大型石油儲(chǔ)罐錨固設(shè)計(jì)探討

李 超

（勝幫科技股份有限公司，上海 201210）

錨固是大型石油儲(chǔ)罐的抗風(fēng)和抗震功能組件，具有重要的安全保障作用，應(yīng)該結(jié)合使用條件合理設(shè)置并進(jìn)行設(shè)計(jì)校算。目前錨固設(shè)計(jì)只有通用性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范條款，相關(guān)規(guī)范和方法應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)計(jì)者將已知技術(shù)參數(shù)、條件合理落實(shí)為一般規(guī)范算法的輸入?yún)?shù)和條件,這種需要引發(fā)了許多研究與探討[1-9]。文中辨析了錨固與塔器地腳螺栓座的區(qū)別、需要設(shè)置錨固的3種情況，討論了錨固設(shè)計(jì)制造需要注意的一些細(xì)節(jié)。

1 錨固與塔器地腳螺栓座的區(qū)別

錨固的總體結(jié)構(gòu)與塔器的地腳螺栓座相似，但是因?yàn)樵O(shè)計(jì)理念的不同，在一些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)上又有很大的不同。塔器地腳螺栓座承受的是風(fēng)載荷、地震載荷和重力載荷的組合作用，地腳螺栓的設(shè)置意圖是防止塔在組合載荷作用下的傾倒，其基礎(chǔ)環(huán)板承受整個(gè)塔器的重力及組合彎矩，因?yàn)槌惺軌毫Φ拿娣e小，板厚通常取得比較大，按照NB/T 47041—2014《塔式容器》[10]標(biāo)準(zhǔn)釋義與算例規(guī)定，基礎(chǔ)環(huán)板厚度應(yīng)不小于16 mm。而大型石油儲(chǔ)罐的錨固考慮的是微內(nèi)壓、儲(chǔ)液功能、風(fēng)載荷、地震載荷及儲(chǔ)液質(zhì)量都能被底板均勻承受，因?yàn)槌休d面大，所以底板都相對(duì)薄很多。同時(shí)，為了防止罐壁產(chǎn)生過(guò)大的局部應(yīng)力和變形，通常還會(huì)在罐壁貼上一塊墊板。錨固螺栓的數(shù)量也是按照GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中第11.2.3條規(guī)定計(jì)算的，舉升力的大小對(duì)錨固螺栓數(shù)量起著決定性的作用。

2 設(shè)置錨固的3種情形及其計(jì)算分析

2.1 第一種情況

大型石油儲(chǔ)罐應(yīng)該設(shè)置錨固的第一種情況為，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力產(chǎn)生的舉升力大于罐壁、罐頂及其所支撐構(gòu)件的總重力，同時(shí)小于或等于18 kPa。在這種情況下，錨固的設(shè)置由2個(gè)參數(shù)決定，即舉升力和罐壁、罐頂及其支撐構(gòu)件總重力。在實(shí)際工況中，這2個(gè)參數(shù)如何取值，其影響是否可以忽略，不能一概而論，應(yīng)根據(jù)具體情況分析。

2.1.1 舉升力

對(duì)于大型石油儲(chǔ)罐，舉升力計(jì)算如下。

式中，U為舉升力，W1為由罐壁有效厚度及除去罐頂板外由罐壁支撐的構(gòu)件有效厚度確定的重力，N；pi為微內(nèi)壓油罐的最大設(shè)計(jì)壓力，kPa；D為油罐內(nèi)徑，m；C2為腐蝕裕量，th為罐頂板名義厚度，mm。

1臺(tái)儲(chǔ)罐的直徑往往開(kāi)始就被儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)確定，因此影響舉升力大小的主要是設(shè)計(jì)內(nèi)壓。設(shè)計(jì)內(nèi)壓一般都是根據(jù)呼吸閥的工作壓力選取的，常用呼吸閥的工作壓力為1.5 kPa或者5 kPa,設(shè)計(jì)壓力相應(yīng)的取2 kPa或者6 kPa，這2種呼吸閥設(shè)計(jì)壓力相差4 kPa,在壓力容器設(shè)計(jì)中4 kPa的壓差大概率會(huì)被忽略。但是，進(jìn)行錨固計(jì)算時(shí)，4 kPa的壓差造成的影響卻是非常巨大的。

