè)計(jì)條件

工藝條件見表1。

表1 工藝條件

1.2 設(shè)備描述

導(dǎo)熱油地下罐是全廠的導(dǎo)熱油事故罐和收集罐，系臥式雙層埋地罐，在發(fā)生事故或全廠檢修時(shí)收集從循環(huán)泵、控制閥及安全閥排出的導(dǎo)熱油,示意圖見圖1。此設(shè)備安放于地下，用沙或土覆蓋。設(shè)備外筒的設(shè)置考慮以下兩個(gè)因素：

a.由于設(shè)備安放在地下，不能直觀、實(shí)時(shí)地檢查接觸工藝介質(zhì)的內(nèi)筒是否發(fā)生失效，如果內(nèi)筒壁最終因腐蝕等原因產(chǎn)生孔洞而使導(dǎo)熱油外泄至土壤，將會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。因此，設(shè)置外筒作為第二重的保護(hù)。

b.外筒和內(nèi)筒之間在正常工況下充有常壓氣體，并配備具有泄放功能的現(xiàn)場(chǎng)壓力表。如果內(nèi)筒殼體發(fā)生失效，現(xiàn)場(chǎng)壓力表泄放后壓力持續(xù)升高，那么內(nèi)筒殼體就會(huì)發(fā)生破裂。

圖1 臥式雙層埋地罐示意圖

較之常見的單層埋地儲(chǔ)罐，此類雙層設(shè)備的外筒在內(nèi)筒失效時(shí)，仍可避免內(nèi)筒介質(zhì)接觸土壤環(huán)境。另外，在本項(xiàng)目的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，還為本設(shè)備設(shè)置了混凝土池，相當(dāng)于又多了一重保障，充分體現(xiàn)了不以犧牲環(huán)境為代價(jià)的綠色化工理念。

1.3 設(shè)備材料選擇

設(shè)備選材通常需結(jié)合工程造價(jià)、環(huán)境特點(diǎn)及介質(zhì)等因素，埋地設(shè)備容易忽視的因素為凍土層自然條件，即作為儲(chǔ)存設(shè)備，需要充分考慮埋深與凍土層的關(guān)系，如埋在凍土層以下，選材需考慮其低溫使用性能。本設(shè)備處于混凝土池中不存在凍土層，選材不需要考慮凍土的低溫影響，故設(shè)備主體(內(nèi)/外筒)和支座均采用Q345R材料；考慮到內(nèi)筒導(dǎo)熱油的清潔度要求，盤管采用304材料。

1.4 設(shè)備防腐

考慮到該設(shè)備安裝在地下，為了降低覆土中的水和氯化物對(duì)其造成的腐蝕，外筒壁除正常的防腐涂漆外，還包裹有瀝青保護(hù)層。

2 設(shè)計(jì)過程中的注意事項(xiàng)

2.1 支承形式

地下儲(chǔ)罐的固定常用兩種方法。

方法1：罐體上不設(shè)鞍座，只是在罐的底部支承區(qū)焊兩塊襯板，并用定位板限制容器的轉(zhuǎn)動(dòng)。罐體基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成混凝土鞍座，在其上相應(yīng)的位置預(yù)埋兩塊鋼板，待設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)就位后，分別將對(duì)應(yīng)的襯板和預(yù)埋鋼板焊牢即可[2]。為了方便按照現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，建議定位板的設(shè)置與鞍座墊板相同，并使定位板與罐體基礎(chǔ)上的連接板相焊或用螺栓固定，以防止使用中由于配管力、地震力等外載荷作用而使筒體移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。

方法2：在罐體上設(shè)置鞍座。此時(shí)，在容器正常操作條件(內(nèi)壓或外壓)下，設(shè)備支座除了受自身罐體和介質(zhì)產(chǎn)生的重力作用外，還要受到覆蓋于罐體上方細(xì)砂的重力作用、混凝土水泥路面的重力作用以及地下水對(duì)罐體的浮力作用等。此方法為常規(guī)方法。

