浅析埋地卧式储罐的设计

王　霞（中石化石油工程设计有限公司,山东　东营　257061）

浅析埋地卧式储罐的设计

王霞
（中石化石油工程设计有限公司,山东东营257061）

摘要：结合理论分析和工程经验，重点对储罐的稳定性校核、抗浮验算以及鞍座支反力的计算进行了详细的分析，得出了偏于安全合理的埋地储罐设计方法。

关键词：埋地卧式储罐；稳定性校核；抗浮验算；鞍座支反力

1　引言

在静设备设计中，经常会遇到一些埋地卧式储罐，如加油站、油田计量站等站场用的燃料油罐、污油罐等。与普通的地上罐相比，埋地罐具有节省地上空间、结构简单紧凑、工程造价低、有可靠的防火防爆能力、油品蒸发耗损小等优点[1]，既减少了占地面积，降低了投资，也更安全。随着我国国土资源日益紧张、全民安全环保意识的不断加强，埋地罐的使用将更为广泛。

2　稳定性设计

埋地罐除受介质的内压力作用外，还需承受罐体四周的覆土压力，这个压力会使罐体变形失稳，所以埋地储罐需进行稳定性校核。

2.1许用外压力[P]

首先根据内压强度计算求得有效壁厚δe（空罐工况下，需首先假设有效壁厚δe），再根据外压圆筒和外压椭圆形封头确定其许用外压力[P]。

2.2设计外压PY

埋地储罐的设计外压PY由覆土外压Po决定，而Po是由土的自重应力引起的。

2.2.1建立力学模型

应用连续体力学（例如弹性力学）来研究土中应力的分布时，应注意土中任意截面上都包括有骨架和孔隙的面积在内，所以在计算土中自重应力时只考虑土中某单位面积上的平均应力[2]。

假设天然地面是一个无限大的水平面，在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。设埋地储罐外半径为R，若覆土土质均匀，则在天然地面下任意深度H处（如图1所示），作用于筒体外表面上的竖向混土自重应力σCH为：

式中：γ1—混土的浮容重（KN/m）；

H—混土自重应力计算深度（m）。

在天然地面下任意深度H处，除有作用于水平面上的竖向混土自重应力σCH外，在竖直面上还作用有水平方向的侧向自重应力σCX。由于σCH沿任一水平面均匀的无限分布，故混土在自重下只能产生竖向变形，无侧向变形和剪切变形，从这一条件出发，根据弹性力学理论，作用于圆筒外表面的侧向混土自重应力σCX应与σCH成正比，而剪应力为零，即：

式中：K0—混土的侧压系数，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求解最大静压力

下面分别用宏观分析和微元分析的方法求解覆土对筒体的最大静压力。

（1）宏观分析法。通过力的合成有：

将式（1）、（2）带入式（4）可得：

分析式（5）可得混土对圆筒的最大静压力在X-X截面上，但此点σCH与圆筒外表面相切，不存在混土对圆筒产生的竖向静压力，而只有侧向静压力。根据郎肯土压力计算理论，圆筒最大静压力的作用点位于距离圆心1/3R处，即：

式中：H0—地面距罐体顶部外表面的距离（m）；

（2）微元分析法。如图2所示，在图1中A处取斜边长为d的三角单元体[3]，设该点的法向外压为Pn，则有：

式中：θ—A点与水平面的夹角（°）

对式（8）运用微积分理论，可求得在圆筒体顶点时，其法向外压力Pn最大，即：

根据文献[3]中规定，取该法向压力与安全系数(1.2～1.4)的乘积作为埋地罐受混土重力作用而产生的外压，即：

2.2.3两种最大外压力计算方法的分析比较

针对式（6）和式（10）两种埋地罐最大外压力的计算方法，取定筒体外半径R、混土的浮容重γ1、混土的侧压系数K0，并将式（10）安全系数取为1.4，在同一P0-H0坐标系中绘制最大覆土外压Po随埋深H0的变化曲线，如图3所示。

分析图3中曲线可得：

（1）两种计算方法中，最大覆土外压Po均随储罐埋地深度H0的增大而增大；

3)密钥长度设计为128位，且为一次性密钥，将明文和密钥异或既简单又可靠的加密方式，加解密速度较快，适用于大数据量的加解密。

（2）当时，两种计算方法的最大外压值相等；

（4）由于覆土外压的大小受罐体尺寸、覆土土质以及埋地深度的影响，因此在设计中要根据具体情况，综合考虑安全与经济因素选择合理的外压计算方法。

2.3稳定性校核

由最大覆土外压Po确定埋地储罐的设计外压PY，则储罐筒体和封头的稳定性校核条件均为：

如果[P]≤PY，则应综合考虑经济与安全因素，选择增大罐体壁厚或在罐体上设置一定数量的加强圈。

3　抗浮验算

3.1储罐不被浮起的条件

保证罐体不被地下水浮起的条件为：

式中：Gt—罐体及附件重量（KN）；

Gs—作用在罐体上的土壤重量（KN）；

Vw—储罐埋入地下水部分的体积（m3）；

γ2—水的容重（KN/m3）；

K—安全系数，取1.2～1.5

如图4所示，作用在罐体上的土壤重量为：

式中：H1—储罐中心到地面的距离（m）；

3.2抗浮措施

若Gt+Gs≤Vwγ2K，则储罐将可能被地下水浮起，此时需要采取相应的抗浮措施：

（1）若储罐与基础为双鞍座固定方式，则需首先校核鞍座螺栓在浮力F=Vwγ2K-(Gt+Gs)的作用下是否满足强度要求；

（2）若采用双鞍座固定方式无法满足抗浮的强度要求，可采用增设抗浮筋的方法，将储罐和混凝土基础或锚墩的预埋件焊接或用地脚螺栓连接[4]。

4　鞍座支反力核算

对于埋地罐来说，其与混凝土基础的固定形式一般有两种：双鞍座固定法和锚固，其中最常用的为鞍座连接。埋地罐的鞍座不仅要承受罐体重量、罐内附件及物料重量，还要承受覆土的重量，因此在进行鞍座支反力核算时，必须考虑覆土附加重量的影响。

对用双鞍座与基础固定的埋地卧式储罐，根据材料力学理论，可将其简化为两端固定的简支梁，则每个鞍座承受的压力为：

式中：—罐内物料、罐体及其附件的总重量（KN）。

该支反力计算数值应小于对应鞍座的允许载荷，才能保证鞍座的支撑强度。

参考文献：

[1]梅洪波.埋地储罐的设计[J].宁波化工,2010.

[2]宋吉胜.地埋式油罐的设计[J].石油工程建设,2002.

作者简介：王霞，女，山东临朐人，2011年7月毕业于中国石油大学（华东）化工过程机械专业，主要从事：设计工作。