特殊鋼制儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

韓 旭

(中國天辰工程有限公司,天津 300400)

伴隨我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,化工廠建設(shè)迅猛增長,精細(xì)化工項(xiàng)目的原料罐區(qū)、中間罐區(qū)及成品罐區(qū)等儲存的介質(zhì)多種多樣;依據(jù)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(nèi)壓儲罐;業(yè)主對儲罐的防腐保護(hù)措施也在逐步提高。

針對上述問題,傳統(tǒng)的鋼制儲罐基礎(chǔ)已不適用于滿足項(xiàng)目多種特殊儲罐的要求。探索新的儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案并加以應(yīng)用,至關(guān)重要。

1 工程背景及傳統(tǒng)鋼制儲罐基礎(chǔ)

天津某精細(xì)化工項(xiàng)目中間罐區(qū)是該項(xiàng)目主要裝置之一,涉及各式鋼制儲罐20余個,儲罐均為微內(nèi)壓工作狀態(tài),部分儲罐儲存極度和高度危害介質(zhì),部分儲罐采用陰極保護(hù)。由于建設(shè)場地位于天津南港工業(yè)區(qū),原為淺灘、灘涂區(qū)域,經(jīng)人工吹填成陸,地基承載力較低。因此,全部鋼制儲罐基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁+鋼筋混凝土承臺基礎(chǔ)。

GB 50473—2008鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:鋼制儲罐基礎(chǔ)適用于常壓(包括微內(nèi)壓)立式圓形鋼制儲罐,且不適用于儲存介質(zhì)毒性程度為極度或高度危害的儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)儲罐基礎(chǔ)型式可分為護(hù)坡式基礎(chǔ)、環(huán)墻式基礎(chǔ)、外環(huán)墻式基礎(chǔ)和樁基基礎(chǔ)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(xiàng)目罐區(qū)裝置普遍采用環(huán)墻基礎(chǔ)或樁基基礎(chǔ)兩種形式[1]。

2 特殊鋼制儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

2.1 壓力儲罐基礎(chǔ)

對儲存操作壓力為微內(nèi)壓的儲罐,因?yàn)閮?nèi)壓導(dǎo)致儲罐基礎(chǔ)與儲罐共同工作,在儲罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)、材料和填料上應(yīng)進(jìn)行特殊處理。因此,壓力儲罐基礎(chǔ)底板的內(nèi)力計(jì)算是該類儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題。由于儲罐內(nèi)壓導(dǎo)致儲罐“趨圓效應(yīng)”,即設(shè)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(nèi)壓力指向基礎(chǔ)頂面與螺栓拉力平衡,見圖1。

儲罐基礎(chǔ)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(nèi)壓可以假定為基礎(chǔ)板頂?shù)木己奢d。內(nèi)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(chǔ)底板由于內(nèi)壓導(dǎo)致的受彎計(jì)算(假定內(nèi)壓均由底板承受,不考慮樁基影響),依據(jù)《靜力計(jì)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(nèi)力計(jì)算模型,見圖2,可以方便地求出儲罐內(nèi)壓導(dǎo)致的附加彎矩[2]。

壓力儲罐的地腳螺栓由于考慮風(fēng)荷載、地震等傾覆彎矩及內(nèi)壓共同工作的工況,螺栓規(guī)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(dǎo)致罐基礎(chǔ)承臺較厚造成不必要的浪費(fèi)。

2.2 極度和高度危害介質(zhì)儲罐基礎(chǔ)

依據(jù)HG 20660—2017壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性及爆炸危險(xiǎn)程度分類[3],本項(xiàng)目部分立式儲罐儲存的介質(zhì)為極度或高度危害?！读⑹綀A筒形鋼制焊接儲罐安全技術(shù)規(guī)程》明確指出:本標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計(jì)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(chǎn)品或化工液體介質(zhì)、現(xiàn)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(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范也規(guī)定:普通的罐區(qū)基礎(chǔ)難以及時地實(shí)施滲漏觀察。因此,基礎(chǔ)形式能夠及時可靠地對極度和高度危害介質(zhì)儲罐進(jìn)行滲漏檢測非常重要。

針對上述情況,本技術(shù)采用錐形基礎(chǔ)頂面;基礎(chǔ)頂面設(shè)置導(dǎo)流槽的方式起到及時滲、漏觀察的作用,見圖3。同時應(yīng)滿足GB/T 50934—2013石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范的抗?jié)B相關(guān)規(guī)定[4]。

錐形基礎(chǔ)頂面的坡度較小,滲漏介質(zhì)難以迅速流出基礎(chǔ)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(guī)范要求,對設(shè)備本體產(chǎn)生不利影響,因此錐形基礎(chǔ)頂面的坡度應(yīng)在2%～3.5%。

