常溫壓力存儲液化烴覆土式儲罐建造及施工技術

王 濤，夏 巍

武漢一冶鋼結構有限責任公司，湖北武漢 430080

1 概述

覆土式儲罐通常用于在常溫下壓力存儲液化烴產品，這種壓力容器起源于西歐，被稱之為Mounded Storage Tank或Mounded Vessel；因其外形為長圓筒形，也被形象地稱為覆土子彈罐；在我國臺灣地區，多被稱為覆土式儲槽[1]。覆土式儲罐為圓筒形臥式承壓結構，底部無鞍座支撐，直接置于地面以上的連續性沙床上，外表面全部被覆土層覆蓋[2]，如圖1所示，其結構形式不同于地上式儲罐和球罐，也不同于地下埋地式儲罐。

覆土式儲罐的主要優點是可以有效防止常溫壓力存儲液化烴時的沸騰液體擴散蒸氣爆炸,且不受臨近熱源、爆炸沖擊波、飛濺物沖擊或其他突發事件損害，另外還具有美化環境、減少占地面積、縮小與周邊臨近設施安全距離等優點[3]。覆土式儲罐若能克服保養、腐蝕、沉陷、地震、泥石流、暴雨、水災等問題，則大有發展前途[4-5]。自上世紀80年代以來，覆土式儲罐已逐漸被歐、美、日等發達國家和地區作為球形儲罐、地上儲罐的替代產品所采用[6]。目前國內的法規和標準、規范還沒有關于覆土式儲罐的相關設計準則、建造要求和檢驗標準，隨著國內液化烴安全存儲需求的擴大，覆土式儲罐的應用不斷增多，對其認知也逐漸加深，這些工作需進一步完善[7]。尤其是大型覆土式儲罐容積大、結構形式復雜，儲罐制造及組焊的質量控制要求高，水壓試驗、表面涂覆與防護、沙床施工等工序在建造中互相交叉影響，選擇和確定合適的建造方法是覆土式儲罐建造的技術難點。

2 覆土式儲罐的建造技術

2.1 基礎及沙床的施工

覆土式儲罐基礎及沙床具體施工步驟如下：

圖1 覆土式儲罐系統結構示意

（1） 基礎準備。根據設計要求構筑合適的沉降均勻且平整的基礎，既可以是直接由土壤承載的基礎，也可以在軟土或地質條件不好的場地采用樁基混凝土板或鋼筋混凝土板整體基礎?；A準備前，為確認地基的承載能力，必要時還應進行預加載試驗。

（2） 罐底通道、擋土墻施工。根據設計要求，在基礎上現澆砌筑混凝土或鋼筋混凝土結構的罐底通道和擋土墻。

（3）沙床施工。覆土式儲罐建造最重要的是沙床的處理和夯實[8]，而沙床施工中最重要的是沙材的選用以及密實[9]，一般采用分層夯實、逐層檢驗以達到規定的密實度。首先按設計要求選用潔凈的干沙或細土來堆墩沙床；然后將干沙或細土平鋪堆墩，逐層堆高，堆墩時分層壓實，每層最大厚度為0.3 m，每層都應壓實到至少95%的最大干密度，采用土壤密實度檢測儀對每層進行測量檢驗，符合要求時方可繼續堆墩下一層，直至堆墩至以后要安置的儲罐橫截面底部圓心角60°對應的弦高度（以下簡稱“60°弦高度”，類似的有“120°弦高度”），如圖1（b）所示；最后還應在沙床上挖掘修筑以后要安置的儲罐底部的圓柱輪廓，并用與儲罐外壁曲率相同的樣板對沙床仔細修型，以達到所需的輪廓[10]。

在覆土式儲罐基礎及沙床施工期間，在附近的固定位置設置一個沉降觀測原點，定期對儲罐基礎進行沉降監測，發現異常時及時處理。

2.2 覆土式儲罐建造及施工方法

根據覆土式儲罐容積及制造廠的裝備能力、運輸條件、現場條件，儲罐的建造可以分為在制造廠內整體建造、分段制造及現場組焊、分片制造及現場組焊三種方式。

2.2.1 制造廠內整體建造

在制造廠內整體建造儲罐往往是第一選擇方案。但大型覆土式儲罐的制造受到工廠條件和運輸道路的限制，只有具有大型廠房和起吊、裝配能力的制造廠及位于沿海、沿江靠近主航道并有良好發運碼頭的制造廠才能制造和發運大型覆土式儲罐[11]。