本例設(shè)備選用鞍座支承形式。特殊之處是此時(shí)罐體共有3個(gè)鞍座，兩端各有一個(gè)大鞍座，中間有一較小的鞍座，支撐在設(shè)備中間液包的封頭上，且鞍座兩側(cè)有限位塊進(jìn)行約束(如圖2所示)。設(shè)備正常操作時(shí)，中間鞍座不受力，亦不接觸基礎(chǔ)，僅承受軸向載荷，起到限位的作用，使設(shè)備在受熱時(shí)可以向兩端均勻膨脹。兩端鞍座為實(shí)際意義上的鞍座，承受設(shè)備及附加載荷。與常規(guī)方法相比不同的是：兩端鞍座均為滑動(dòng)鞍座，兩端底板均有調(diào)整螺栓，罐體基礎(chǔ)上配有墊板，且墊板上有與調(diào)整螺栓匹配的螺紋孔(以左端滑動(dòng)鞍座為例的局部結(jié)構(gòu)見圖3)。安裝時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)兩端的4個(gè)調(diào)整螺栓，使設(shè)備在安裝過程中保持水平，不彎曲，以避免設(shè)備變形，進(jìn)而可能產(chǎn)生局部應(yīng)力。

圖2 中間鞍座示意圖

圖3 滑動(dòng)端固定結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 內(nèi)筒設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

2.2.1 內(nèi)筒正壓工況

結(jié)合表1，內(nèi)筒按400℃的設(shè)計(jì)溫度，0.5MPa的設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行正壓工況的設(shè)計(jì)。

2.2.2 內(nèi)筒負(fù)壓工況

根據(jù)工藝條件描述，事故工況時(shí)，內(nèi)筒導(dǎo)熱油的氣相組分會(huì)在內(nèi)筒氮封失效且溫度降至250℃時(shí)開始發(fā)生液化，出現(xiàn)-0.1MPa工況，而此時(shí)外筒的常壓氣體經(jīng)過升溫因積聚作用也產(chǎn)生了一定的壓力。這里假定外筒內(nèi)為恒定容積的理想氣體，根據(jù)理想氣體的克拉伯龍方程pV=nRT，可以計(jì)算得到在250℃時(shí)夾套內(nèi)的氣體壓力升至約0.078MPa(G)，則內(nèi)筒可按設(shè)計(jì)外壓0.178MPa，設(shè)計(jì)溫度250℃進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 外筒設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

2.3.1 外筒正壓工況

外筒正壓工況是基于內(nèi)筒一旦破裂，保證內(nèi)部導(dǎo)熱油不泄漏到外部土層的情況來進(jìn)行考慮的，故外筒正壓工況同內(nèi)筒的正壓工況。按設(shè)計(jì)溫度400℃，設(shè)計(jì)壓力0.5MPa的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.2 外筒負(fù)壓工況

2.3.2.1 罐體上方覆土層產(chǎn)生的靜壓力

假設(shè)罐體上方土體是均勻的半無限體，且天然地面是一個(gè)無限大的水平面，土體在自身重力的作用下任一豎直切面均為對(duì)稱面，切面上不存在剪應(yīng)力[3]。因此，在深度z處平面上，土體因自身重力產(chǎn)生的豎向載荷pv(豎向自重應(yīng)力)等于單位面積上土柱體的重力W，在深度z處的自重應(yīng)力為

(1)

式中：γ—土的重度，kN/m3；F—土柱體的截面積，m2。

根據(jù)半無限彈性體在無側(cè)移的條件下側(cè)壓力與豎向應(yīng)力之間的關(guān)系[3]，深度z處的側(cè)向靜止土壓力強(qiáng)度為

ph=K0·γ·z

(2)

