大型石油儲罐的抗風(fēng)計(jì)算與抗風(fēng)措施

趙 靜

〔華東管道設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇徐州 221008〕

近年來，隨著儲油罐的大型化和高強(qiáng)鋼質(zhì)量的飛速發(fā)展，儲罐的罐壁厚度在逐漸減薄，但是因質(zhì)量減輕油罐的抗風(fēng)穩(wěn)定性卻越來越差[1]。如1978年夏天，由于油罐沒有采取抗風(fēng)措施，河南某油庫有四座油罐的罐壁當(dāng)場被大面積吹癟。此次事故不僅造成了重大財(cái)產(chǎn)損失，還嚴(yán)重地威脅著工作人員的人身安全。我國是一個(gè)風(fēng)災(zāi)頻發(fā)的國家，尤其是在夏季的沿海地帶。對油罐進(jìn)行合理的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，采取可行的抗風(fēng)措施，防止油罐在強(qiáng)風(fēng)的情況下失穩(wěn)而造成事故十分重要。

1 油罐的類型和現(xiàn)狀

目前，油罐按幾何形狀可分為臥式圓柱形油罐、立式圓柱形油罐及雙曲油罐，其中立式圓柱形油罐最為常見。立式圓柱形儲罐按結(jié)構(gòu)又可分為固定頂油罐、內(nèi)浮頂油罐、外浮頂儲油罐和球形儲罐等。拱頂油罐是最常見的一種固定頂油罐。現(xiàn)油罐大多采用薄殼結(jié)構(gòu)，薄殼結(jié)構(gòu)是五大空間結(jié)構(gòu)類型之一。因采用薄殼結(jié)構(gòu)可使油罐內(nèi)部受力均勻，所以不僅可以減少用料，節(jié)約成本，還可減輕油罐重量。另一方面，采用薄殼結(jié)構(gòu)也能使油罐具有較好的密封性。但采用這種薄殼結(jié)構(gòu)卻大大減低了儲油罐的抗風(fēng)穩(wěn)定性，遇到大風(fēng)等惡劣天氣儲罐容易失穩(wěn)，造成安全事故。

近20年來，油罐迅速向大型化發(fā)展。油罐大型化有利于石油工業(yè)的發(fā)展并且便于各方面的操作。國際上油罐從上世紀(jì)60年代便開始朝著大型化方向發(fā)展，制造出了超過10萬m3的大型油罐，尤其是中東以及一些石油出產(chǎn)國，油罐大型化趨勢尤為明顯，現(xiàn)在國外已經(jīng)建成了超過20萬m3的油罐。但是，油罐大型化以后，危險(xiǎn)性也增加了，一旦出現(xiàn)事故危害性將會更大。因此，做好油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，保證油罐在大風(fēng)天氣的安全平穩(wěn)生產(chǎn)是設(shè)計(jì)計(jì)算的重要準(zhǔn)則。

2 儲罐風(fēng)載分布

一般來說，拱頂油罐外壁所受風(fēng)壓是不均勻的，在迎風(fēng)面大約60度范圍承受的是壓力，其他部分承受的是張力；在受壓的60度范圍內(nèi)，大約在20度范圍的壓力可近似為常數(shù)。通常情況下，最大風(fēng)壓發(fā)生的地方稱為為駐點(diǎn)[2]。拱頂油罐的內(nèi)壁基本不存在風(fēng)壓問題，風(fēng)壓僅存在于罐壁外部。外浮頂油罐受到的主要是由抽力引起的負(fù)壓，根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得出，外浮頂所受到的最大負(fù)壓大約為風(fēng)壓的一半,位于駐點(diǎn)的罐壁內(nèi)側(cè)，其余部位比駐點(diǎn)稍小，但差距不會太大。油罐外壁風(fēng)壓分布見圖1。