儲罐在制造廠內整體建造時，包括鋼板下料、成型、組焊、無損檢測、焊后熱處理、水壓試驗、除銹涂敷等全部環節都應在制造廠內完成。其優點是工藝成熟、自動化程度高，質量易于控制，現場安裝無需在沙床上再進行組裝、水壓試驗及除銹防腐施工，對沙床的影響極?。蝗秉c是依賴大型起重及運輸機械，占用大量生產場地，尤其是水壓試驗時對生產場地的影響較大，由制造廠至安裝現場的吊裝和運輸還需要制造臨時鞍座或吊耳等。制造廠內整體建造一般適合于內直徑≤6 m、容積≤500 m3的儲罐。大型儲罐在制造廠內經整體組焊、局部熱處理和無損檢測、尺寸檢驗合格后，其質量將達到數百噸，用簡單的方法已無法運出車間，即使運出車間后，還要準備水壓試驗的場地，需解決水壓試驗場地承載問題[12]，往往顯得不經濟。

印度的VIJAYTanks&Vessels Limited（VTV）公司曾在其位于印度北部Vadodara的工廠內整體建造了數臺容積500 m3的覆土式儲罐，儲罐內徑4.5 m、長度24 m、壁厚80 mm，并經過1 000 km的長途運輸運至印度北部的石油精煉廠安裝。

西班牙的DF Caldere rí a Pesada（DFCP） 公司曾在其位于西班牙北部海岸邊Gi jón的工廠內整體建造了3臺容積8 500 m3的覆土式儲罐，儲罐內徑10 m、長度98.1 m，并通過運輸船配合液壓頂升機械、自行式模塊運輸車（SPMT） 運輸，安裝到距廠區5.5 km外的深水碼頭油庫區，整體建造運輸就位流程見圖2。

2.2.2 分段制造及現場組焊

圖2 DFCP公司3臺覆土式儲罐整體建造運輸就位

大型覆土式儲罐（直徑一般超過5 m，總長超過30 m，總質量超過200 t）受制于運輸及吊裝能力，考慮到建造的經濟性，可選擇首先在工廠或現場分段制作，然后在現場的沙床上分段組裝。在沙床上分段組裝時，需保證儲罐的整體直線度滿足設計及驗收規范要求，同時降低對連續式沙床的破壞，避免產生不均勻支撐，并合理安排在沙床上的焊接、無損檢測、防銹處理及防腐涂敷等作業[13]。覆土式儲罐在沙床上的分段組裝可按圖3所示的步驟進行。

圖3 覆土式儲罐在沙床上的分段組裝流程

印度VTV公司1997年建造了3臺容積1200m3的覆土式儲罐，儲罐內徑5.9 m、長度64 m，每個儲罐都分為9個分段運輸至印度石油公司（IOC）古吉拉特邦的精煉廠，在現場沙床上再進行組裝、焊接，完成建造。

西班牙的IDESA公司2014年為法國客戶SHELL建造了2臺容積600 m3的覆土式儲罐，儲罐內直徑4.6 m、長38.25 m，每個儲罐質量112 t，分為2個分段運輸至現場，在沙床中開挖壕溝焊接對接環縫，完成建造，如圖4所示。

圖4 IDESA公司2臺覆土式儲罐分段現場組焊

分段制造及現場組焊的方法適用于大型、超大型覆土式儲罐的建造，減少了超大型運輸工具及起重設備的施工作業，具有施工便捷、設備投入成本較低等特點，但需在沙床上開挖壕溝，并進行分段組對、環縫焊接、無損檢測、局部熱處理、水壓試驗、除銹涂敷等工作，對沙床的穩定性會造成一定影響。選用該方法時，應從經濟上綜合分析設定儲罐的分段數量，控制儲罐整體的直線度、降低對連續式沙床的破壞、避免產生不均勻支撐，宜盡量減少儲罐的分段數量，總長接近100 m的超大型儲罐分段不宜超過5段?？紤]到儲罐需在沙床上進行水壓試驗，在設計儲罐的焊縫排版方式時，應注意在儲罐筒體橫截面底部120°弦高度范圍內不設置縱縫，優選的縱縫設置方案是將每個筒節僅分為2塊弧板，即僅保留兩條縱縫，相鄰筒節之間保證縱縫錯開，如圖5所示。

