大型高溫儲罐基礎隔熱層的設計

行明旭

（中國石化工程建設有限公司，北京 100101）

高溫儲罐介質的設計溫度在90～250℃之間，一般用于儲存重質油品如渣油、蠟油、瀝青等。常溫儲罐一般采用環(huán)墻式基礎，環(huán)墻內部自上而下分別為瀝青砂絕緣層、砂墊層、填料層。GB 50473-2008《鋼制儲罐地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定，當儲罐內儲存介質的最高溫度高于90℃時，與罐底接觸的基礎表面應采取隔熱措施[1]。目前采用較多的方法，是在罐底板與瀝青砂絕緣層之間設置隔熱層，隔熱材料一般選用燒結磚(耐火磚或紅磚)，有的隔熱層還設置了通風結構[2]。賀敏等人[3]對未設置通風道的滿鋪燒結磚隔熱層進行了溫度場計算，有研究者對設計溫度超過250℃的熔鹽儲罐的基礎溫度場進行了數(shù)值研究[4-6]，但目前尚無規(guī)范的標準及系統(tǒng)的研究成果。本文建立了基礎隔熱層的傳熱模型，對石油化工大型高溫儲罐基礎隔熱層的設計進行了研究與分析。

1 未設置通風道的隔熱層傳熱模型

基于以下幾點假定，對未設置通風道的儲罐基礎傳熱模型進行簡化：

1）儲罐內部介質的溫度均勻恒定，可忽略內部介質傳熱；2）罐底板溫度與介質溫度相同，且罐底板的溫度分布均勻；3）儲罐的基礎環(huán)墻內，各層填料內部的溫度分布均勻；4）考慮到基礎環(huán)墻內各層填料的合計厚度與罐直徑相比要小很多，從罐底板至罐基礎底，各層材料僅在垂直于罐底板的方向進行傳熱，可以忽略其他方向的散熱。

高溫儲罐基礎的各層材料溫度，可按照多層平壁一維穩(wěn)態(tài)導熱公式進行計算：

式中，Q為傳熱量，W；q為熱流密度，W·m-2；A為傳熱面積，m2；δi為材料的厚度，m；λi為材料的導熱系數(shù)，W·(m·℃)-1；ti、ti+1為第i層材料兩側的溫度，℃。

以某儲罐為例，罐容20000m3（直徑Φ=38m），儲存溫度110℃，采用筏板基礎，埋深地下1m，隔熱層采用3 層紅磚滿鋪。自上而下，基礎各層材料的厚度及導熱系數(shù)見表1。

表1 儲罐基礎各層材料的參數(shù)

假定基礎底面的土壤溫度為20℃，按照式（1）計算得到各層材料的頂部溫度（表1），其中瀝青砂層的頂部溫度為89℃（＜90℃），滿足規(guī)范要求。當儲罐內部介質的溫度更高時，僅增加隔熱層的厚度，可能無法達到預期的降溫效果，如長期傳熱，會引起瀝青砂絕緣層軟化，此時需要在隔熱層中間設置通風結構，以達到散熱降溫的目的。

2 設置通風道的隔熱層傳熱模型

常見的通風道的隔熱層自下而上依次為：紅磚平鋪、紅磚平鋪留出通風道、紅磚錯縫平鋪壓蓋。通風道可提高散熱效果，帶走罐底的一部分傳熱量。參考HG/T 20643-2012《化工設備基礎設計規(guī)定》的附錄D 中對冷箱基礎熱工計算的假定，按照近似的平壁穩(wěn)定熱傳導方法，對自然通風下通風道的傳熱進行計算[7]。

2.1 通風道內空氣速度的計算

自然通風下，外部風速形成的動壓，使通風道內產(chǎn)生一定的風速。風壓ΔP及通風道的阻力損失ΔPm的計算公式如下：

式中，k為空氣動力系數(shù)；vw、vn為室外、通風道內的空氣風速，m·s-1；ρw為空氣密度，kg·m-3；f為通風道內空氣摩擦阻力系數(shù)；l為通風道長，m；D為通風道當量直徑，m。