3 油罐的抗風(fēng)措施

目前，我國儲油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要是按照《GB50341—2014立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)的。如果經(jīng)過計(jì)算油罐不滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，就要采取相應(yīng)的抗風(fēng)措施，即增設(shè)抗風(fēng)圈。增設(shè)抗風(fēng)圈可以提高油罐的抗風(fēng)穩(wěn)定性，而且這種措施經(jīng)濟(jì)實(shí)用，施工方便，在我國和世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用?？癸L(fēng)圈包括頂部抗風(fēng)圈和中間抗風(fēng)圈。敞口的外浮頂油罐應(yīng)在罐壁外側(cè)靠近罐壁上端設(shè)置頂部抗風(fēng)圈，設(shè)置位置在離罐壁上端1 m的水平面上。如果設(shè)置一道頂部抗風(fēng)圈不能滿足要求，可設(shè)置多道。頂部抗風(fēng)圈的外周邊緣可以是圓形的，也可以是多邊形的，而且頂部抗風(fēng)圈還可以兼做走道，此時(shí)其最小凈寬度不應(yīng)小于650 mm，上面也不能存在影響行走的障礙物。通常情況下，頂部抗風(fēng)圈的水平鋪板上會開設(shè)16～20 mm的排液孔，以防止雨水積存在上面。頂部抗風(fēng)圈盤梯入口示意圖如圖2。

圖2 頂部抗風(fēng)圈盤梯入口示意圖

頂部抗風(fēng)圈的最小截面模數(shù)按下面公式(1)計(jì)算[3]：

WZ=0.083D2H1ω0

(1)

式中：WZ——頂部抗風(fēng)圈的最小截面模數(shù)，cm3；

H1——罐壁總高度，m；

D——油罐直徑，m；

ω0——基本風(fēng)壓，kPa。

只要頂部抗風(fēng)圈的各個(gè)截面的實(shí)際截面模數(shù)大于最小截面模數(shù)，就能滿足設(shè)計(jì)要求。

中間抗風(fēng)圈可以設(shè)置在外浮頂油罐、拱頂油罐和內(nèi)浮頂油罐上。是否需要設(shè)置中間抗風(fēng)圈，以及設(shè)置的圈數(shù)都是通過計(jì)算得到的。由于風(fēng)壓作用在不同類型的儲罐上，儲罐的受力不同，所以不同類型的儲罐的抗風(fēng)核算區(qū)間和罐壁筒體的設(shè)計(jì)外壓計(jì)算公式都是不同的。固定頂油罐與內(nèi)浮頂油罐將罐壁全高作為風(fēng)力穩(wěn)定核算區(qū)間，而敞口的外浮頂油罐則將頂部抗風(fēng)圈以下的罐壁作為風(fēng)力穩(wěn)定核算區(qū)間(本文第4節(jié)以董家口商儲庫10萬m3外浮頂油罐為例詳細(xì)介紹抗風(fēng)計(jì)算過程)。

同時(shí)，容量較小的儲罐還應(yīng)考慮是否需要采取錨固設(shè)計(jì)，即采用錨固螺栓將儲罐罐底固定在儲罐基礎(chǔ)上，以防止儲罐在大風(fēng)天氣發(fā)生側(cè)傾。錨固設(shè)計(jì)一般針對小型的拱頂油罐。首先應(yīng)對未錨固罐進(jìn)行傾倒校核計(jì)算，即當(dāng)油罐不發(fā)生傾倒時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足下列公式(2)[4]：

0.6MW+MPi

(2)

式中：MW——水平和垂直風(fēng)壓對罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩，N·m；

