臥式雙層埋地罐的工程設計

程濤濤，邵繼東

(惠生工程(中國)有限公司 河南化工設計院分公司，河南 鄭州 450018)

臥式雙層埋地罐對于儲存易燃易爆的介質具有良好的防火、防爆效果[1]；對于儲存有毒或污染性質的介質，其外層結構保證泄漏物不會直接污染土壤和水源，提高了環保性能。良好的安全和環保特性，使其能夠勝任日益嚴苛的環保要求，廣泛應用于化工和煉油等行業。由于此類設備深埋地下，在設計時應特別考慮設備所處的埋地環境和自身操作工況。本文結合某項目中一臺導熱油地下罐的設計，對設備結構設計的特殊考慮、選材、內/外筒設計參數的確定等進行探討。

1 設備概況

1.1 設備設計條件

工藝條件見表1。

表1 工藝條件

1.2 設備描述

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

a.由于設備安放在地下，不能直觀、實時地檢查接觸工藝介質的內筒是否發生失效，如果內筒壁最終因腐蝕等原因產生孔洞而使導熱油外泄至土壤，將會對周圍環境產生不可預估的影響。因此，設置外筒作為第二重的保護。

b.外筒和內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場壓力表。如果內筒殼體發生失效，現場壓力表泄放后壓力持續升高，那么內筒殼體就會發生破裂。

圖1 臥式雙層埋地罐示意圖

較之常見的單層埋地儲罐，此類雙層設備的外筒在內筒失效時，仍可避免內筒介質接觸土壤環境。另外，在本項目的實際工程設計中，還為本設備設置了混凝土池，相當于又多了一重保障，充分體現了不以犧牲環境為代價的綠色化工理念。

1.3 設備材料選擇

設備選材通常需結合工程造價、環境特點及介質等因素，埋地設備容易忽視的因素為凍土層自然條件，即作為儲存設備，需要充分考慮埋深與凍土層的關系，如埋在凍土層以下，選材需考慮其低溫使用性能。本設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，故設備主體(內/外筒)和支座均采用Q345R材料；考慮到內筒導熱油的清潔度要求，盤管采用304材料。

1.4 設備防腐

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

2 設計過程中的注意事項

2.1 支承形式

地下儲罐的固定常用兩種方法。

方法1：罐體上不設鞍座，只是在罐的底部支承區焊兩塊襯板，并用定位板限制容器的轉動。罐體基礎設計成混凝土鞍座，在其上相應的位置預埋兩塊鋼板，待設備現場就位后，分別將對應的襯板和預埋鋼板焊牢即可[2]。為了方便按照現有規范進行設計計算，建議定位板的設置與鞍座墊板相同，并使定位板與罐體基礎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或轉動。

方法2：在罐體上設置鞍座。此時，在容器正常操作條件(內壓或外壓)下，設備支座除了受自身罐體和介質產生的重力作用外，還要受到覆蓋于罐體上方細砂的重力作用、混凝土水泥路面的重力作用以及地下水對罐體的浮力作用等。此方法為常規方法。

本例設備選用鞍座支承形式。特殊之處是此時罐體共有3個鞍座，兩端各有一個大鞍座，中間有一較小的鞍座，支撐在設備中間液包的封頭上，且鞍座兩側有限位塊進行約束(如圖2所示)。設備正常操作時，中間鞍座不受力，亦不接觸基礎，僅承受軸向載荷，起到限位的作用，使設備在受熱時可以向兩端均勻膨脹。兩端鞍座為實際意義上的鞍座，承受設備及附加載荷。與常規方法相比不同的是：兩端鞍座均為滑動鞍座，兩端底板均有調整螺栓，罐體基礎上配有墊板，且墊板上有與調整螺栓匹配的螺紋孔(以左端滑動鞍座為例的局部結構見圖3)。安裝時，可以通過調節兩端的4個調整螺栓，使設備在安裝過程中保持水平，不彎曲，以避免設備變形，進而可能產生局部應力。

圖2 中間鞍座示意圖

圖3 滑動端固定結構示意圖

2.2 內筒設計參數的確定

2.2.1 內筒正壓工況

結合表1，內筒按400℃的設計溫度，0.5MPa的設計壓力進行正壓工況的設計。

2.2.2 內筒負壓工況

根據工藝條件描述，事故工況時，內筒導熱油的氣相組分會在內筒氮封失效且溫度降至250℃時開始發生液化，出現-0.1MPa工況，而此時外筒的常壓氣體經過升溫因積聚作用也產生了一定的壓力。這里假定外筒內為恒定容積的理想氣體，根據理想氣體的克拉伯龍方程pV=nRT，可以計算得到在250℃時夾套內的氣體壓力升至約0.078MPa(G)，則內筒可按設計外壓0.178MPa，設計溫度250℃進行設計。