基礎(chǔ)頂面的導(dǎo)流槽應(yīng)設(shè)置在地腳螺栓定位的間隙中,導(dǎo)流槽端部應(yīng)設(shè)置泄露孔,這樣可避免端部預(yù)埋的泄露管與地腳螺栓碰撞。導(dǎo)流槽應(yīng)按照由設(shè)備中心放射狀布置,導(dǎo)流槽間距在圓周外邊緣處較大,而在基礎(chǔ)中心處較小。導(dǎo)流槽長短間隙設(shè)置盡可能地保證覆蓋大部分罐底板范圍,又不會導(dǎo)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(dǎo)流槽能夠發(fā)揮及時,可靠地進(jìn)行滲、漏觀察的作用,導(dǎo)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(dǎo)流槽內(nèi)應(yīng)填充細(xì)石,在保證介質(zhì)流動的情況下防止槽內(nèi)存在空隙而對鋼儲罐底板造成的不利受力影響。槽頂應(yīng)用鋼絲網(wǎng)鋪蓋,防止頂部瀝青砂鋪設(shè)時夾帶槽內(nèi)填充的細(xì)石,見圖4。

為了防止潮氣、基礎(chǔ)頂面及導(dǎo)流槽內(nèi)的填料中有害化學(xué)物質(zhì)及雜散電流等對罐底板的腐蝕,便于罐底板的鋪設(shè)和安裝,保持罐基頂?shù)男螤詈突A(chǔ)錐面坡度和平整度,在儲罐基礎(chǔ)頂面設(shè)置瀝青砂絕緣層。瀝青砂絕緣層設(shè)置為100 mm厚,位于導(dǎo)流槽頂部?；A(chǔ)邊緣預(yù)埋地腳螺栓及儲罐壁支撐處為環(huán)形混凝土突出部分。基礎(chǔ)頂面導(dǎo)流槽對接突出混凝土中預(yù)埋的泄露管,使得泄漏介質(zhì)及時流出基礎(chǔ)外,便于安全人員檢查,及時采取對策,見圖5。

2.3 陰極保護(hù)儲罐基礎(chǔ)

儲罐基礎(chǔ)頂面一般會設(shè)置瀝青絕緣砂層,隨著時間的增長,瀝青砂會逐漸老化,基礎(chǔ)墊層也會出現(xiàn)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(zhì)量也隨著內(nèi)部液體的高度受到影響,時間長了就會發(fā)生變形。兩方面的因素如果同時產(chǎn)生,儲罐的使用壽命就會大大縮短,甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)。因此,現(xiàn)在越來越多的業(yè)主都非常重視儲罐的陰極保護(hù)。

陰極保護(hù)技術(shù)就是向被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)通以足夠的直流電流(陰極電流),對其進(jìn)行陰極極化,減少或消除造成金屬結(jié)構(gòu)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(jìn)而達(dá)到阻止金屬腐蝕的目的。陰極保護(hù)分為犧牲陽極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)兩種。前者是依靠電位較負(fù)金屬的溶解來提供保護(hù)所需的電流,在保護(hù)過程中,這種電位較負(fù)的金屬為陽極,逐漸溶解犧牲掉,所以稱為犧牲陽極保護(hù),實(shí)質(zhì)上它們構(gòu)成了電偶腐蝕電池;而后者則依靠外部的電源來提供保護(hù)所需的電流,這時被保護(hù)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(hù)法不需要外部電源,維護(hù)簡單,保護(hù)電流調(diào)整比較困難,受土壤電阻率限制,有效保護(hù)范圍小,一般用于小型儲罐。外加電流陰極保護(hù)法需要外部電源,輸出電流可調(diào),有效保護(hù)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(xiàng)目業(yè)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(hù)的做法。

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

3 儲罐基礎(chǔ)其他設(shè)計(jì)問題

1)儲罐基礎(chǔ)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行大體積混凝土施工規(guī)范,樁基承臺基礎(chǔ)無須遵循環(huán)墻基礎(chǔ)弧長超長設(shè)置后澆帶的做法,但宜增大周圈水平環(huán)向鋼筋,應(yīng)對環(huán)向混凝土收縮裂縫。

2)儲罐基礎(chǔ)根據(jù)防滲要求,尤其是極度或高度危害介質(zhì)儲罐的要求,基礎(chǔ)頂面需要找坡處理,則基礎(chǔ)頂面鋼筋應(yīng)隨混凝土坡度,保證保護(hù)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(yīng)滿足《樁基規(guī)范》及《抗震規(guī)范》相關(guān)要求,保證承臺周邊土層的換填范圍、壓實(shí)系數(shù)及承載力等相關(guān)要求。

4)當(dāng)儲罐內(nèi)介質(zhì)溫度高于90 ℃,罐底接觸的基礎(chǔ)表面應(yīng)采取隔熱措施,一般可以將瀝青砂替換成耐熱瀝青磚。如現(xiàn)場環(huán)保要求不允許現(xiàn)場熱熔融瀝青,也可采用環(huán)氧瀝青裹磚,但價(jià)格相對偏高,且施工難度加大。

5)儲罐等長周期安裝設(shè)備,基礎(chǔ)施工后在基礎(chǔ)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(yù)留螺栓孔。