埋地儲罐的設計

劉瀟博，趙紅喬，張小平

（中國輕工業長沙工程有限公司，湖南長沙 410114）

儲罐是在眾多工業領域中廣泛應用的設備，近年來隨著經濟的發展，用地緊缺、地下空間利用技術進步等原因，許多工程中采用地下儲罐，即儲罐埋入地下，只留進出料的管道到地面并在地面進行操作。地下儲罐一般包括置于地下掩體中或直接埋入土中兩種方式。地下儲罐具有更加隱蔽、能夠減少儲存介質蒸發損耗、更方便作為放空罐的優勢，尤其對于易燃易爆介質，地下儲罐無疑是比較安全的設備安裝形式。

當儲罐置于地下掩體時，其設計計算方法與地上儲罐相同，本文不做分析。儲罐直接埋入地下時會受到覆土的壓力及地下水的浮力等因素的影響。目前對于埋地儲罐的設計并沒有明確的設計標準和制造規范。本文針對直接埋地儲罐設計中遇到的一些問題進行分析和闡述。

1 埋地儲罐形式和材料的選擇

為減少工程施工量，并從設備受力情況分析，埋地儲罐一般采用臥式埋地儲罐，根據儲存介質的性質、設計溫度、設計壓力、環境溫度、濕度等選擇合適的材料，同時還要考慮材料的加工制造性能、經濟合理性和設備的使用壽命。對于儲存石油類產品的儲罐一般建議采用壓力容器專用鋼板。

2 強度設計

對于埋地式儲罐，計算罐壁厚度時除了由工況決定罐內介質壓力p0，還必須考慮儲罐外表面上方填土自重引起的靜壓力。

2.1 填土自重產生的靜壓力

臥式儲罐埋地示意圖見圖1。

圖1 臥式儲罐埋地示意圖

根據相關研究，儲罐圓筒外表面上方填土自重引起的最大靜壓力的作用點位于距離圓心1/3R處。且

式中：p1為填土自重引起的最大靜壓力，MPa

r為填土密度（1 800～2 450kg/m3），取2 100kg/m3

g為重力加速度，N/kg

R為圓筒內半徑，m

H0為圓筒頂部距離地面高度，m

K0為土的靜止側壓系數，取黏土K0=0.33

2.2 儲罐壁厚計算

計算出填土自重產生的靜壓力之后，結合儲罐的工況決定工作壓力p0，確定埋地儲罐的計算壓力pc：

①如p0為正壓，則按照GB/T 150—2011中計算公式計算出設備計算厚度，圓整后得到名義厚度，再根據GB/T 150—2011用p1進行外壓校核。

②若p0為負壓，則用p0與p1疊加后的圓整值，作為外壓計算壓力，按照GB/T 150—2011計算筒體厚度及加強圈。

3 抗浮驗算

工程中，埋地儲罐空載時出現過罐體上浮，拉裂、拉脫工藝接管，造成生產事故的情況，為避免事故發生，地下臥式儲罐如果全部或者局部埋入最高地下水位以下，就應進行抗浮驗算，即驗算在空罐情況下，儲罐有無被浮起的可能。為了保證臥式儲罐不被地下水浮起，必須滿足儲罐上方覆土重量與儲罐自重大于地下水對儲罐的產生浮力，即：G1+G2≥F1

式中：G1為罐體自重，N

G2為作用在儲罐上的成棱柱體的土壤重量（見圖2 地下臥罐平衡浮力的土壓），N

圖2 地下臥罐平衡浮力的土壓

L為儲罐筒體長度，m

δn為筒體名以厚度，m

ψ為土壤內摩擦角，見表1“土壤內摩擦角（ψ）參考值”

表1 土壤內摩擦角（ψ）參考值

F1為地下水對儲罐產生的浮力，N

ρ為地下水密度，kg/m3

V為儲罐埋入地下水部分

的體積，m3

K為安全系數，取1.2～1.5

如果儲罐自重和覆土重量之和不能滿足不等式，則說明儲罐可能被地下水浮起，需采取措施將儲罐與混凝土基礎或者專門設定的錨墩固定在一起，以抵抗地下水浮力，目前常用的抗浮措施有：

（1）設置抱箍固定，抱箍使用螺栓與混凝土鞍座基礎連接。

（2）臥式儲罐上設置鞍式支座，混凝土基礎上埋鐵，鞍座底板與混凝土基礎上所埋鐵板直接焊接，或采用地腳螺栓固定。

以上抗浮驗算是針對工程所在地區基本地下水位進行計算的，在生產中應加強對油罐池水位的巡視，在下雨時和下雨后更要如此，當從油罐防漏觀察井觀察到水位持續升高時，應立即進行排水。同時制定應急救援預案，配備應急救災器材，主要是配備用于排水的防爆潛水泵，并密切關注當地的天氣以及災情預報情況，出現重大險情要及時處理。

