常溫壓力存儲液化烴覆土式儲罐的設(shè)計與應(yīng)用

夏 巍

武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430080

液化烴產(chǎn)品有易燃、易爆及有毒的特性，一旦其存儲設(shè)備發(fā)生災(zāi)害，則可能造成財產(chǎn)損失或人員傷亡事故。1984年墨西哥國家石油公司（Pemex）的LPG儲運站，由于一段直徑8 in（1 in=25.4 mm）的管道破裂，釋放出大量LPG，在15 min內(nèi)迅速形成蒸氣云，遇火源著火爆炸，形成的火球直徑達360 m，導(dǎo)致存儲有16 000 m3LPG的6個球罐及48個臥罐全部遭到破壞，站內(nèi)設(shè)施幾乎全毀，爆炸及燃燒波及廠區(qū)周圍1 200 m內(nèi)的建筑物，造成約500人死亡、7 000人受傷[1-3]。類似的事故還發(fā)生在印度Visakhapatnam的印度斯坦石油公司（HPCL），有近30人喪生。造成這些事故的主要原因都包括了沒有選擇合適的液化烴儲存設(shè)施，以及球罐、臥式儲罐間的距離過于狹小。

液化烴的安全存儲是一個挑戰(zhàn)性的課題，采用覆土式儲罐安全存儲液化烴，即是在此背景下從西歐發(fā)展起來的技術(shù)。覆土式儲罐在國外被稱之為Mounded Storage Tank或Mounded Vessel，因其外形為長圓筒形，因而也被形象地稱之為覆土子彈罐，即Mounded Bullet Tank。德國最早于1959年首次建造了覆土式儲罐，并把它應(yīng)用于常溫壓力存儲液化烴。基于安全原因，自上世紀90年代起，德國、法國、日本等都限制大容積球罐的建造，取而代之大量采用覆土式儲罐[4-6]。我國臺灣地區(qū)的臺塑麥寮工業(yè)園區(qū)，在建廠之初即考慮了儲罐區(qū)儲存液化烴的易燃、易爆之特性，自德國引進了覆土式儲罐（臺灣地區(qū)稱之為覆土式儲槽，Earth CoverTank，即ECT），以取代球罐。目前臺塑麥寮廠已建成投入使用的覆土式儲罐已達110套，且仍在擴建中。國內(nèi)對覆土式儲罐的研究始于2000年前后，早期多稱之為堆埋臥罐或堆墩式臥罐，近年來隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，國內(nèi)已開始有少量覆土式儲罐的應(yīng)用。

1 覆土式儲罐與其他儲罐的對比

常溫壓力存儲液化烴的設(shè)備一般有地上式儲罐及地下埋地式儲罐兩種類型。地上式儲罐（Aboveground Storage Tank，即AST）露天靜置于地面上，在火災(zāi)、撞擊等外能量作用下，可能導(dǎo)致沸騰液體膨脹蒸汽爆炸（Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion，即BLEVE） 的發(fā)生，常導(dǎo)致重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。地上式儲罐的罐體之間及罐體與其他設(shè)備、建筑物之間的安全距離較大，故罐區(qū)占地面積較大，土地利用率不高[5-6]。

地下埋地式儲罐（Underground Storage Tank，即UST）相比地上式儲罐較為安全，罐區(qū)占地面積較小。地下埋地式儲罐可能部分或全部位于地下水位以下，即使位于地下水位以上，在雨季或洪水時期也可能被水淹沒，設(shè)計時應(yīng)考慮儲罐及埋設(shè)土壤浸水后的浮力影響，必要時需設(shè)置抗浮拉帶將其固定于基礎(chǔ)錨墩上，現(xiàn)行國家標準也限制了地下埋地式儲罐的容積不宜過大。地下埋地式儲罐施工時需開挖深基坑構(gòu)筑罐池，施工難度較大，工期長，工程造價比較高。

覆土式儲罐外表面全部被覆土層覆蓋，有效地防止常溫壓力存儲液化烴液體沸騰時膨脹蒸汽的爆炸（BLEVE），且不受臨近熱源、爆炸沖擊波、飛濺物沖擊或其他突發(fā)損害，同時還具有美化環(huán)境、減少占地面積、縮小與周邊臨近設(shè)施安全距離等優(yōu)點。覆土式儲罐單獨或多個同時使用時，可以取代球罐或球罐群，廣泛應(yīng)用于液化烴原料、成品及半成品的大量存儲，具有十分重要的應(yīng)用價值。

