淺析埋地臥式儲罐的設(shè)計

王　霞（中石化石油工程設(shè)計有限公司,山東　東營　257061）

淺析埋地臥式儲罐的設(shè)計

王霞
（中石化石油工程設(shè)計有限公司,山東東營257061）

摘要：結(jié)合理論分析和工程經(jīng)驗，重點對儲罐的穩(wěn)定性校核、抗浮驗算以及鞍座支反力的計算進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出了偏于安全合理的埋地儲罐設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：埋地臥式儲罐；穩(wěn)定性校核；抗浮驗算；鞍座支反力

1　引言

在靜設(shè)備設(shè)計中，經(jīng)常會遇到一些埋地臥式儲罐，如加油站、油田計量站等站場用的燃料油罐、污油罐等。與普通的地上罐相比，埋地罐具有節(jié)省地上空間、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工程造價低、有可靠的防火防爆能力、油品蒸發(fā)耗損小等優(yōu)點[1]，既減少了占地面積，降低了投資，也更安全。隨著我國國土資源日益緊張、全民安全環(huán)保意識的不斷加強(qiáng)，埋地罐的使用將更為廣泛。

2　穩(wěn)定性設(shè)計

埋地罐除受介質(zhì)的內(nèi)壓力作用外，還需承受罐體四周的覆土壓力，這個壓力會使罐體變形失穩(wěn)，所以埋地儲罐需進(jìn)行穩(wěn)定性校核。

2.1許用外壓力[P]

首先根據(jù)內(nèi)壓強(qiáng)度計算求得有效壁厚δe（空罐工況下，需首先假設(shè)有效壁厚δe），再根據(jù)外壓圓筒和外壓橢圓形封頭確定其許用外壓力[P]。

2.2設(shè)計外壓PY

埋地儲罐的設(shè)計外壓PY由覆土外壓Po決定，而Po是由土的自重應(yīng)力引起的。

2.2.1建立力學(xué)模型

應(yīng)用連續(xù)體力學(xué)（例如彈性力學(xué)）來研究土中應(yīng)力的分布時，應(yīng)注意土中任意截面上都包括有骨架和孔隙的面積在內(nèi)，所以在計算土中自重應(yīng)力時只考慮土中某單位面積上的平均應(yīng)力[2]。

假設(shè)天然地面是一個無限大的水平面，在任意豎直面和水平面上均無剪應(yīng)力存在。設(shè)埋地儲罐外半徑為R，若覆土土質(zhì)均勻，則在天然地面下任意深度H處（如圖1所示），作用于筒體外表面上的豎向混土自重應(yīng)力σCH為：

式中：γ1—混土的浮容重（KN/m）；

H—混土自重應(yīng)力計算深度（m）。

在天然地面下任意深度H處，除有作用于水平面上的豎向混土自重應(yīng)力σCH外，在豎直面上還作用有水平方向的側(cè)向自重應(yīng)力σCX。由于σCH沿任一水平面均勻的無限分布，故混土在自重下只能產(chǎn)生豎向變形，無側(cè)向變形和剪切變形，從這一條件出發(fā)，根據(jù)彈性力學(xué)理論，作用于圓筒外表面的側(cè)向混土自重應(yīng)力σCX應(yīng)與σCH成正比，而剪應(yīng)力為零，即：

式中：K0—混土的側(cè)壓系數(shù)，其中碎石土K0=0.18～0.25，砂石土K0=0.25～0.33，粘土K0=0.33～0.42；

2.2.2求解最大靜壓力

下面分別用宏觀分析和微元分析的方法求解覆土對筒體的最大靜壓力。

（1）宏觀分析法。通過力的合成有：

將式（1）、（2）帶入式（4）可得：

分析式（5）可得混土對圓筒的最大靜壓力在X-X截面上，但此點σCH與圓筒外表面相切，不存在混土對圓筒產(chǎn)生的豎向靜壓力，而只有側(cè)向靜壓力。根據(jù)郎肯土壓力計算理論，圓筒最大靜壓力的作用點位于距離圓心1/3R處，即：