以1臺(tái)直徑21 m、罐壁高度16.5 m的煤焦油原料罐進(jìn)行說(shuō)明。已知工藝計(jì)算的罐壁、罐頂及支撐件重力為1 156 840 N，當(dāng)設(shè)計(jì)內(nèi)壓按2 kPa計(jì)算時(shí)，產(chǎn)生的舉升力為 692 721 N，這個(gè)值小于1 156 840 N，所以不需要設(shè)置錨固；當(dāng)設(shè)計(jì)內(nèi)壓按6 kPa計(jì)算時(shí)，產(chǎn)生的舉升力為2 078 163 N,幾乎超出各組件總重力的1倍，必須設(shè)置錨固。

因此在進(jìn)行儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該重視儲(chǔ)罐內(nèi)壓的取值，要與儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行充分的溝通，得出正確的呼吸閥工作壓力，防止因?yàn)檫x錯(cuò)壓力而造成儲(chǔ)罐的傾倒事故。

2.1.2 總重力

總重力包括附屬在罐壁和罐頂?shù)钠脚_(tái)、爬梯以及保溫的重力。其中平臺(tái)爬梯的重力對(duì)于大型儲(chǔ)罐總重力而言影響不大，保溫層的重力必須納入考慮。保溫因?yàn)橥耆采w在罐壁上，而且大型石油儲(chǔ)罐罐壁表面積都非常大，當(dāng)保溫材料的密度很大、保溫厚度很厚時(shí)，保溫層的重力是相當(dāng)大的，因此需要引起重視。

舉例子進(jìn)行說(shuō)明。1臺(tái)大型石油儲(chǔ)罐直徑為25 m，罐壁高20 m，罐壁需要保溫，保溫材料高溫玻璃棉密度為50 kg/m3，厚度80 mm。單按保溫材料估算出質(zhì)量為6 290 kg，如果就按這個(gè)重力進(jìn)行錨固設(shè)計(jì)會(huì)出大問(wèn)題，因?yàn)楸夭牧喜⒉皇侵苯淤N在罐壁上的，它還需要一些支撐件和固定件，這些部件的重力有時(shí)候是很大的，有時(shí)候甚至遠(yuǎn)超材料本身重力。以常用的鎧裝式保溫進(jìn)行說(shuō)明，此保溫形式中鋁合金薄板(壓型板)、角鋼支撐圈和扁鋼占了相當(dāng)大的質(zhì)量，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算時(shí)通常會(huì)把這些質(zhì)量和保溫材料合在一起折算1個(gè)平均密度，一般為200 kg/m3，按此密度估算質(zhì)量為25 160 kg，前后對(duì)比差距很大，有可能就會(huì)因?yàn)檫@個(gè)質(zhì)量而不需要設(shè)置錨固，節(jié)省土建費(fèi)用。

2.2 第二種情況

大型石油儲(chǔ)罐應(yīng)該設(shè)置錨固的第二種情況為，風(fēng)載荷滿(mǎn)足依據(jù)GB 50341—2014中第11.1條給出的 2個(gè)條件 0.6Mw+MPi≥MDL/1.5+MDLR、Mw+MPi≥(MDL+MF)/2+MDLR中的1條。條件式中，Mw為水平和垂直風(fēng)壓對(duì)罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩，MPi為設(shè)計(jì)內(nèi)壓對(duì)罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩，MDL為罐壁重力和罐頂支撐件重力（不包括罐頂板）對(duì)罐壁罐底接合點(diǎn)的反傾倒力矩，MDLR為罐頂板及其上附件重力對(duì)罐壁罐底接合點(diǎn)的反傾倒力矩，MF為儲(chǔ)液重力對(duì)罐壁罐底接合點(diǎn)的反傾倒力矩， N·m。

2.2.1 參數(shù)計(jì)算公式

在石油儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中，按下面的公式計(jì)算水平和垂直風(fēng)壓對(duì)罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩。

MWS、，MWR根據(jù) GB 50341—2014 中圖11.1.2計(jì)算如下。

式（3）和式（4）中:

石油儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中風(fēng)壓計(jì)算如下：

式（2）～式（7）中，pWS為作用于罐壁上的水平風(fēng)載荷，pWR為作用于罐頂部的舉升風(fēng)載荷，kPa；v為風(fēng)速，km/h；H 為油罐罐壁高度，m；ρ為空氣密度，kg/m3。

2.2.2 參數(shù)影響分析

在大型石油儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)中，當(dāng)所設(shè)計(jì)的油罐由于前排油罐有可能形成狹管效應(yīng)[12-13]而導(dǎo)致風(fēng)力增強(qiáng)時(shí)，應(yīng)將基本風(fēng)壓再乘以1.2～1.5的調(diào)整系數(shù),這條很多設(shè)計(jì)人員會(huì)忽視。狹管效應(yīng)會(huì)大幅加大Mw值，通過(guò)調(diào)整后的風(fēng)壓可能就需要設(shè)置錨固或者需要設(shè)置更大的錨固。

繼續(xù)以第一種情況中提到的儲(chǔ)罐計(jì)算為例，已知當(dāng)?shù)仫L(fēng)速v=190 km/h、pWS=0.86 kPa、pWR=1.44 kPa、D=25 m、H1=20 m,應(yīng)用式（1）～式（3）計(jì)算得到 MWS=4 300 000 N·m、MWR=8 835 750 N·m、Mw=13 135 750 N·m 。

當(dāng)該儲(chǔ)罐出現(xiàn)在罐區(qū)時(shí)，計(jì)算時(shí)就要考慮可能的狹管效應(yīng)。這時(shí)，按照經(jīng)驗(yàn)將調(diào)整系數(shù)取為1.4，則 Mw=1.4 MWS+1.4 MWR=18 390 050 N·m, 傾倒力矩相比未考慮狹管效應(yīng)時(shí)的13 135 750 N·m增加了5 254 300 N·m，這個(gè)力矩增量比調(diào)整前的MWS還大，其影響顯然是不能忽略的，否則就極可能造成儲(chǔ)罐的傾倒。

此外，還有一個(gè)于此有關(guān)的問(wèn)題就是，為什么相同直徑的大型儲(chǔ)罐有的設(shè)置了錨固而有的卻沒(méi)有設(shè)置，而且罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)看到的不設(shè)置錨固的往往都是矮胖型的儲(chǔ)罐。這是因?yàn)?，MWS與H是平方的關(guān)系，高徑比的影響不能忽略。對(duì)于同一直徑的儲(chǔ)罐，分別用數(shù)值為0.9、1.4的高徑比進(jìn)行比較計(jì)算，就可發(fā)現(xiàn)高徑比為1.4時(shí)計(jì)算的MWS是高徑比為0.9時(shí)儲(chǔ)罐MWS的2.42倍，所以不同高度的選擇會(huì)極大地影響錨固的設(shè)計(jì)。

2.3 第三種情況

2.3.1 抗震設(shè)計(jì)規(guī)則

基于抗震設(shè)計(jì)規(guī)則，設(shè)置錨固的條件為，當(dāng)錨固系數(shù)J小于或等于0.785時(shí)，不產(chǎn)生舉升力，可無(wú)需錨固；當(dāng)錨固系數(shù)J大于0.785，且小于或等于1.54時(shí)，罐壁受到的側(cè)向拉力已開(kāi)始提離，可無(wú)需錨固；當(dāng)錨固系數(shù)J大于1.54時(shí)，必須設(shè)置錨固。

2.3.2 舉例分析

錨固系數(shù)根據(jù)抗震設(shè)防烈度計(jì)算。某罐區(qū)工程項(xiàng)目的罐區(qū)抗震設(shè)防烈度為7（0.1g），將其調(diào)整為 8（0.2g） 和 8（0.3g）后分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某罐區(qū)部分儲(chǔ)罐不同抗震設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)的計(jì)算錨固系數(shù)

由表1可知，①抗震設(shè)防烈度為7（0.1g）時(shí)，一般是不需要設(shè)置錨固的。②不同的高徑比對(duì)應(yīng)的錨固系數(shù)不同，規(guī)律是錨固系數(shù)隨著高徑比的增加而增大。③隨著地震加速度的增加，錨固系數(shù)會(huì)大幅增加，除了特別小的高徑比的儲(chǔ)罐，抗震設(shè)防烈度大于等于8（0.2g）時(shí)基本都要設(shè)置錨固。④當(dāng)高徑比差不多（例如，柴油罐0.96，重污油罐0.91）時(shí)，在不同的抗震設(shè)防烈度下的錨固系數(shù)也相差不多。

