關(guān)于加強立式金屬儲罐內(nèi)部隔板穩(wěn)定性的研究

高國棟

中化二建集團(tuán)有限公司 山西太原 030021

儲罐作為一種基礎(chǔ)的存儲設(shè)備，在石油、化工、醫(yī)藥、食品、水處理等諸多行業(yè)中廣泛應(yīng)用，其中立式金屬儲罐在石化行業(yè)中多用作常壓儲存設(shè)備，用以存放原油、汽油、潤滑油等油品，芳烴、酸堿、醇類等化學(xué)物質(zhì)，以及公用系統(tǒng)中脫鹽水、低溫水、消防水等水處理的各類介質(zhì)。其憑借成熟的設(shè)計方法和施工技術(shù)，在各行業(yè)中發(fā)展迅速。隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，及生產(chǎn)工藝的需求，內(nèi)置隔板型立式金屬儲罐設(shè)計逐漸增多。這種結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)了兩種不同的物料或是不同工況下的同種介質(zhì)存放在同一個儲存容器中，從而達(dá)到了節(jié)約容器材料，簡化工藝流程，減少設(shè)備占地面積，節(jié)約資金投入的目的。

由于現(xiàn)有各類儲罐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中對這種內(nèi)置隔板強度的計算并無明確計算準(zhǔn)則，多采用經(jīng)驗類比方法進(jìn)行設(shè)計，通過有限元等模擬分析軟件進(jìn)行驗證。在實際的生產(chǎn)運行過程中會發(fā)生隔板失穩(wěn)的狀況，影響正常生產(chǎn)運行，造成安全隱患。這種立式儲罐內(nèi)部隔板失穩(wěn)規(guī)模將其包括隔板變形和隔板與罐體焊縫開裂兩種情況。以下結(jié)合工程中實際發(fā)生的案例對這兩種失穩(wěn)狀況的形成原因進(jìn)行詳細(xì)探究，并對其結(jié)構(gòu)的加強措施予以闡述。

1 立式儲罐內(nèi)部隔板失穩(wěn)原因探究

1.1 隔板發(fā)生變形

某石化裝置低溫冷凍水儲罐為立式拱頂鋼制儲罐，直徑12.6m，高14.6m，內(nèi)部中心位置設(shè)S 形隔板，隔板高度為12m，設(shè)計最高液位11.5m。在運行過程中，內(nèi)部隔板發(fā)生變形，局部傾倒，并連帶造成罐壁板部分變形，裝置緊急進(jìn)行停車。經(jīng)對當(dāng)時儲罐運行工況進(jìn)行調(diào)查分析，在事故發(fā)生時隔板一側(cè)無液位，另一側(cè)液位約為6m。儲罐經(jīng)修復(fù)，并加固處理后繼續(xù)投入使用。詳見圖1。

圖1 儲罐內(nèi)部隔板局部傾倒及罐壁板部分變形

造成此類中間隔板失穩(wěn)發(fā)生變形的原因，就是由于單側(cè)液位過高，另一側(cè)無液體平衡。根據(jù)儲罐當(dāng)時的運行工況，對中間進(jìn)行受力分析（圖2），區(qū)域1 內(nèi)液位較高，內(nèi)部液體對隔板產(chǎn)生指向區(qū)域2 側(cè)的壓力，致使隔板內(nèi)凹弧形區(qū)域中心受力集中，該處隔板抗變形能力最為薄弱，超出鋼材抗彎曲變形的強度，使其向外產(chǎn)生徑向位移。且通過實際觀測，區(qū)域2 內(nèi)的隔板支撐桿件A 設(shè)置為槽鋼，規(guī)格較小，對隔板的支撐能力差，不足以抵抗此處隔板的變形力，因而發(fā)生彎折現(xiàn)象。

圖2 儲罐受力分析示意圖

這種隔板變形現(xiàn)象反映出該儲罐設(shè)計對內(nèi)部隔板單側(cè)受力工況的考慮不足，隔板結(jié)構(gòu)剛度不足，隔板拉桿部件設(shè)置較少且材料選型偏小。要保證其穩(wěn)定性，必須提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，對隔板采取有效的加固措施。

