特殊鋼制儲罐基礎設計

韓 旭

(中國天辰工程有限公司,天津 300400)

伴隨我國國民經濟的快速發展,化工廠建設迅猛增長,精細化工項目的原料罐區、中間罐區及成品罐區等儲存的介質多種多樣;依據工藝流程的需要,儲存的方式從單一的常壓儲罐,增加了較多微內壓儲罐;業主對儲罐的防腐保護措施也在逐步提高。

針對上述問題,傳統的鋼制儲罐基礎已不適用于滿足項目多種特殊儲罐的要求。探索新的儲罐基礎設計方案并加以應用,至關重要。

1 工程背景及傳統鋼制儲罐基礎

天津某精細化工項目中間罐區是該項目主要裝置之一,涉及各式鋼制儲罐20余個,儲罐均為微內壓工作狀態,部分儲罐儲存極度和高度危害介質,部分儲罐采用陰極保護。由于建設場地位于天津南港工業區,原為淺灘、灘涂區域,經人工吹填成陸,地基承載力較低。因此,全部鋼制儲罐基礎采用預應力混凝土空心方樁+鋼筋混凝土承臺基礎。

GB 50473—2008鋼制儲罐地基基礎設計規范規定:鋼制儲罐基礎適用于常壓(包括微內壓)立式圓形鋼制儲罐,且不適用于儲存介質毒性程度為極度或高度危害的儲罐地基基礎設計。

傳統儲罐基礎型式可分為護坡式基礎、環墻式基礎、外環墻式基礎和樁基基礎幾類。受場地地基承載力、變形控制、場地液化影響及場地占地限制等因素,石化項目罐區裝置普遍采用環墻基礎或樁基基礎兩種形式[1]。

2 特殊鋼制儲罐基礎設計方案

2.1 壓力儲罐基礎

對儲存操作壓力為微內壓的儲罐,因為內壓導致儲罐基礎與儲罐共同工作,在儲罐基礎的結構、材料和填料上應進行特殊處理。因此,壓力儲罐基礎底板的內力計算是該類儲罐基礎設計的重點問題。由于儲罐內壓導致儲罐“趨圓效應”,即設備周圈螺栓存在較大拉力,用于約束罐底板的變形趨勢,而儲罐底面存在內壓力指向基礎頂面與螺栓拉力平衡,見圖1。

儲罐基礎周邊的地腳螺栓拉力可以假定為底板的支座反力,儲罐的內壓可以假定為基礎板頂的均布荷載。內壓假定的均布荷載與螺栓假定的支座荷載形成了平衡力。則基礎底板由于內壓導致的受彎計算(假定內壓均由底板承受,不考慮樁基影響),依據《靜力計算手冊》可以簡化為周邊簡支圓板在中心局部均布荷載下的內力計算模型,見圖2,可以方便地求出儲罐內壓導致的附加彎矩[2]。

壓力儲罐的地腳螺栓由于考慮風荷載、地震等傾覆彎矩及內壓共同工作的工況,螺栓規格較大(直徑較大的儲罐為M64),宜采用錨板型錨栓減小混凝土中錨固長度從而避免由于螺栓錨固長度不足而導致罐基礎承臺較厚造成不必要的浪費。

2.2 極度和高度危害介質儲罐基礎

依據HG 20660—2017壓力容器中化學介質毒性及爆炸危險程度分類[3],本項目部分立式儲罐儲存的介質為極度或高度危害。《立式圓筒形鋼制焊接儲罐安全技術規程》明確指出:本標準適用于設計壓力小于0.1 MPa(G)且公稱容積不小于1 000 m3、建造在地面上、儲存毒性程度為非極度或非高度危害的石油、石油產品或化工液體介質、現場組焊的立式圓筒形鋼制焊接儲罐。GB 50473—2008鋼制儲罐地基基礎設計規范也規定:普通的罐區基礎難以及時地實施滲漏觀察。因此,基礎形式能夠及時可靠地對極度和高度危害介質儲罐進行滲漏檢測非常重要。

針對上述情況,本技術采用錐形基礎頂面;基礎頂面設置導流槽的方式起到及時滲、漏觀察的作用,見圖3。同時應滿足GB/T 50934—2013石油化工工程防滲技術規范的抗滲相關規定[4]。

錐形基礎頂面的坡度較小,滲漏介質難以迅速流出基礎外;而坡度過大,則不能滿足GB 50128—2014立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工規范要求,對設備本體產生不利影響,因此錐形基礎頂面的坡度應在2%～3.5%。

