甲醇儲罐錨固設計研究

馬廷祿

摘 要：文章通過對甲醇儲罐錨固的計算，錨固型式的對比選擇，最終選擇了合適的錨固型式。文章對計算和選型進行了總結與思考，分析了儲罐發(fā)生傾覆的主要原因及設置錨固的主要原因。

關鍵詞：大型儲罐;錨固;設計

中圖分類號：TU375文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）07-026-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.013

SH 3046-1992附錄三中提到“內(nèi)壓力產(chǎn)生的升力大于罐頂、罐壁，以及由他們支撐的構件的重力時，儲罐應設置錨栓”[1]。GB 50341-2003附錄A中提到“當內(nèi)壓產(chǎn)生的升力大于罐頂、罐壁及其所支撐的構件的總重時，油罐應加錨固”[2]。GB 50341-2014不但考慮了儲罐內(nèi)壓產(chǎn)生的提升力，還把風載荷、地震載荷、破壞壓力對儲罐的傾覆力矩計入。

1 甲醇儲罐的設計數(shù)據(jù)

某項目需要增加一臺甲醇儲罐，經(jīng)計算已確定罐壁、罐底、罐頂?shù)暮穸燃敖Y構。甲醇儲罐的工藝及部分設備設計數(shù)據(jù)如表1所示。

2 計算錨固

設置錨固的目的主要是保護底圈罐壁板與罐底連接處的焊縫。設置錨固后，罐壁傳遞的舉升力通過筋板傳遞到錨栓，從而使罐壁與罐底的焊縫免受拉力。

2.1 內(nèi)壓力產(chǎn)生的舉升力

內(nèi)壓力按設計最高壓力取2 000Pa，受力面積約為165m2，產(chǎn)生的舉升力為330 000N。罐壁、罐頂及其所支撐構件的重量約為67 475kg，其產(chǎn)生的重力為674 750N。設計內(nèi)壓產(chǎn)生的舉升力不大于罐壁、罐頂及其所支撐構件的總重，可不設置錨固。

2.2 風彎矩產(chǎn)生的舉升力

當R=1.2D時，

式（1）、式（2）中，A為罐頂?shù)挠L面積，H0為儲罐的重心高度，D為儲罐直徑，H為罐壁總高。

風載荷產(chǎn)生的風彎矩為：

式（3）中，Mw為風彎矩，q0為基本風壓，A1為罐體和罐頂?shù)挠L面積。通過式（1）、式（2）、式（3）得出風彎矩為Mw，為993 431N.m。風彎矩使迎風側(cè)罐底脫離地面為傾覆力矩Mw，而儲罐自身重力產(chǎn)生相反的力矩為反傾覆力矩M0，如圖1所示。f點為力矩平衡點，計算M0為1 183 200N.m。M0>Mw，即使在空罐情況下，風載也不會使儲罐傾覆。

這里還應考慮風載荷對大罐產(chǎn)生的滑移[3]。儲罐底板與基礎之間摩擦力大于風載荷，儲罐就不會在風載荷作用下產(chǎn)生滑移。底板與基礎之間的摩擦力按式（4）計算。

式中，μ為摩擦系數(shù)，取0.4;m為儲罐空重;g為重力加速度。計算得出底板與基礎之間的摩擦力為326 400N，風載荷可通過式（3）得出為165 571N。因F>Fw，所以空罐在風載荷作用下也不會發(fā)生滑移，可不設置錨固。

2.3 地震彎矩產(chǎn)生的舉升力

地震彎矩的計算應根據(jù)GB 50341-2014附錄D，經(jīng)計算得出地震彎矩M1為12 604 684N.m。計算重力產(chǎn)生反傾覆力矩時應考慮儲液的重量，反傾覆力矩M0為11 916 100N.m。此時，雖然地震彎矩大于儲罐及儲液的反傾覆力矩，但錨固系數(shù)J=1.216<1.54，可不設置錨栓。