圖5 某儲罐的分段建造及焊縫排版示意

2.2.3 分片制造及現場組焊

一般情況下，大直徑臥式圓筒形儲罐制造完畢進行整體運輸或分段運輸都是不可行的，通常采取分片制造及現場裝配[14]。分片制造及現場組焊方式類似于球形儲罐的建造模式，在制造工廠完成全部分片弧板的制造，然后散貨運輸至現場沙床附近進行拼裝和組焊，通過液壓頂升裝置、頂推滑移機械或SPMT等，將儲罐整體平移至沙床上就位，完成安裝。覆土式儲罐分片制造及現場組焊流程見圖6。

筆者所在公司于2016年在加納建造的4座2 356 m3覆土式儲罐即采用了分片制造及現場組焊的方式，儲罐內徑8 m，長度49.6 m，壁厚54 mm，單座儲罐質量約650 t。儲罐筒體、封頭的分片弧板全部在國內工廠完成制作，運輸到現場后，在沙床附近完成整體組裝、焊接、無損檢測和整體熱處理；儲罐沙床中僅開挖2處壕溝作為滑移通道，并建有滑移軌道及其基礎（儲罐就位后可拆除或埋入沙床中），儲罐整體通過液壓頂升、沿軌道液壓頂推滑移、落位后在沙床中預設位置就位，在沙床上再完成水壓試驗、除銹涂敷等工作，如圖7所示。采用頂推滑移的方法實現大型覆土式儲罐的安裝就位，相對于傳統的大吊機吊裝落位方法，在成本上有巨大的優勢，尤其是部分地區無法租賃大噸位吊車時，更能體現出優越性[15]。

圖6 覆土式儲罐分片制造及現場組焊流程

分片制造及現場組焊方法同樣適用于大型、超大型覆土式儲罐的建造，可避免超大型運輸工具及起重設備施工作業，只需投入必需的液壓頂升、頂推滑移機械或自行式模塊運輸車（SPMT）等，具有施工便捷、設備投入成本較低等特點。采用這種施工方法，在沙床上僅需開挖2處壕溝，對連續式沙床穩定性的影響較??；但分片制造及現場組焊方法的現場組焊工作量大，焊接質量控制是其難點之一。同樣，分片制造及現場組焊后，儲罐仍需在沙床上進行水壓試驗，儲罐焊縫排版方式設計也應確保儲罐筒體橫截面底部120°弦高度范圍內不設置縱縫。

2.3 儲罐的無損檢測

覆土式儲罐焊接接頭系數一般為1，對儲罐的所有承壓焊縫進行100%無損檢測是其設計、建造規范的要求。儲罐的對接焊縫一般都要求進行射線檢測（RT），對于焊接接頭厚度超過50 mm，或在現場組焊的對接焊縫，在其設計、建造規范允許的情況下，宜采用UT方法（TOFD技術） 代替RT。如按照ASME BPVC第Ⅷ卷第2分冊設計、建造覆土式儲罐，其各類焊縫的無損檢測要求應符合該規范第7篇表7.2的要求。

2.4 儲罐的液壓試驗

覆土式儲罐的液壓試驗可在基礎沙床上直接進行，試驗前對開挖的壕溝應先用臨時承壓沙袋支撐（如圖8所示），并夯實達到密實度要求，同時應確?；A沙床斷面已堆高至罐體橫截面底部至少120°弦高度的水平面。儲罐液壓試驗宜選用淡水作為介質，也可以選用咸水或含鹽分水，pH值應控制在6～7之間。試驗時的溫度測量、試壓程序、壓力值讀取及合格驗收標準應符合所采用的儲罐設計、建造規范。沉降監測應在液壓試驗期間進行，應在充水量分別達到儲罐容積的0%、25%、50%、75%和100%時，以及容器充滿48 h后進行監測。液壓試驗階段的沉降速率應隨著時間而減小。如沉降速率不是逐漸減小，應迅速通知有關施工方，將儲罐部分清空，并及時對基礎及沙床進行加固等處理。

圖8 儲罐液壓試驗階段壕溝處用臨時承壓沙袋支撐

對于在現場組焊的儲罐，儲罐橫截面底部120°弦高度范圍內的外表面，包括環向焊接接頭需在液壓試驗前完成防腐涂敷，但是目前國內的壓力容器規范和標準中還沒有相關規定。根據ASME BPVC第Ⅷ卷第2分冊8.1.2（e）[16]的規定，在得到用戶或其代理同意時，先于水壓試驗前對容器內外承壓焊縫進行防腐涂敷也是允許的，這種情況下，還可預先對焊縫按照ASME BPVC第Ⅴ卷第10章[17]的要求進行泄漏檢測。