式中：K0—靜止土壓力系數(shù)。

因覆層壓力作用而使罐體產(chǎn)生的靜壓力的計(jì)算方法有兩種：

a.根據(jù)文獻(xiàn)4。如圖4所示，對(duì)于半徑為R0的臥放筒體，在距地面深度為H處，A點(diǎn)筒體表面的法向壓力p是由pv和ph產(chǎn)生的，令該點(diǎn)斜邊長(zhǎng)為d1的三角單元體[4]，則

pd1=pvsinθd1sinθ+phcosθd1cosθ

p=pvsin2θ+phcos2θ=(γgHsin2θ+K0γgHcos2θ)×10-6=[γg(H0+R0(1-sinθ))sin2θ+K0γg(H0+R0(1-sinθ))cos2θ]×10-6=γg[H0+R0(1-sinθ)]·(sin2θ+Kcos2θ)×10-6

(3)

表明最大法向壓力發(fā)生在θ=90°的圓筒體頂點(diǎn)。為計(jì)算簡(jiǎn)便起見，取該法向壓力乘以1.2～1.4系數(shù)作為埋地臥式容器受土體重力作用而產(chǎn)生的外壓，即p0=1.2～1.4)γH0g×10-6MPa。

上述結(jié)論有待商榷，如θ=0°時(shí)的法向靜壓力明顯大于θ=90°時(shí)的法向靜壓力，經(jīng)求導(dǎo)計(jì)算，θ=0°時(shí)恰為圓筒法向壓力的最大極值點(diǎn)。

圖4 罐體受覆土層重力作用產(chǎn)生外壓示意圖

b.根據(jù)文獻(xiàn)5。假設(shè)容器半徑為R，圓筒埋入地下的高度為H0，作用于圓筒外表面上的豎向土壤自重應(yīng)力σCH以及作用于圓筒外表面上的側(cè)向土壤自重應(yīng)力σCX為以圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，作用于圓心以上載荷面任意點(diǎn)M且垂直于外表面的面應(yīng)力,即為均布圓筒中點(diǎn)上任意深度H處M點(diǎn)的靜壓力p[5]，示意圖見圖5。

p2=σCX2+σCH2=σCH2+(K0σCH)2=(γH×10-5)2(1+K02)

(4)

圓筒靜壓力在x-x水平面上，但此處σCH與圓筒外表面相切，不存在土壤對(duì)圓筒產(chǎn)生的豎向靜壓力，而僅存在側(cè)向靜壓力,根據(jù)《地基與基礎(chǔ)》中計(jì)算擋土墻上土壓力的方法，圓筒最大靜壓力的作用點(diǎn)可近似簡(jiǎn)化在距離圓心R/3處，即有

圖5 罐體受均布載荷中點(diǎn)以上的靜壓力示意圖

(5)

筆者認(rèn)為，上述直接將應(yīng)力進(jìn)行勾股定理的求和，應(yīng)力為矢量，直接平方求和有一定的局限性，故此方法值得商榷。

上述兩種方法的結(jié)果暫且不論，其思路和簡(jiǎn)化方法還是值得借鑒的。工程中埋地設(shè)備上面除去覆土層外，還應(yīng)考慮過車、操作設(shè)備等一些暫時(shí)性或永久性的附加載荷，在偶然因素影響較多時(shí)，建議取埋土等對(duì)設(shè)備本體造成的外壓力為-0.1MPa?？紤]到上述兩種方法的計(jì)算結(jié)果一般較小(覆土層約500mm時(shí)，上述兩種方案的計(jì)算外壓在0.03MPa左右)，附加工況又頗為復(fù)雜，此種取舍在保證設(shè)計(jì)裕量的情況下，可以大大提高設(shè)計(jì)效率。

2.3.2.2 覆土等外載荷及內(nèi)筒共同作用下外筒的設(shè)計(jì)外壓

前面提及，事故狀態(tài)時(shí)設(shè)備內(nèi)筒導(dǎo)熱油的氣相組分會(huì)在氮封失效且溫度降至250℃時(shí)開始發(fā)生液化，出現(xiàn)-0.1MPa工況。保守假設(shè)此時(shí)內(nèi)筒由于意外發(fā)生失效，則夾套內(nèi)部在某些區(qū)域可能也會(huì)出現(xiàn)-0.1MPa的情況。綜合覆土等外載荷及內(nèi)筒的共同作用，外筒的負(fù)壓設(shè)計(jì)工況按設(shè)計(jì)溫度250℃，設(shè)計(jì)外壓-0.2MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.4 罐體抗浮力設(shè)計(jì)計(jì)算