2.4 破壞力產(chǎn)生的舉升力

根據(jù)GB 50341-2014附錄D計算儲罐的破壞力Pf為10 780Pa。破壞力對罐頂產(chǎn)生的力為1 778 700N，遠大于罐頂和罐壁及其附件產(chǎn)生的重力674 750N，應設置錨栓。GB 50341-2014表11.2.3中標明，罐頂板與罐壁采用弱頂連接結構時的破壞力載荷為：（3×Pf-0.08th）×D?×785-W3。其中，th為罐頂板名義厚度，W3為罐壁及其附件的重量。由公式可以看出，此載荷比破壞力還要大，在此載荷下弱頂結構的罐頂會整體脫離罐壁，這正是弱頂結構的用處。甲醇發(fā)生爆炸時，弱頂連接的罐頂容易與罐壁脫落，罐壁以下則保持完好，這樣可避免物料發(fā)生泄漏而造成更大的火災[4]。甲醇儲罐需設置為弱頂結構時，需要設置錨固。

3 甲醇儲罐錨固結構的選擇

對于儲罐錨固結構的具體尺寸，可參照塔器地腳螺栓結構尺寸進行設計，然后對蓋板、筋板、螺栓直徑進行校核計算。大型儲罐錨固型式大體分為：（1）無蓋板無筋板;（2）無蓋板有筋板;（3）有蓋板、有筋板，如圖2所示。有時，筋板與罐壁的連接處設置補強板，防止筋板與罐壁的焊縫發(fā)生破壞時損傷罐壁。蓋板對罐壁產(chǎn)生較大的局部應力時，墊板還能對此處進行加強，帶墊板的結構見圖2中的第（4）。當局部應力較大時，也可以設置加強環(huán)，具體結構見圖2中的第（5）。錨固設置加強環(huán)和整體蓋板結構較少，因為影響底部接管和其他附件的設置。經(jīng)計算，甲醇儲罐的錨固結構選用圖2中第（4）的結構。

4 對于錨固設置的思考

筆者通過對甲醇儲罐錨固結構進行設計，對儲罐錨固設計有以下幾點思考：

當設計壓力較低時，比如甲醇儲罐為2 000Pa，產(chǎn)生的舉升力較低，可不設置錨固。當內(nèi)壓較大時，比如微內(nèi)壓油罐的設計壓力可以是18kPa，此時產(chǎn)生的舉升力較大，即破壞力很大。大型儲罐的設計壓力不應設置得太高，應設置呼吸閥或通氣裝置，使儲罐內(nèi)壓保持較低狀態(tài)。

風壓對錨固設置的影響較小，一般情況下儲罐本身的重量就可以抵御風壓的舉升力和滑移力。如果加上儲液的質(zhì)量，風壓對其的影響更小。

地震對錨固的影響主要是，地震使儲液晃動而產(chǎn)生的載荷使儲罐發(fā)生傾覆。儲液的高度和儲罐的直徑，對其載荷影響較大。

采用弱頂結構的儲罐在發(fā)生破壞時，破壞力比罐頂、罐壁及其附件的重量大很多。為了儲罐安全考慮，采用弱頂結構的儲罐應設置錨固結構[5]。

5 結語

文章通過甲醇儲罐錨固的設計，引起對大型儲罐錨固設計的思考。對于錨固設計，還有很多細節(jié)內(nèi)容有待廣大讀者共同研究，以便發(fā)現(xiàn)更為簡單、實用的計算方法或錨固型式。

參考文獻

[1] SH 3046-1992，石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規(guī)范[S].北京：中國石油化工總公司勘察院出版車間，1992.

[2] GB 50341-2014，立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[3] 徐英，楊一凡，朱萍，等.球罐和大型儲罐[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[4] 丁宇奇，劉巨保，劉健壯，等.立式拱頂儲罐抗壓環(huán)結構與弱頂性能分析[J].石油化工設備，2012，41（5）：24-28.

[5] 朱萍，石建明.大型立式圓筒形儲罐設計中幾個問題的探討[J].化工裝備技術，2006（4）：19-24.