關于加強立式金屬儲罐內部隔板穩(wěn)定性的研究

高國棟

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

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

由于現有各類儲罐設計標準中對這種內置隔板強度的計算并無明確計算準則，多采用經驗類比方法進行設計，通過有限元等模擬分析軟件進行驗證。在實際的生產運行過程中會發(fā)生隔板失穩(wěn)的狀況，影響正常生產運行，造成安全隱患。這種立式儲罐內部隔板失穩(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)狀況的形成原因進行詳細探究，并對其結構的加強措施予以闡述。

1 立式儲罐內部隔板失穩(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，內部中心位置設S 形隔板，隔板高度為12m，設計最高液位11.5m。在運行過程中，內部隔板發(fā)生變形，局部傾倒，并連帶造成罐壁板部分變形，裝置緊急進行停車。經對當時儲罐運行工況進行調查分析，在事故發(fā)生時隔板一側無液位，另一側液位約為6m。儲罐經修復，并加固處理后繼續(xù)投入使用。詳見圖1。

圖1 儲罐內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，就是由于單側液位過高，另一側無液體平衡。根據儲罐當時的運行工況，對中間進行受力分析（圖2），區(qū)域1 內液位較高，內部液體對隔板產生指向區(qū)域2 側的壓力，致使隔板內凹弧形區(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，使其向外產生徑向位移。且通過實際觀測，區(qū)域2 內的隔板支撐桿件A 設置為槽鋼，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)生彎折現象。

圖2 儲罐受力分析示意圖

這種隔板變形現象反映出該儲罐設計對內部隔板單側受力工況的考慮不足，隔板結構剛度不足，隔板拉桿部件設置較少且材料選型偏小。要保證其穩(wěn)定性，必須提高結構的整體剛度，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A、B 區(qū)域之間隔板與底板角焊縫有約20cm 長的開裂現象，該位置下方底板伴有輕微內凹變形（圖3）。經過分析認為，由于長期運行使儲罐下方基礎發(fā)生不均勻沉降，A、B 區(qū)域底板與基礎之間出現空隙，從而使該區(qū)域底板隨著液位的變化出現應力的頻繁變化而引起變形。該儲罐選型為不銹鋼材質，隔板厚度為6mm，與罐底板直接通過角焊縫進行焊接，在受到拉應力較大的情況下出現焊縫拉裂。此案例隔板結構的強度并非其結構失穩(wěn)的主要原因，但也凸顯出了其受力較大的薄弱位置。在對儲罐基礎局部進行噴射注漿修復的同時，也對隔板與底板之間的連接結構進行了加強。

圖3 某氨水儲罐的隔板與罐體焊縫開裂

2 內部隔板加強措施

結合現場實例對內置隔板型立式金屬儲罐內部隔板失穩(wěn)狀況的分析可知，隔板結構自身的整體強度是保證其穩(wěn)定性的重要原因之一，加強隔板自身結構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，結合國內專家對儲罐內隔板載荷有限元分析的成果，以及現場修復加固實例的經驗推廣，對隔板結構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，以及增強隔板兩側的拉撐結構四種措施。

2.1 優(yōu)化隔板形式

在現有內置隔板設計中通常采用直隔板、圓弧形隔板和S 形隔板三種形式。其中直隔板結構簡單，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構的剛度，同時改善了作用于隔板的應力，減小了應力作用下產生的位移；S 形隔板是由多個圓弧形設計疊加組合而成，受力情況更優(yōu)于前兩種形式，且其圓弧數量越多，在相同應力作用下的位移量越小。綜合考慮材料用量、加工難度，以及制作過程的質量控制，多S 形隔板不利于加工制造。詳見圖4。

圖4 內置隔板傳統設計形式和優(yōu)化后的單S 形隔板

綜合各方面因素，采用經過優(yōu)化加強后的單S 形隔板，在隔板的中心及弧板上設置加強立柱，也可滿足其受力特征，保證運行安全。立柱的數量應根據隔板的長度確定，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。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行加強，如圖1 的隔板事故最先發(fā)生變形的是S 形內凹圓弧段的位置。在液體靜壓力的作用下，該段圓弧隔板被迫向外撐圓產生較大位移，帶動整個隔板發(fā)生側傾。加強筋的做法，可以提高所在部位的抗彎曲變形的能力，從而增加結構的穩(wěn)定性。

根據流體力學知識，流體靜壓力在其自身重力的作用下，對隔板產生的載荷隨物料液位深度的增加而呈現梯度增大的趨勢。隔板在單側存放物料的情況下，下部受力要大于上部，在進行橫向加強筋的布置時自上而下應逐步縮小其間距。橫向加強筋的尺寸應與豎向立柱的徑向高度相近，材料的選擇可以使用同材質的鋼板、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，所以結合儲罐自身重量考慮，使用角鋼進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行卷弧加工，根據隔板豎直加強立柱間的弧長進行下料，在隔板兩側同一高度位置與隔板采取間斷焊的方式進行焊接。橫向拉筋與豎直立柱間必須進行滿焊，使兩者結合成一個穩(wěn)定的框架結構。

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構保持直立，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腐蝕，會增加焊縫裂紋風險，導致兩側液體滲漏，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險，延長設備的使用壽命。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構，使其結構的穩(wěn)定性得到提升。支撐板厚度應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生焊接變形。

圖7 隔板與罐底板的連接

2.4 增強隔板兩側的拉撐結構

將隔板與罐壁板之間的作用力進行分散，在隔板兩側對稱布置拉撐結構與罐壁板連接，也可以對隔板結構整體剛度加強（圖8）。在物料單側分布的情況下，物料側拉撐結構跟隨隔板結構產生側向拉應力，空側拉撐結構受壓將作用力傳遞至儲罐罐壁，與物料對物料側罐壁產生的外壓力相平衡，使儲罐整體結構保持穩(wěn)定。

圖8 增強隔板兩側的拉撐結構

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截面的槽鋼或無縫鋼管，這樣既起到加強結構穩(wěn)定的作用，又避免了由于構件自身重量過大增加罐壁板受力。

針對隔板結構穩(wěn)定性的加固措施共有以上四種方案，施工現場可根據儲罐內隔板設計結構的不同，以及生產運行工況的差異，分析其強度薄弱區(qū)域，因地制宜，與設計、業(yè)主溝通后，采用適當方法進行加固。

3 結論

隨著現代工業(yè)中內置隔板型立式金屬儲罐的廣泛應用，其使用要求也日趨嚴格。為了保證正常的運行質量和生產安全，對其內部隔板穩(wěn)定性的要求日益提高。造成隔板結構失去穩(wěn)定性的主要原因是結構的整體強度不足。通過工程實例分析認為，采取正確的加固措施，可以提高隔板結構的強度，降低儲罐的安全隱患，延長使用壽命，從而為內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、設計同意后實施。