此外，需要補(bǔ)充的是，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為7（0.1g）時(shí)，按照 GB 50341—2014附錄 D的要求設(shè)計(jì)的儲(chǔ)罐，其高徑比都會(huì)小于1.6，因此錨固系數(shù)的增加也會(huì)有個(gè)限度，基本都在1.54的范圍內(nèi)。表1中，二甲苯罐高徑比最大，為1.2，其錨固系數(shù)也才1.17。

3 錨固設(shè)計(jì)制造注意細(xì)節(jié)[14-16]

3.1 螺栓中心圓設(shè)置不當(dāng)

螺栓中心圓的設(shè)置應(yīng)充分考慮罐底邊緣板的尺寸，因?yàn)镚B 50341—2014中5.2規(guī)定的邊緣板外側(cè)到罐壁板外側(cè)的距離大于等于50 mm是一個(gè)范圍，對(duì)于大直徑的儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)人員有時(shí)候就會(huì)將此距離取得很大，即邊緣板外徑很大，但是地腳螺栓的設(shè)計(jì)又都遵循盡量采取小的螺栓中心圓的理念，這種只注意了標(biāo)準(zhǔn)和螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)而忽略了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會(huì)讓地腳螺栓與邊緣板碰撞（圖1）。

圖1 螺栓中心圓設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的邊緣板與螺栓干擾示圖

3.2 錨固位置設(shè)置不當(dāng)

錨固的設(shè)置應(yīng)避開(kāi)石油儲(chǔ)罐壁板拼接的縱焊縫，否則會(huì)造成焊縫的疊加以及應(yīng)力集中。錨固與縱縫錯(cuò)誤設(shè)置見(jiàn)圖2，這種情況下二者是疊加的。錨固與縱縫正確設(shè)置見(jiàn)圖3，這種設(shè)計(jì)通過(guò)改變拼接壁板的塊使錨固避開(kāi)了縱焊縫。

圖2 錨固與縱焊縫不當(dāng)設(shè)置示圖

圖3 錨固與縱縫正確設(shè)置示圖

3.3 其他應(yīng)注意細(xì)節(jié)

①墊板設(shè)置。錨固不同于塔器地腳螺栓座，為了防止罐壁產(chǎn)生過(guò)大的局部應(yīng)力和變形，必須在錨固與罐壁連接的地方設(shè)置一塊墊板。②長(zhǎng)圓孔設(shè)置。當(dāng)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溫度大于90℃時(shí)，錨固時(shí)應(yīng)考慮熱膨脹影響，可以在蓋板徑向上開(kāi)長(zhǎng)圓形的孔，來(lái)緩解熱膨脹的影響，長(zhǎng)圓形的尺寸跟著溫度差進(jìn)行調(diào)整。③許用應(yīng)力調(diào)整。有保溫的錨固螺栓的許用應(yīng)力應(yīng)為常溫下的許用應(yīng)力乘以GB 50341—2014附錄C表C.2.2標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度下限值降低系數(shù)。④充水與焊接的先后順序。錨固組件應(yīng)在罐內(nèi)充滿(mǎn)水、水面上未加壓前焊接在罐壁上，絕不允許焊接好后再充水，防止因?yàn)槌渌蠡A(chǔ)的沉降造成錨固座處罐壁和錨固座的損傷。⑤螺栓緊固。所有螺栓應(yīng)均勻上緊，且松緊適度。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)錨固設(shè)置的3種情況進(jìn)行了細(xì)化，舉例說(shuō)明了呼吸閥、保溫、狹管效應(yīng)、抗震設(shè)防烈度和高徑比等因素對(duì)錨固設(shè)置的影響，對(duì)設(shè)計(jì)制造中的注意點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，為以后錨固的優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是為某些基礎(chǔ)、地腳螺栓受限制的儲(chǔ)罐改造設(shè)計(jì)提供降低錨固系數(shù)的思路和方法。