式中：H0—地面距罐體頂部外表面的距離（m）；

（2）微元分析法。如圖2所示，在圖1中A處取斜邊長為d的三角單元體[3]，設(shè)該點的法向外壓為Pn，則有：

式中：θ—A點與水平面的夾角（°）

對式（8）運用微積分理論，可求得在圓筒體頂點時，其法向外壓力Pn最大，即：

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中規(guī)定，取該法向壓力與安全系數(shù)(1.2～1.4)的乘積作為埋地罐受混土重力作用而產(chǎn)生的外壓，即：

2.2.3兩種最大外壓力計算方法的分析比較

針對式（6）和式（10）兩種埋地罐最大外壓力的計算方法，取定筒體外半徑R、混土的浮容重γ1、混土的側(cè)壓系數(shù)K0，并將式（10）安全系數(shù)取為1.4，在同一P0-H0坐標(biāo)系中繪制最大覆土外壓Po隨埋深H0的變化曲線，如圖3所示。

分析圖3中曲線可得：

（1）兩種計算方法中，最大覆土外壓Po均隨儲罐埋地深度H0的增大而增大；

3)密鑰長度設(shè)計為128位，且為一次性密鑰，將明文和密鑰異或既簡單又可靠的加密方式，加解密速度較快，適用于大數(shù)據(jù)量的加解密。

（2）當(dāng)時，兩種計算方法的最大外壓值相等；

（4）由于覆土外壓的大小受罐體尺寸、覆土土質(zhì)以及埋地深度的影響，因此在設(shè)計中要根據(jù)具體情況，綜合考慮安全與經(jīng)濟(jì)因素選擇合理的外壓計算方法。

2.3穩(wěn)定性校核

由最大覆土外壓Po確定埋地儲罐的設(shè)計外壓PY，則儲罐筒體和封頭的穩(wěn)定性校核條件均為：

如果[P]≤PY，則應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)與安全因素，選擇增大罐體壁厚或在罐體上設(shè)置一定數(shù)量的加強(qiáng)圈。

3　抗浮驗算

3.1儲罐不被浮起的條件

保證罐體不被地下水浮起的條件為：

式中：Gt—罐體及附件重量（KN）；

Gs—作用在罐體上的土壤重量（KN）；

Vw—儲罐埋入地下水部分的體積（m3）；

γ2—水的容重（KN/m3）；

K—安全系數(shù)，取1.2～1.5

如圖4所示，作用在罐體上的土壤重量為：

式中：H1—儲罐中心到地面的距離（m）；

3.2抗浮措施

若Gt+Gs≤Vwγ2K，則儲罐將可能被地下水浮起，此時需要采取相應(yīng)的抗浮措施：

（1）若儲罐與基礎(chǔ)為雙鞍座固定方式，則需首先校核鞍座螺栓在浮力F=Vwγ2K-(Gt+Gs)的作用下是否滿足強(qiáng)度要求；

（2）若采用雙鞍座固定方式無法滿足抗浮的強(qiáng)度要求，可采用增設(shè)抗浮筋的方法，將儲罐和混凝土基礎(chǔ)或錨墩的預(yù)埋件焊接或用地腳螺栓連接[4]。

4　鞍座支反力核算

對于埋地罐來說，其與混凝土基礎(chǔ)的固定形式一般有兩種：雙鞍座固定法和錨固，其中最常用的為鞍座連接。埋地罐的鞍座不僅要承受罐體重量、罐內(nèi)附件及物料重量，還要承受覆土的重量，因此在進(jìn)行鞍座支反力核算時，必須考慮覆土附加重量的影響。

對用雙鞍座與基礎(chǔ)固定的埋地臥式儲罐，根據(jù)材料力學(xué)理論，可將其簡化為兩端固定的簡支梁，則每個鞍座承受的壓力為：

式中：—罐內(nèi)物料、罐體及其附件的總重量（KN）。

該支反力計算數(shù)值應(yīng)小于對應(yīng)鞍座的允許載荷，才能保證鞍座的支撐強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅洪波.埋地儲罐的設(shè)計[J].寧波化工,2010.

[2]宋吉勝.地埋式油罐的設(shè)計[J].石油工程建設(shè),2002.

作者簡介：王霞，女，山東臨朐人，2011年7月畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）化工過程機(jī)械專業(yè)，主要從事：設(shè)計工作。