MPi——設(shè)計(jì)內(nèi)壓對罐壁罐底接合點(diǎn)的傾倒力矩，N·m；

MDL——罐壁重量和罐頂支撐件重量對罐壁罐底接合點(diǎn)的反傾倒力矩，N·m；

MDLR——罐頂板及其上附件重量對罐壁罐底接合點(diǎn)的反傾倒力矩，N·m；

MF——儲液重量對罐壁罐底接合點(diǎn)的反傾倒力矩，N·m。

如果不滿足以上公式，就需要對儲罐進(jìn)行錨固設(shè)計(jì)，即采用一定數(shù)量的錨固螺栓將儲罐的罐底固定在儲罐基礎(chǔ)上。常用的錨固形式有兩種，即單錨固組和連續(xù)支撐錨固。無論哪一種錨固形式，錨固螺栓的規(guī)格都要大于M24，而且腐蝕裕度應(yīng)大于3 mm。錨固螺栓間距根據(jù)油罐的直徑而定，當(dāng)油罐直徑小于15 m時(shí)，間距不能大于2 m；當(dāng)油罐直徑大于或等于15 m時(shí)，間距不應(yīng)大于3 m。圖3、圖4、圖5為500 m3拱頂罐錨固安裝示意。

圖3 錨固安裝示意圖

圖4 錨固示意圖

圖5 錨固示意圖

4 抗風(fēng)圈的計(jì)算步驟簡介

現(xiàn)在以董家口商儲庫的10萬m3外浮頂油罐為例進(jìn)行中間抗風(fēng)圈的計(jì)算，董家口港資料及設(shè)計(jì)條件如下：

董家口港位于青島膠南市轄區(qū)，該港口面向黃海，自東南向西北移動的臺風(fēng)對該區(qū)域的影響較大?；撅L(fēng)速由氣象部門統(tǒng)計(jì)得到，一般以平坦地區(qū)距離地面10 m左右、50年一遇的10 min平均最大風(fēng)速作為依據(jù)[4]，查氣象資料可知當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓為0.6 kPa。

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

油罐內(nèi)徑：D=80 m

風(fēng)壓高度變化系數(shù)：μz=1.666

基本風(fēng)壓：ω0=0.6 kPa

加強(qiáng)角鋼：200 mm×125 mm×16 mm

加強(qiáng)槽鋼：320 mm×88 mm×8 mm

邊梁槽鋼：360 mm×100 mm×13 mm

鋪板材質(zhì)為鋼板12Q235B：鋪板有效厚度δ=11.35 mm

核算區(qū)間罐壁板參數(shù)見表1。

4.2 計(jì)算步驟

(1)頂部抗風(fēng)圈。頂部抗風(fēng)圈盤梯入口最薄弱處截面見圖6。所建坐標(biāo)系見圖7。

圖6 頂部抗風(fēng)圈盤梯入口最薄弱處截面

圖7 建立坐標(biāo)系

頂部抗風(fēng)圈的最小截面模數(shù)見式(3)：

WZ=0.083D2H1ω0μz=0.083×802×21.8×0.6×1.666=11575.53

(3)

頂部抗風(fēng)圈盤梯入口處截面模數(shù)WA1

①各截面的面積Ai及形心Xi。

邊梁槽鋼：360 cm×100 cm×13 cm；截面積：A1=75.31 cm2，形心位置：X1=2.34 cm(查《機(jī)械零件手冊》得)

開孔左側(cè)鋪板(有效厚度δ=11.35 mm)：A2=38×1.135=43.13 cm2；X2=19 cm

開孔右側(cè)鋪板(有效厚度δ=11.35 mm)：A3=73×1.135=82.855 cm2；X3=76.5 cm

加強(qiáng)槽鋼：320cm×88cm×8cm；A4=48.513 cm2，X4=111.76 cm(查《機(jī)械零件手冊》得)

② 各截面的慣性矩IIz：

I1Z=305 cm4

I2Z=(383×1.135)/12=5189.98 cm4

I3Z=(733×1.135)/12=36794.52 cm4

I4Z=536 cm4

2.1.3 補(bǔ)體溶血和恢復(fù)試驗(yàn)。導(dǎo)致譜細(xì)胞溶血是抗-Tja抗體和抗-Vel抗體的特征之一，原因在于結(jié)合補(bǔ)體[9]。補(bǔ)體通過一系列的激活，形成膜攻擊復(fù)合物，導(dǎo)致紅細(xì)胞破裂。血清在56℃孵育后會破壞補(bǔ)體，從而使得抗體不能引發(fā)溶血。再加入新鮮的AB型血清后，補(bǔ)充了補(bǔ)體，可恢復(fù)抗體的溶血特性。