基礎頂面的導流槽應設置在地腳螺栓定位的間隙中,導流槽端部應設置泄露孔,這樣可避免端部預埋的泄露管與地腳螺栓碰撞。導流槽應按照由設備中心放射狀布置,導流槽間距在圓周外邊緣處較大,而在基礎中心處較小。導流槽長短間隙設置盡可能地保證覆蓋大部分罐底板范圍,又不會導致槽間距過密對罐底板的不利影響。考慮到儲罐底板的鋼板拼接焊縫間距一般為1.5 m～2 m(不銹鋼儲罐間距較小,碳鋼儲罐間距較大),為保證導流槽能夠發揮及時,可靠地進行滲、漏觀察的作用,導流槽最大間距宜控制在2 m～3 m;最小間距宜控制在1 m～1.5 m。同時導流槽內應填充細石,在保證介質流動的情況下防止槽內存在空隙而對鋼儲罐底板造成的不利受力影響。槽頂應用鋼絲網鋪蓋,防止頂部瀝青砂鋪設時夾帶槽內填充的細石,見圖4。

為了防止潮氣、基礎頂面及導流槽內的填料中有害化學物質及雜散電流等對罐底板的腐蝕,便于罐底板的鋪設和安裝,保持罐基頂的形狀和基礎錐面坡度和平整度,在儲罐基礎頂面設置瀝青砂絕緣層。瀝青砂絕緣層設置為100 mm厚,位于導流槽頂部。基礎邊緣預埋地腳螺栓及儲罐壁支撐處為環形混凝土突出部分。基礎頂面導流槽對接突出混凝土中預埋的泄露管,使得泄漏介質及時流出基礎外,便于安全人員檢查,及時采取對策,見圖5。

2.3 陰極保護儲罐基礎

儲罐基礎頂面一般會設置瀝青絕緣砂層,隨著時間的增長,瀝青砂會逐漸老化,基礎墊層也會出現裂痕,這樣地下的水分就會通過裂縫接觸到罐底板;另一方面,罐的質量也隨著內部液體的高度受到影響,時間長了就會發生變形。兩方面的因素如果同時產生,儲罐的使用壽命就會大大縮短,甚至出現危險。因此,現在越來越多的業主都非常重視儲罐的陰極保護。

陰極保護技術就是向被保護金屬結構通以足夠的直流電流(陰極電流),對其進行陰極極化,減少或消除造成金屬結構腐蝕的各種腐蝕原電池的電極電位差,使之腐蝕電流趨于零,進而達到阻止金屬腐蝕的目的。陰極保護分為犧牲陽極保護和外加電流陰極保護兩種。前者是依靠電位較負金屬的溶解來提供保護所需的電流,在保護過程中,這種電位較負的金屬為陽極,逐漸溶解犧牲掉,所以稱為犧牲陽極保護,實質上它們構成了電偶腐蝕電池;而后者則依靠外部的電源來提供保護所需的電流,這時被保護的金屬為陰極;為了使電流能夠通過,還需要用輔助陽極[5]。

犧牲陽極保護法不需要外部電源,維護簡單,保護電流調整比較困難,受土壤電阻率限制,有效保護范圍小,一般用于小型儲罐。外加電流陰極保護法需要外部電源,輸出電流可調,有效保護范圍大,一般用于大型儲罐。儲罐的底板直徑越大,越難以做好底板防腐,因此該項目業主對于直徑20 m及以上的儲罐要求采用外加電流陰極保護的做法。

由于外加電流法陰極保護需要在儲罐底板下埋設陽極地床,因此儲罐底板下設置350 mm厚中粗砂墊層,同時在特定位置鋪設陰極保護預埋鋼管,從而保證外加電流對罐底板的防腐保護。

3 儲罐基礎其他設計問題

1)儲罐基礎應嚴格執行大體積混凝土施工規范,樁基承臺基礎無須遵循環墻基礎弧長超長設置后澆帶的做法,但宜增大周圈水平環向鋼筋,應對環向混凝土收縮裂縫。

2)儲罐基礎根據防滲要求,尤其是極度或高度危害介質儲罐的要求,基礎頂面需要找坡處理,則基礎頂面鋼筋應隨混凝土坡度,保證保護層厚度一致。

3)儲罐地震荷載較大,且空心樁抗水平承載力較弱。因此,樁基承臺周邊回填土應滿足《樁基規范》及《抗震規范》相關要求,保證承臺周邊土層的換填范圍、壓實系數及承載力等相關要求。

4)當儲罐內介質溫度高于90 ℃,罐底接觸的基礎表面應采取隔熱措施,一般可以將瀝青砂替換成耐熱瀝青磚。如現場環保要求不允許現場熱熔融瀝青,也可采用環氧瀝青裹磚,但價格相對偏高,且施工難度加大。

5)儲罐等長周期安裝設備,基礎施工后在基礎上安裝底板,這種安裝方式不需要地腳螺栓的精確定位,因此建議直埋螺栓替代預留螺栓孔。