2 覆土式儲罐的結(jié)構(gòu)形式

覆土式儲罐采用臥式圓筒形壓力容器，儲罐直接置于沙床上，沙床下為沉降均勻的平整地面，儲罐外表面全部被覆土層覆蓋，僅有相關(guān)工藝接管如人孔，各類進料、放散、壓力、溫度監(jiān)測接管及設(shè)備安全附件等伸出于覆土層之外，儲罐正下方的沙床內(nèi)設(shè)有罐底通道，容納儲罐底部卸料管道的引出，如圖1所示。

圖1 覆土式儲罐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 覆土式儲罐的設(shè)計

3.1儲罐布置的安全距離

根據(jù)歐洲工程設(shè)備和材料用戶協(xié)會EEMUA 190指南的規(guī)定，多個儲罐可以布置在同一覆土結(jié)構(gòu)內(nèi)[7]，如圖2所示，相鄰儲罐之間的間距可按不小于1 m考慮；國內(nèi)外規(guī)范都沒有關(guān)于同一覆土結(jié)構(gòu)內(nèi)儲罐數(shù)量和總?cè)莘e的限制。對于相鄰覆土式儲罐的最小間距及其與相鄰重要設(shè)施的最小間距，目前國內(nèi)規(guī)范還沒有相關(guān)規(guī)定。參考美國防火協(xié)會標準NFPA 58的規(guī)定，覆土式儲罐與相鄰設(shè)施之間的安全距離可按地上球罐間距的一半考慮[8]。印度石油工業(yè)安全理事會標準OISD-STD-150則詳細規(guī)定了覆土式儲罐與相鄰建筑、壓縮機房、消防泵站之間的最小安全距離，以及同一覆土結(jié)構(gòu)內(nèi)相鄰儲罐的最小安全間距以及地表以上覆土結(jié)構(gòu)的最小安全距離[9]，可作為覆土式儲罐安全距離設(shè)計的參考。

3.2 基礎(chǔ)及沙床的設(shè)計

覆土式儲罐的基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)設(shè)計載荷的組合，按照地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計。儲罐須直接安放于沙床上，沙床應(yīng)高于最高地下水位至少0.6 m，為保證給儲罐提供合適的連續(xù)支撐，沙床的最小高度為1 m，應(yīng)結(jié)合罐底通道的高度來確定沙床的高度。考慮到液化烴排凈的需要及儲罐沿軸線方向沉降的可能，設(shè)計儲罐在沙床上應(yīng)沿軸線向罐底接管一端傾斜放置，傾斜斜率為1∶50～1∶200。

在儲罐運行工況下，應(yīng)保證對儲罐底部至少120°范圍內(nèi)沙床的支撐，一般設(shè)計最小安全系數(shù)取2。但在儲罐的建造期，儲罐底部沙床尺寸過大可能會影響現(xiàn)場組焊。大型儲罐現(xiàn)場組焊時，水壓試驗需在沙床上進行，基礎(chǔ)及沙床的設(shè)計應(yīng)對水壓試驗工況下的承載能力進行校核。水壓試驗工況下，設(shè)計最小安全系數(shù)可取1.5，水壓試驗前，應(yīng)保證對儲罐底部至少60°范圍內(nèi)沙床的支撐。

3.3 覆土層的設(shè)計

儲罐罐壁上方覆土層的厚度至少應(yīng)保證0.5 m。儲罐覆土深度達0.6～1.0 m，足以應(yīng)對外在火災(zāi)的侵襲，可避免液化烴發(fā)生揮發(fā)膨脹的危險。儲罐周圍覆土層的坡度應(yīng)不超過覆土物的自然坡度，且最大不超過1:1.5，必要時對覆土物進行圓弧滑動分析以驗證其穩(wěn)定性。為減少覆土層的斜坡腳，進而減少所占用的土地，可在覆土層的外圍設(shè)計一圈擋土墻，如圖2所示，并在擋土墻的墻腳或覆土層斜坡腳外側(cè)，設(shè)置散水坡及排水明溝，用于匯集覆土層的排水。覆土層的表面應(yīng)設(shè)計為非連續(xù)的防水層，在防止大量雨水侵入的同時，又避免了覆土層內(nèi)可能的氣體積蓄。覆土層的頂部應(yīng)設(shè)計帶一定散水坡度的防沖刷層，可用毛石砌筑或種植植被。