此外，對儲罐進行重復水壓試驗，也被視為覆土式儲罐在運行和維護期間的一種檢驗手段。如印度的OISD-STD-150標準[18]規定，覆土式儲罐每隔10年，或在每次維修或焊接新連接件時，應由安全檢查員進行水壓試驗。

2.5 儲罐的防腐涂層及陰極保護系統施工

覆土式儲罐的基礎、沙床和覆土層都存在潛在的腐蝕環境，研究表明，腐蝕問題是覆土式儲罐最大的危害[19]。對此，覆土式儲罐需要采用防腐涂層和陰極保護系統相結合的重型防腐系統在其設計壽命內提供充分保護。防腐涂層及陰極保護系統的施工應完全符合覆土式儲罐的設計要求，選用合適的防腐材料及制造工藝，盡量減少對基礎、沙床和覆土層的影響。外表面涂層的完整性是覆土式儲罐防腐蝕的關鍵，對于儲罐一旦覆土后不能檢查的防腐涂層，在施工中應加強對這些部位涂敷的質量控制，必要時應采用涂膜厚度檢測、電火花漏點檢測等方法加強控制。陰極保護的效果，一般應測試儲罐與其相鄰的電解質（土壤） 的電位差來評價，測得的電位差至少達到-0.85 V（vs.CSE），但不能負于-1.15 V（vs.CSE），此測試值不包括IR降。

對于分段或分片制造并在現場組焊的儲罐，儲罐各部位應根據不同的施工階段及時進行防腐涂敷。例如根據ASME BPVC第Ⅷ卷第2分冊設計、建造的某覆土式儲罐，分3段制造并在現場組焊，其各部位外表面的除銹及防腐涂敷分階段施工如表1所示。

表1 分段制造現場組焊的儲罐分階段除銹及防腐涂敷

2.6 覆土層的施工

覆土式儲罐在完成水壓試驗、防腐涂敷和陰極保護系統的施工、整體驗收合格后方可進行覆土工作。對于覆土式儲罐，沙床及覆土層的堆墩是伴隨著儲罐安裝的不同時期分階段施工的，如圖9所示，沙床及覆土層的施工分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個部位，分別在儲罐就位前、儲罐在沙床上充水液壓試驗前及液壓試驗后進行。

圖9 覆土式儲罐沙床及覆土層的分階段施工示意

具體的施工步驟如下：

（1） 儲罐周圍剩余部分的堆墩及覆土。首先按設計要求選用潔凈的干沙或細土來堆墩覆土；然后依次分層堆墩儲罐周圍的覆土、堆墩儲罐頂部的覆土及按設計坡度修筑覆土層的斜坡。

如圖10所示，分層堆墩儲罐周圍的覆土時，堆墩儲罐外壁500 mm范圍內的覆土（圖10中區域Ⅲ-1）及堆墩儲罐外壁500 mm范圍外的覆土（圖10中區域Ⅲ-2） 應分層交替進行，每層最大厚度為0.3 m，每層都應壓實到至少95%最大干密度，并采用土壤密實度檢測儀對每層進行測量檢驗，符合要求時方可繼續堆墩下一層，直至儲罐頂部。繼續分層堆墩儲罐頂部的覆土時，每層壓實到至少90%最大干密度即可，過多的分層壓實將會使壓力傳導到儲罐上引起受力不均。

圖10 儲罐周圍的覆土分層堆墩示意

（2） 防沖刷層施工。防沖刷層的作用是將雨水沖刷或侵蝕對覆土結構的影響降到最低，一般有砌筑結構或植被結構兩種類型[20]。施工時，應按設計要求，在覆土層頂面及斜坡面修筑防沖刷層，并沿擋土墻的墻腳修建散水坡及排水明溝。

3 結束語

（1）覆土擴散式儲罐相比于其他傳統儲罐，在避免沸騰液體擴散蒸氣爆炸、保證使用安全、節約土地等方面有著明顯的優點，隨著液化烴安全存儲需求的擴大，覆土式儲罐將得到越來越廣泛的應用，可以替代球罐。

（2） 覆土式儲罐的建造應結合制造廠能力、運輸條件、現場施工條件及經濟性綜合考慮，通過比較和分析幾種建造方法的優缺點來選擇和確定合適的建造方法。

（3） 覆土式儲罐的施工是一項系統工程，涉及到基礎、沙床、覆土及儲罐建造、涂敷作業及陰極保護系統等多專業、多工序，存在相互影響和制約問題，應從全系統統籌考慮，科學組織，合理安排各工序的互相結合，才能確保覆土式儲罐建造的質量。