1.2 隔板與罐體焊縫開裂

隔板的失穩(wěn)現(xiàn)象除了隔板自身發(fā)生的變形，還存在隔板與底板、壁板間角焊縫的局部開裂。某化工裝置氨水儲罐為立式拱頂鋼制儲罐，直徑11.3m，高7.8m，內(nèi)部的橫豎兩道隔板將儲罐分割成三個區(qū)域，隔板高度為6m。在檢修清理儲罐中發(fā)現(xiàn)A、B 區(qū)域之間隔板與底板角焊縫有約20cm 長的開裂現(xiàn)象，該位置下方底板伴有輕微內(nèi)凹變形（圖3）。經(jīng)過分析認(rèn)為，由于長期運行使儲罐下方基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，A、B 區(qū)域底板與基礎(chǔ)之間出現(xiàn)空隙，從而使該區(qū)域底板隨著液位的變化出現(xiàn)應(yīng)力的頻繁變化而引起變形。該儲罐選型為不銹鋼材質(zhì)，隔板厚度為6mm，與罐底板直接通過角焊縫進(jìn)行焊接，在受到拉應(yīng)力較大的情況下出現(xiàn)焊縫拉裂。此案例隔板結(jié)構(gòu)的強度并非其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因，但也凸顯出了其受力較大的薄弱位置。在對儲罐基礎(chǔ)局部進(jìn)行噴射注漿修復(fù)的同時，也對隔板與底板之間的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強。

圖3 某氨水儲罐的隔板與罐體焊縫開裂

2 內(nèi)部隔板加強措施

結(jié)合現(xiàn)場實例對內(nèi)置隔板型立式金屬儲罐內(nèi)部隔板失穩(wěn)狀況的分析可知，隔板結(jié)構(gòu)自身的整體強度是保證其穩(wěn)定性的重要原因之一，加強隔板自身結(jié)構(gòu)強度可以有效提高穩(wěn)定性。通過對其在運行過程中受力情況的判斷，結(jié)合國內(nèi)專家對儲罐內(nèi)隔板載荷有限元分析的成果，以及現(xiàn)場修復(fù)加固實例的經(jīng)驗推廣，對隔板結(jié)構(gòu)的加強措施主要包括優(yōu)化隔板形式，增加隔板橫向加強筋，加固隔板與壁板、底板間的連接焊縫，以及增強隔板兩側(cè)的拉撐結(jié)構(gòu)四種措施。

2.1 優(yōu)化隔板形式

在現(xiàn)有內(nèi)置隔板設(shè)計中通常采用直隔板、圓弧形隔板和S 形隔板三種形式。其中直隔板結(jié)構(gòu)簡單，但受力情況較差；弧形隔板通過圓弧板中心的豎直固定管提升整個隔板結(jié)構(gòu)的剛度，同時改善了作用于隔板的應(yīng)力，減小了應(yīng)力作用下產(chǎn)生的位移；S 形隔板是由多個圓弧形設(shè)計疊加組合而成，受力情況更優(yōu)于前兩種形式，且其圓弧數(shù)量越多，在相同應(yīng)力作用下的位移量越小。綜合考慮材料用量、加工難度，以及制作過程的質(zhì)量控制，多S 形隔板不利于加工制造。詳見圖4。

圖4 內(nèi)置隔板傳統(tǒng)設(shè)計形式和優(yōu)化后的單S 形隔板

綜合各方面因素，采用經(jīng)過優(yōu)化加強后的單S 形隔板，在隔板的中心及弧板上設(shè)置加強立柱，也可滿足其受力特征，保證運行安全。立柱的數(shù)量應(yīng)根據(jù)隔板的長度確定，加強立柱可采用槽鋼或是從中部破開的無縫鋼管，分別對稱焊接在隔板兩側(cè)。加強立柱可以極大地增加隔板在豎直方向的整體剛度，與隔板間的焊縫應(yīng)采用連續(xù)焊，同時做好防變形措施，焊接完成后還要對所有焊縫進(jìn)行表面無損檢測。

2.2 增加隔板橫向加強筋

隔板的橫向剛度也需要采取措施進(jìn)行加強，如圖1 的隔板事故最先發(fā)生變形的是S 形內(nèi)凹圓弧段的位置。在液體靜壓力的作用下，該段圓弧隔板被迫向外撐圓產(chǎn)生較大位移，帶動整個隔板發(fā)生側(cè)傾。加強筋的做法，可以提高所在部位的抗彎曲變形的能力，從而增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

根據(jù)流體力學(xué)知識，流體靜壓力在其自身重力的作用下，對隔板產(chǎn)生的載荷隨物料液位深度的增加而呈現(xiàn)梯度增大的趨勢。隔板在單側(cè)存放物料的情況下，下部受力要大于上部，在進(jìn)行橫向加強筋的布置時自上而下應(yīng)逐步縮小其間距。橫向加強筋的尺寸應(yīng)與豎向立柱的徑向高度相近，材料的選擇可以使用同材質(zhì)的鋼板、角鋼、槽鋼等。比較而言，鋼板的下料加工難度較大，且在切割及焊接過程中易變形，所以結(jié)合儲罐自身重量考慮，使用角鋼進(jìn)行橫向拉筋加強較為合適，