圖2 覆土式儲罐沙床支撐及覆土結(jié)構(gòu)示意

3.4 容器及附屬裝置的設(shè)計

（1）設(shè)計的主要通則。覆土式儲罐受力模型區(qū)別于傳統(tǒng)地上壓力容器的一個顯著特點在于其沙床支撐及覆土結(jié)構(gòu)對儲罐罐體產(chǎn)生了周向彎矩、法向力和剪力。目前比較成熟的設(shè)計原理均考慮在容積較大的覆土式儲罐的罐內(nèi)設(shè)置加強圈，即儲罐的軸向載荷由其殼體承擔(dān)，而非軸向載荷導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力則由罐內(nèi)加強圈承擔(dān)。一般儲罐的設(shè)計直徑不超過8 m，長徑比不超過8。根據(jù)國外大量的有限元應(yīng)力分析驗證，儲罐的長徑比超過8時，由彎曲和摩擦力導(dǎo)致的縱向應(yīng)力加載到儲罐殼體上，將使殼體的設(shè)計厚度大大增加，因而缺乏經(jīng)濟性。由于受設(shè)計直徑和長度的限制，一般單個覆土式儲罐的容積不超過4 000 m3，最小容積則沒有限制。

（2）設(shè)計條件。LPG覆土式儲罐罐體的設(shè)計溫度一般為45℃，最高不超過55℃，最低設(shè)計溫度為LPG在常壓下的飽和蒸氣溫度。比如存儲LPG（符合IS 4576或IS 14861標準）的覆土式儲罐，其設(shè)計最大允許工作壓力（MAWP）為1.42 MPa@55℃，設(shè)計溫度為-27℃至55℃。儲罐內(nèi)部的腐蝕余量一般最小取1.5 mm，通常焊接接頭系數(shù)取1，需進行100%無損檢測，并進行焊后熱處理應(yīng)力消除，儲罐的設(shè)計壽命至少為25年。

（3）選材。LPG儲罐中的H2S是無法完全排除的，高強鋼在此環(huán)境下容易導(dǎo)致氫致開裂，采用ASME BPVC規(guī)范進行儲罐設(shè)計時，一般殼體材料選擇A516 Gr.60或A516 Gr.70，并進行全厚度方向拉伸試驗，配套的鋼管材料可選擇A333 Gr.6，鍛件材料可選擇A350 LF2[10]。更高強度的殼體材料A537 Cl.2（精煉碳鋼），適用于設(shè)計溫度-20℃以下低溫操作的儲罐，但在有濕H2S的環(huán)境下，一般不宜選用A537 Cl.2材料。我國臺灣地區(qū)臺塑重工麥寮廠建造的74座覆土式儲罐，容積300～4 000 m3不等，均采用ASME BPVC規(guī)范進行設(shè)計、建造，選用的都是A537 Cl.2材料。見表1。

表1ASMEBPVC規(guī)范下不同材料的最大許用應(yīng)力[11]

（4）設(shè)計載荷。覆土式儲罐設(shè)計時需要考慮多種載荷的組合，必要時還要考慮運行后重新進行水壓試驗以及緊急情況下引發(fā)的特殊載荷。在不同工況下儲罐設(shè)計所需考慮的荷載如表2所示。

表2 儲罐在不同工況下設(shè)計所需考慮的荷載[12]

Yogesh K及Lakshmi M S R采用ASME BPVCⅧ-1的設(shè)計方法設(shè)計了容積851.6 m3、設(shè)計壓力1.697 MPa的覆土式儲罐，并進行了有限元應(yīng)力分析，應(yīng)力分析中的組合荷載包括儲罐設(shè)計內(nèi)壓、覆土層的載荷、地震載荷及基礎(chǔ)不均勻支撐的載荷，根據(jù)現(xiàn)有公式進行解析計算，采用圖形給出了不同工況下罐體的變形位移，結(jié)果顯示在可接受的范圍內(nèi)。Jose MishaelC J及Sudhakara Shenol V則采用ASME BPVCⅧ-2的方法設(shè)計了容積2 700 m3、設(shè)計壓力1.814 8 MPa的覆土式儲罐，并進行了包括多種工況載荷的有限元應(yīng)力分析[13]。對于大型覆土式儲罐的多種載荷組合工況，ASME BPVCⅧ-2的有限元應(yīng)力分析設(shè)計方法更為有效。