③ 組合截面I形心水平位置的計(jì)算：

XC=∑AiX1/∑Ai=(75.31×2.34+43.13×19+82.855×76.5+48.513×111.76)/ 75.31+43.13+82.855+48.513=51.06 cm

④ 移到組合截面形心ZC軸的慣性矩：

I1ZC=I1Z+(XC-X1)2A1=305+(51.06-2.34)2×75.31=179063.71 cm4

I2ZC=I2Z+(XC-X2)2A2=5189.98+(51.06-19)2×43.13=49520.874 cm4

I3ZC=I3Z+(XC-X1)2A3=36794.52+(51.06-76.5)2×82.855=90417.746 cm4

I4ZC=I4Z+(XC-X1)2A4=536+(51.06-111.76)2×48.513=179281.663 cm4

IZC=I1ZC+I2ZC+I3ZC+I4ZC=179063.71+49520.874+90417.746+179281.663=498283.99 cm4

⑤ 該位置的截面模數(shù)：

同理經(jīng)過計(jì)算得兼做走道的頂部抗風(fēng)圈截面模數(shù)WA2=7197.74

截面模數(shù)校核：

2WA1=15833.62>WZ=11574.83，且2WA2=14395.49>WZ=11574.83

所以加兩道頂部抗風(fēng)圈安全。

第一道頂部抗風(fēng)圈設(shè)置位置在離罐壁上端1 m的水平面上，第二道頂部抗風(fēng)圈設(shè)置位置在第一道頂部抗風(fēng)圈下面1 900 mm處。

敞口的外浮頂油罐則將頂部抗風(fēng)圈以下的罐壁作為風(fēng)力穩(wěn)定核算區(qū)間，核算區(qū)間罐壁板參數(shù)見表1。

(2)中間抗風(fēng)圈。

外浮頂油罐的設(shè)計(jì)外壓：

P0=3.375μZω0=3.375×1.666×0.6=

3.37365(kPa)

罐體的臨界壓力[Pcr]

各圈壁板的當(dāng)量高度Hei：

169.38 mm

239.26 mm

476.31 mm

707.42 mm

1 235.82 mm

2 258.36 mm

2 420 mm

1 960 mm

HsE=∑Hsei=HSEⅠ+HSEⅡ+HSEⅢ+HSEⅣ+HSEⅤ+HSEⅥ+HSEⅦ+HSEⅧ=169.38+239.26+476.31+707.42+1 235.82+2 258.36+2 420+1 960=9 466.55 mm

核算區(qū)間罐壁筒體許用臨界壓力【Pcr】：

因?yàn)閇Pcr]

中抗風(fēng)圈位置宜在HE/4、HE/2與3HE/4處。所有抗風(fēng)圈的安裝位置見圖8。

圖8 抗風(fēng)圈安裝位置示意圖

圖9 董家口商儲10萬m3外浮頂油罐

此外，中間抗風(fēng)圈的截面尺寸應(yīng)大于下表2[4]規(guī)定的最小截面尺寸。

表2 油罐內(nèi)徑與最小截面尺寸

5 結(jié)語

由于采取了增設(shè)多道抗風(fēng)圈等措施，董家口原油商儲基地16座10萬m3外浮頂油罐的抗風(fēng)能力得到了較大提高，油罐自2018年投用至今運(yùn)行良好。雖然現(xiàn)階段大型儲罐本體抗風(fēng)設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸趨于成熟，但是可以看出其在某些方面仍具有較大改進(jìn)空間，例如盤梯、罐壁人孔等油罐附件的穩(wěn)定性能是否能夠滿足使用要求。相信通過逐步的完善，大型儲罐的抗風(fēng)能力將進(jìn)一步得到加強(qiáng)。