2.3 外筒設計參數的確定

2.3.1 外筒正壓工況

外筒正壓工況是基于內筒一旦破裂，保證內部導熱油不泄漏到外部土層的情況來進行考慮的，故外筒正壓工況同內筒的正壓工況。按設計溫度400℃，設計壓力0.5MPa的設計條件進行設計。

2.3.2 外筒負壓工況

2.3.2.1 罐體上方覆土層產生的靜壓力

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

(1)

式中：γ—土的重度，kN/m3；F—土柱體的截面積，m2。

根據半無限彈性體在無側移的條件下側壓力與豎向應力之間的關系[3]，深度z處的側向靜止土壓力強度為

ph=K0·γ·z

(2)

式中：K0—靜止土壓力系數。

因覆層壓力作用而使罐體產生的靜壓力的計算方法有兩種：

a.根據文獻4。如圖4所示，對于半徑為R0的臥放筒體，在距地面深度為H處，A點筒體表面的法向壓力p是由pv和ph產生的，令該點斜邊長為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生在θ=90°的圓筒體頂點。為計算簡便起見，取該法向壓力乘以1.2～1.4系數作為埋地臥式容器受土體重力作用而產生的外壓，即p0=1.2～1.4)γH0g×10-6MPa。

上述結論有待商榷，如θ=0°時的法向靜壓力明顯大于θ=90°時的法向靜壓力，經求導計算，θ=0°時恰為圓筒法向壓力的最大極值點。

圖4 罐體受覆土層重力作用產生外壓示意圖

b.根據文獻5。假設容器半徑為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力σCH以及作用于圓筒外表面上的側向土壤自重應力σCX為以圓心為坐標原點，作用于圓心以上載荷面任意點M且垂直于外表面的面應力,即為均布圓筒中點上任意深度H處M點的靜壓力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，不存在土壤對圓筒產生的豎向靜壓力，而僅存在側向靜壓力,根據《地基與基礎》中計算擋土墻上土壓力的方法，圓筒最大靜壓力的作用點可近似簡化在距離圓心R/3處，即有

圖5 罐體受均布載荷中點以上的靜壓力示意圖

(5)

筆者認為，上述直接將應力進行勾股定理的求和，應力為矢量，直接平方求和有一定的局限性，故此方法值得商榷。

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

2.3.2.2 覆土等外載荷及內筒共同作用下外筒的設計外壓

前面提及，事故狀態時設備內筒導熱油的氣相組分會在氮封失效且溫度降至250℃時開始發生液化，出現-0.1MPa工況。保守假設此時內筒由于意外發生失效，則夾套內部在某些區域可能也會出現-0.1MPa的情況。綜合覆土等外載荷及內筒的共同作用，外筒的負壓設計工況按設計溫度250℃，設計外壓-0.2MPa進行設計。

2.4 罐體抗浮力設計計算

2.4.1 罐體浮力計算

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

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，取1.2～1.5。

如果不能滿足上式，說明設備可能在積水池內浮起，應對埋地設備采取抗浮措施，例如在容器上設置防飄帶，防飄帶固定在配置的混凝土墩或其他結構基礎上。假設防飄帶能承受的拉力為Qf，則應滿足

Qf≥KρsVs-Gg-Gt

(7)

但有時設備被淹后，上方覆土可能會被沖刷掉一部分，假設保守認為上方覆土全部被沖掉，如果仍按上述方法計算就存在設計隱患。可將浮力乘上安全系數后減去設備自重來計算浮力：

Qf=KρsVs-Gg

(8)

根據罐體可能受到的最大浮力以及埋地設備的相關設計參數，可以進行防飄帶的設計。

2.4.2 鞍座地腳螺栓應力的校核

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力

(9)

式中：σb—地腳螺栓實際應力；d—地腳螺栓根徑；n—地腳螺栓數目；[σb]—地腳螺栓許用應力。

2.4.3 鞍座底板剪應力的校核

罐體浮力值確定后，還需校核鞍座底板所承受的剪切應力

(10)

式中：σs—鞍座底板剪應力；S—鞍座底板橫截面積；n—鞍座數目；[σs]—鞍座底板許用應力。

2.5 覆土層對罐體產生的附加載荷

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

由覆土質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。

由上兩項產生的鞍座或墊板的附加支反力F′為

F′=0.5(Fa+Fb)

(13)

強度校核時應將F′與未埋地時的支座支反力F相結合。

3 結語

臥式雙層埋地罐在設計過程中，應合理選取設計參數。本文結合工程項目實例討論了臥式雙層埋地罐設計過程中參數的確定、選材、結構設計以及其他若干注意事項，給工程設計人員提供一定的參考。