以隔板彎曲半徑相同的曲率對角鋼進(jìn)行卷弧加工，根據(jù)隔板豎直加強立柱間的弧長進(jìn)行下料，在隔板兩側(cè)同一高度位置與隔板采取間斷焊的方式進(jìn)行焊接。橫向拉筋與豎直立柱間必須進(jìn)行滿焊，使兩者結(jié)合成一個穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)。

2.3 加固隔板與壁板、底板間的連接焊縫

隔板與儲罐本體的連接（圖5），即隔板作為一種單片結(jié)構(gòu)保持直立，依靠的是隔板與罐底板、壁板之間的焊接連接，與儲罐形成一個整體將作用力向下傳遞。在實際使用過程中，隔板焊縫長期受到物料靜壓力作用和雙向的介質(zhì)腐蝕，會增加焊縫裂紋風(fēng)險，導(dǎo)致兩側(cè)液體滲漏，造成損失。對隔板與壁板、底板間的連接焊縫采取一定的加固措施，可以有效降低這種風(fēng)險，延長設(shè)備的使用壽命。針對兩種焊縫位置的不同提出兩種加固措施：隔板與壁板間的連接焊縫；隔板與底板間的連接焊縫。

圖5 隔板與儲罐本體的連接

2.3.1 隔板與壁板間的連接焊縫

S 形隔板的弧板與罐壁板連接存在夾角，在小角度側(cè)增加焊接豎向鋼板作為支撐（位置如圖6 所示），使壁板、隔板與支撐板之間形成一個三角形結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到提升。支撐板厚度應(yīng)與隔板及壁板材料厚度相近，與壁板、隔板的焊縫使用間斷焊。

圖6 隔板與壁板間的連接

2.3.2 隔板與底板間的連接焊縫

在隔板底部與罐底板連接焊縫兩側(cè)焊接角鋼可以對該位置的焊縫起到一定的加強作用。角鋼厚度的選擇應(yīng)小于隔板厚度，與底板、隔板具體做法如圖7 所示，在作業(yè)過程需注意焊接操作的順序避免底板產(chǎn)生焊接變形。

圖7 隔板與罐底板的連接

2.4 增強隔板兩側(cè)的拉撐結(jié)構(gòu)

將隔板與罐壁板之間的作用力進(jìn)行分散，在隔板兩側(cè)對稱布置拉撐結(jié)構(gòu)與罐壁板連接，也可以對隔板結(jié)構(gòu)整體剛度加強（圖8）。在物料單側(cè)分布的情況下，物料側(cè)拉撐結(jié)構(gòu)跟隨隔板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向拉應(yīng)力，空側(cè)拉撐結(jié)構(gòu)受壓將作用力傳遞至儲罐罐壁，與物料對物料側(cè)罐壁產(chǎn)生的外壓力相平衡，使儲罐整體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

圖8 增強隔板兩側(cè)的拉撐結(jié)構(gòu)

以S 形隔板為例，在S 形隔板中心、兩個圓弧段的豎直加強立柱，與罐壁板之間的空間，在隔板的上部、中部、下部分別焊接拉撐構(gòu)件，其與豎直加強立柱、罐壁板均為滿焊，同時，為了不影響罐壁板的強度，避免壁板變形，在壁板與拉撐件之間加焊墊板。拉撐件通常選擇適當(dāng)截面的槽鋼或無縫鋼管，這樣既起到加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用，又避免了由于構(gòu)件自身重量過大增加罐壁板受力。

針對隔板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的加固措施共有以上四種方案，施工現(xiàn)場可根據(jù)儲罐內(nèi)隔板設(shè)計結(jié)構(gòu)的不同，以及生產(chǎn)運行工況的差異，分析其強度薄弱區(qū)域，因地制宜，與設(shè)計、業(yè)主溝通后，采用適當(dāng)方法進(jìn)行加固。

3 結(jié)論

隨著現(xiàn)代工業(yè)中內(nèi)置隔板型立式金屬儲罐的廣泛應(yīng)用，其使用要求也日趨嚴(yán)格。為了保證正常的運行質(zhì)量和生產(chǎn)安全，對其內(nèi)部隔板穩(wěn)定性的要求日益提高。造成隔板結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的主要原因是結(jié)構(gòu)的整體強度不足。通過工程實例分析認(rèn)為，采取正確的加固措施，可以提高隔板結(jié)構(gòu)的強度，降低儲罐的安全隱患，延長使用壽命，從而為內(nèi)置隔板型立式金屬儲罐安全可靠的運行提供保證。在類似儲罐施工過程中，在圖紙會審階段，可以提出修改意見，征得業(yè)主、設(shè)計同意后實施。