由ΔP=ΔPm，可計算得到通風道的風速。根據(jù)已知條件，D=0.06m，查得ρw=1.205kg·m-3，l取通風道平均長度19m，vw取該項目最小月平均風速2.7m·s-1，考慮通風道兩端風載體型系數(shù)，k取1.3。當前式中的f和vn均為未知，可先假定通風道內部的空氣流動屬于臨界區(qū)(2000 ＜Re＜4000)，則f的經(jīng)驗公式如下[8]：

式中：Re為通風道內部空氣的雷諾數(shù)；v為空氣運動黏度，m2·s-1，取15×10-6。

利用式（4）、式（5），可求得f與vn的關系式，代入式（2）、式（3），可分別求得f=0.038，vn=0.886，此時Re=3545，介于2000～4000 之間，屬于臨界區(qū)，符合假設。

2.2 通風道內空氣放熱系數(shù)的計算

可用式(6)、式(7)計算空氣與通風道表面的放熱系數(shù)α[9]：

式中，α為空氣與通風道表面的放熱系數(shù)，W·(m·℃)-1；St 為斯坦登（Stanton）數(shù)；Pr 為普朗特（Prandtl）數(shù)；cp為空氣比定壓熱容，J·(kg·K)-1。

查得Pr=0.7，cp=1005，將已求得的f=0.038、vn=0.886 代入，可得α=6.5。

2.3 基礎溫度的計算

對于設置了通風道隔熱層的基礎，散熱分為2部分，一部分熱量經(jīng)通風道傳向大氣，一部分熱量經(jīng)基礎的各層材料傳向土壤。各層材料溫度的計算公式如下：

式中，Q為總散熱量，W；Q1為通風道向大氣的對流散熱量，W；Q2為隔熱層向下部的傳導散熱量，W；A為罐基礎截面積，m2；A1為通風道表面積，m2；α為空氣與通風道表面的放熱系數(shù)，W·(m·℃)-1；δi為材料的厚度，m；λi為材料的導熱系數(shù)，W·(m·℃)-1；t0，t1，t2，tn+1為基礎各部位溫度，℃。

根據(jù)已知條件，A1=0.8A，α=6.5，假 定tn+1=20℃，t0=20℃，按公式(8)～(11)，當儲罐介質溫度t1=110℃時，計算可得t2=65℃，t3=60℃，隔熱層底部溫度t4=57℃(＜90℃)，滿足規(guī)范要求。當儲罐介質溫度t1=200℃時，其他與上述條件相同，計算可得t2=109℃，t3=100℃，隔熱層底部溫度t4=94℃(＞90℃)，不滿足規(guī)范要求。將隔熱層改為四皮磚鋪設，中間兩皮垂直設置通風道，計算可得t2=84℃，t3=70℃，隔熱層底部溫度t4=63℃(＜90℃)，滿足規(guī)范要求?？梢钥闯觯魺釋有韪鶕?jù)不同的介質溫度進行相應的設計，通風道的面積越大，間距越小，降溫效果越好，但設計時應驗算隔熱材料的強度是否滿足要求。

本文按照近似的平壁穩(wěn)定熱傳導方法，對自然通風下通風道的傳熱進行了計算。但通風道截面的尺寸較小，屬于狹長通道，在實際的散熱過程中，通風道內的平均溫度高于室外溫度，夏季時通風道內的溫度還會更高，從而影響散熱效果。若施工過程中不注意清理雜物造成通風道堵塞，也會影響散熱效果。這些均屬于散熱的不利因素，設計過程中應適當考慮。

3 隔熱層做法的探討

目前，國內的石油化工高溫儲罐基礎，多采用設置通風道的燒結磚砌體進行隔熱層的設計，降低溫度的同時會導致熱量散失，為保證工藝要求，需消耗更多的能量來維持介質溫度。從低碳節(jié)能的角度考慮，取消通風道，采用導熱系數(shù)更低的材料進行隔熱降溫設計，就能大大減少能量消耗，降低經(jīng)濟成本。按照表1 的基礎參數(shù)，將隔熱層替換為導熱系數(shù)更低的材料，從絕熱角度進行設計，在不同的介質溫度下，隔熱層厚度的計算結果見表2。表2 中的計算結果僅供參考，此外還可以增加隔熱材料的厚度，使溫度降得更多，從而提高隔熱效果，降低能耗。