2.4.1 罐體浮力計(jì)算

與常規(guī)的臥式容器相比，埋地罐除了承受覆土施加的載荷外，還可能受到設(shè)備本體過水時(shí)產(chǎn)生的浮力作用。如本例臥式雙層埋地罐置于預(yù)先建造好的混凝土池中，如遇暴雨或其他因素而造成池內(nèi)積水，使埋地罐全部或局部埋入最高地下水位面以下，此時(shí)應(yīng)該進(jìn)行抗浮計(jì)算，即計(jì)算空罐時(shí)有無被浮起的可能。計(jì)算式為

Gg+Gt≥KρsVs

(6)

式中：Gg—罐體自身的重力，N；Gt—罐體自身的重力，N；ρs—水的密度，kg/m3；Vs—罐體被淹的體積，m3；K—安全系數(shù)，取1.2～1.5。

如果不能滿足上式，說明設(shè)備可能在積水池內(nèi)浮起，應(yīng)對(duì)埋地設(shè)備采取抗浮措施，例如在容器上設(shè)置防飄帶，防飄帶固定在配置的混凝土墩或其他結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。假設(shè)防飄帶能承受的拉力為Qf，則應(yīng)滿足

Qf≥KρsVs-Gg-Gt

(7)

但有時(shí)設(shè)備被淹后，上方覆土可能會(huì)被沖刷掉一部分，假設(shè)保守認(rèn)為上方覆土全部被沖掉，如果仍按上述方法計(jì)算就存在設(shè)計(jì)隱患。可將浮力乘上安全系數(shù)后減去設(shè)備自重來計(jì)算浮力：

Qf=KρsVs-Gg

(8)

根據(jù)罐體可能受到的最大浮力以及埋地設(shè)備的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，可以進(jìn)行防飄帶的設(shè)計(jì)。

2.4.2 鞍座地腳螺栓應(yīng)力的校核

罐體浮力值確定后，需校核鞍座地腳螺栓在拉力作用下的軸向應(yīng)力

(9)

式中：σb—地腳螺栓實(shí)際應(yīng)力；d—地腳螺栓根徑；n—地腳螺栓數(shù)目；[σb]—地腳螺栓許用應(yīng)力。

2.4.3 鞍座底板剪應(yīng)力的校核

罐體浮力值確定后，還需校核鞍座底板所承受的剪切應(yīng)力

(10)

式中：σs—鞍座底板剪應(yīng)力；S—鞍座底板橫截面積；n—鞍座數(shù)目；[σs]—鞍座底板許用應(yīng)力。

2.5 覆土層對(duì)罐體產(chǎn)生的附加載荷

將埋地臥式容器上方混土等的質(zhì)量視為附件的均布載荷，并作用在臥式容器上，來計(jì)算軸向彎矩和支座應(yīng)力[4]。

由覆土質(zhì)量引起的鞍座附加反力Fa為

(11)

式中：L—罐體封頭切線間距，m；h1—罐體封頭曲面高度，m；R0—罐體中徑，m。

若混土上方有混凝土面層或其他覆層，則產(chǎn)生的附加載荷Fb為

Fb=γbhb2R0(L+4h1/3)g

(12)

式中：γb—其他覆層密度，kg/m3；hb—其他覆層厚度，m。

由上兩項(xiàng)產(chǎn)生的鞍座或墊板的附加支反力F′為

F′=0.5(Fa+Fb)

(13)

強(qiáng)度校核時(shí)應(yīng)將F′與未埋地時(shí)的支座支反力F相結(jié)合。

3 結(jié)語

臥式雙層埋地罐在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)合理選取設(shè)計(jì)參數(shù)。本文結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)例討論了臥式雙層埋地罐設(shè)計(jì)過程中參數(shù)的確定、選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其他若干注意事項(xiàng)，給工程設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。