4 計算示例

某埋地柴油臥式儲罐，壓力為常壓，溫度為常溫，物料性質為易燃，公稱直徑φ1 500，筒體長L=1 800mm，兩端為橢圓形封頭，埋入地下深度H0為1 250mm，則填土自重對儲罐產生的壓力為：

取設計壓力p=0.1MPa，若設備材質選用Q345R，則滿足要求的筒體壁厚為4mm，考慮設備剛度要求，取筒體壁厚δn為8mm，并用-0.1MPa進行外壓校核，壁厚滿足要求。

罐體自重G1約為8 000N。

假設填土摩擦角為40°，根據圖2，可計算出罐體直筒段上方填土重量G2：

本工程所在地，地下水位為-2.5m，可求出儲罐在地下水部分的體積V=0.4m3，則地下水產生的浮力F1=5 880N。

由此可見 ：G1+G2=87 020N ，G1+G2＞F1滿足抗浮要求，故本設備不需采取其他的抗浮措施。

5 臥式埋地儲罐結構要求

由于臥式埋地儲罐安裝在地下，滲漏不易發現，且維修有一定難度，因此在設計臥式埋地儲罐時應盡量減少罐體上的焊接接管，以減少焊縫，避免混凝土對焊縫的腐蝕，同時使設備上的接管盡量集中在一起。設計中通常在罐體上開設兩個較大的人孔，把接管開孔集中設置在其中一個人孔平蓋上，油罐的進油管應向下伸至罐內距罐底0.2m處，這主要是為了避免油品噴濺卸油產生靜電火花，引起著火；另一個開孔作為人孔使用，內部設置直通罐底的扶梯，方便對設備其他管口的檢修和更換，同時為防止雨水進入對開孔部位的腐蝕，在兩個人孔外應安裝較大的人孔外罩，并內設爬梯，伸出地面，且加蓋保護。

臥式埋地儲罐由于周圍有砂石填充，一般情況下，對于設備本體而言，儲罐有無固定鞍座，并無太大影響，但是考慮工藝配管，儲罐必須固定才能防止由于填土沉降，引起儲罐移位，而導致工藝配管拉裂，或法蘭密封面泄漏。另外上文提出，考慮空罐時抗浮要求，儲罐也需設置固定基礎，并將儲罐本體與固定基礎固定。固定基礎一般有混凝土鞍座或罐體上設置鞍座，在鞍座計算時應充分考慮罐體上方填土重量，填土上水泥路面的重量，及路面上可能出現的附加載荷，必要時應對路面上允許的最大附加載荷提出要求。

6 埋地儲罐的制造與防腐要求

埋地儲罐一般用來儲存石油產品，油罐埋于地下，一旦出現異常將難以控制，造成的后果和影響可能難以估計，為保證油罐埋地后可靠運行，在制造時應對所有ABD類焊縫全焊透，進行100%無損檢測。因油罐承受外壓，為防止罐體受到填土載荷造成局部變形失穩，可適當減少殼體圓度允差。

儲罐埋于地下，受到地下水和土壤侵蝕，微生物破壞，罐體極易被腐蝕，造成泄漏。對于盛裝對環境危害較大的介質的埋地儲罐，可采用鋼制強化玻璃纖維制雙層結構，即內層采用鋼殼，外層采用強化玻璃纖維，在內部鋼殼與外部強化玻璃纖維層之間產生3.5mm的空隙，即使內殼產生泄漏，也能保證所容危險物僅在空隙中流動，不會溢出外界污染環境，且相對于單層罐體外涂刷的防腐漆，強化玻璃纖維層具有很強的耐腐蝕性、耐電蝕性，設備使用壽面更長。目前雙層埋地儲罐多用于加油站。對于其他單層埋地儲罐，設備檢驗合格后，外表面應按照相關標準規范要求進行除銹、去污、去油等表面處理，并采用不低于加強級的防腐保護層，如涂刷環氧底漆，環氧煤瀝青漆或環氧煤瀝青涂料。

建在水源保護區的直埋油罐，應對油罐采取防滲漏擴散的保護措施，并應設置滲漏檢測設施，防止加油站油罐對地下水源和附近江河海岸的污染。

7 結語

埋地式儲罐由于其安全，節約用地的優點，應用越來越廣泛，在埋地儲罐設計過程中：

1）必須考慮填土及附加荷載對設備造成的外壓力，對儲罐進行強度計算，并進行外壓校核。

2）為防止埋地儲罐空罐時上浮，需對埋地儲罐進行抗浮驗算，采取將儲罐與固定基礎固定，或增加錨墩的措施，防止空罐上浮。

3）選擇適合儲存介質的材料，合理的結構形式，嚴格的加工制造及檢驗方法。

4）設備外表面應采用不低于加強級的防腐保護層。