（5）罐內(nèi)加強圈。覆土式儲罐罐內(nèi)加強圈的設(shè)計需考慮彎矩、法向力和剪力的共同作用，力的計算依據(jù)計算點與圓筒頂部的角度、載荷的類型以及儲罐基礎(chǔ)的支撐角度。EEMUA 190指南基于德國Karlsruhe大學(xué)Mang F的研究成果，給出了彎矩、法向力和剪力的計算法則。罐內(nèi)加強圈截面優(yōu)選為T型，選材與儲罐殼體相同，腹板及面板厚度等同于儲罐筒體。罐內(nèi)加強圈頂部設(shè)有透氣孔，便于水壓試驗時氣體的排出，底部設(shè)有多個流通孔，以便罐內(nèi)液化烴流出或積液排盡。多個罐內(nèi)加強圈設(shè)計沿儲罐筒體長度方向均勻分布，相鄰罐內(nèi)加強圈的距離一般為儲罐內(nèi)直徑的0.5～1倍，距離過大時，經(jīng)濟性將顯著降低。見圖3。

圖3 罐內(nèi)加強圈示意

（6）附屬裝置。為保證覆土層的保護作用，直接連接到儲罐罐壁的接管應(yīng)采用數(shù)量最小化設(shè)計。一些必需的接管，如溫度計接管、壓力計接管、液位計接管、物料入口接管、氣相平衡口接管、放散口接管等可全部集中布置在儲罐頂部1～2處氣室的封頭上或人孔蓋板上。

考慮到儲罐底部排放管或卸料管的容納及檢修需要，宜設(shè)置儲罐底部接管的檢修通道，其設(shè)計應(yīng)能承受其上儲罐的重力荷載，盡量減小對沙床的破壞，并考慮儲罐底部接管的沉降調(diào)節(jié)需要。儲罐底部檢修通道的通道室和接管井設(shè)計為鋼筋混凝土整體現(xiàn)澆成型，并在內(nèi)壁設(shè)計防水層。通道室內(nèi)的管道采用高度可調(diào)節(jié)的固定方式，接管井上端與儲罐底部應(yīng)采用柔性連接，如圖4所示。

圖4 覆土式儲罐底部檢修通道

覆土式儲罐在沙床上放置時，儲罐可能的軸向運動，將對覆土產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致在罐頂?shù)娜丝缀蜌馐医庸苌袭a(chǎn)生較大的應(yīng)力和較高的彎矩，應(yīng)在人孔和氣室接管周圍設(shè)計合適的保護裝置進行防護，如圖5所示。該裝置主要選用熱塑性塑料（如HDPE、PS、GRE、PV等）制成，保護人孔和接管免受覆土擠壓作用的影響，阻尼效果較好，同時具有防水、防滲、防靜電、使用壽命長等特點。

圖5 覆土式儲罐的人孔或氣室接管的保護裝置

考慮到對覆土式儲罐運行期間的沉降進行監(jiān)測，在儲罐筒體的頂部應(yīng)設(shè)置至少三個沉降監(jiān)測板監(jiān)測可能的沉降，以便及時采取處理措施，其中一個沉降監(jiān)測板位于筒體中間，另外兩個沉降監(jiān)測板位于筒體兩端靠近球形封頭處。

（7）防腐蝕。覆土式儲罐的沙床及覆土層給儲罐提供了一個潛在的腐蝕性環(huán)境，儲罐的防腐蝕設(shè)計應(yīng)包括防腐涂層設(shè)計及陰極保護系統(tǒng)設(shè)計。防腐涂層一般采用玻璃纖維增強瀝青涂層、無溶劑的環(huán)氧樹脂涂層或無溶劑的聚氨酯涂層，當選用環(huán)氧樹脂或聚氨酯涂層時，涂層厚度應(yīng)大于600 μm。陰極保護裝置宜選用外加電流的陰極保護系統(tǒng)，利用外部電源來提供陰極與陽極之間的電位差，陰極接于電源的正端，儲罐則接于電源的負端，電流從陽極經(jīng)過介質(zhì)（如土壤）到達儲罐表面，然后沿著儲罐經(jīng)導(dǎo)線回歸到電源，從而使儲罐受到保護。在覆土層的外面，一般還應(yīng)設(shè)置電位測定裝置，用以監(jiān)測陰極保護系統(tǒng)的保護效果。

4 結(jié)束語

（1）覆土式儲罐與其他傳統(tǒng)儲罐相比，在避免BLEVE、使用安全、節(jié)約土地等方面有著明顯的優(yōu)點，可以替代球罐，隨著液化烴安全存儲需要的發(fā)展，將得到越來越廣泛的應(yīng)用[14-17]。

（2）覆土式儲罐系統(tǒng)的設(shè)計不僅要考慮儲罐在不同工況下各種載荷的組合，還要注意基礎(chǔ)、沙床、覆土結(jié)構(gòu)及各種附屬設(shè)備的影響，該儲罐系統(tǒng)需設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)以確保其穩(wěn)定性。

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