表2 不同材料隔熱層的計算厚度 /mm

關于高溫儲罐基礎的做法，美標（PIP STE03020）中指出，除非隔熱層的導熱系數(shù)遠低于土壤的導熱系數(shù)，否則隔熱層不起作用；同時隔熱層還會引起濕氣駐留、罐底腐蝕、維護困難等問題。因此，美標中明確規(guī)定不允許采用罐底隔熱層，在設計時，考慮到高溫下材料強度的折減，建議做法如下[10]：

做法1：罐底板落于基礎環(huán)墻頂，環(huán)墻內自上而下為潔凈的干砂、不含氯化物的黏土襯砌及壓實的回填土。

做法2：罐底板落于鋼筋混凝土板上，罐直徑小于30 英尺（約9m）時，鋼筋混凝土板與環(huán)墻整體澆筑；罐直徑大于20 英尺（約6m）時，鋼筋混凝土板與環(huán)墻頂部脫開。

做法3：罐底板落于筏板基礎環(huán)墻頂，環(huán)墻內部用細顆粒碎石或砂充填。

4 瀝青砂絕緣層的必要性分析

設置瀝青砂絕緣層的目的，一是防止潮氣、砂石土填料層中的有害化學物質及雜散電流腐蝕罐底板；二是在焊接罐底板時，高溫會使瀝青砂局部熔化而附著，從而對焊縫處的罐底板進行防腐保護；三是為了便于罐底的鋪設和安裝，保持罐基礎頂?shù)男螤詈突A錐面的坡度和平整度。實際使用效果的分析如下：

1）設置了隔熱層的儲罐基礎，瀝青砂絕緣層在隔熱層下部，并未與罐底板直接接觸，未起到保護罐底、方便鋪設的目的。

2）現(xiàn)行的GB/T 50934-2013《石油化工工程防滲技術規(guī)范》要求，儲罐基礎要防滲，環(huán)墻式儲罐基礎應設置HDPE 防滲膜，承臺式儲罐基礎應采用抗?jié)B混凝土，在承臺及承臺以上的環(huán)墻內表面，宜涂刷聚合物水泥等柔性防水涂料[11]。防滲層可以有效阻隔地下水，防止潮氣、土壤中的有害化學物質及雜散電流腐蝕罐底板，因此瀝青砂絕緣層的作用減小。

3）在實際工程應用中，因儲罐內部介質的液位、壓力及溫度發(fā)生變化，瀝青砂層會出現(xiàn)開裂、粉化或軟化的問題，起不到應有的作用。潮氣透過裂縫進入罐底板和瀝青砂的縫隙，當溫度變低時，會有水分析出、凝聚，導致罐底板腐蝕[12]。

4）安裝了陰極保護的儲罐，瀝青砂絕緣層會阻礙陰極保護電流的流動，影響儲罐底板陰極的保護效果。

基于以上分析，綜合考慮隔熱層及防滲層的使用效果，認為瀝青砂絕緣層的防腐保護、便于安裝等作用已經(jīng)減小，在今后的儲罐基礎設計中，可以考慮取消設置瀝青砂絕緣層。

5 結論

1）以石油化工的高溫儲罐為例，通過建立基礎溫度場簡化模型，利用一維穩(wěn)定傳熱理論，對不同溫度下的磚砌體隔熱層溫度分別進行了計算。結果表明，未設置通風道的磚砌體，僅靠熱傳導難以滿足較高溫度儲罐的隔熱要求；設置了通風道的磚砌體，可以向外界空氣散熱，達到了降溫目的。但設計時，應根據(jù)儲罐內不同的介質溫度，對通風道的構造進行相應調整，以滿足降溫要求。

2）考慮到低碳節(jié)能的要求，在設計時，建議采用導熱系數(shù)更低的材料，從絕熱角度進行隔熱層設計。

3）與美標的高溫儲罐基礎的做法進行了比較，可為國內石油化工高溫儲罐的基礎設計提供思路。

4）綜合考慮隔熱層及防滲層的使用效果，認為瀝青砂絕緣層的防腐保護、便于安裝等作用已經(jīng)減小，在今后的儲罐基礎設計中，可以考慮取消設置瀝青砂絕緣層。