危化品储罐覆土稳定性研究进展_马韵升.pdf
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1、2023,Vol.37,No.1化工 HSE 专栏收稿日期:20220516基金项目:国家自然科学基金资助项目(51890914、52179119);山东省自然科学基金资助项目(ZR2019MEEO01)作者简介:马韵升(1962),男,硕士,研究员,主要从事石油化学化工研究,E-mail:qingsong.zhao ;通信作者:张玉(1985),男,博士,副教授,主要从事能源岩土力学与工程研究方面的工作,E-mail:zhangyu doi:10 16597/j cnki issn 1002154x 2023 01 012危化品储罐覆土稳定性研究进展马韵升2 卿峰豪1 赵立秋2 张 玉1 马
2、英鹏2 赵青松2(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东 青岛 266580;2.山东京博控股集团有限公司,山东 滨州 256599)摘 要 覆土储罐作为重要的能源储存设施,因其蒸发损耗小、抵御外界风险因素强、防火距离相对小、能够降低罐区隐患、减少占地面积、具有一定的隐蔽伪装性能等特点,应用潜力较大。储罐覆土稳定性是保证储罐本质安全的关键,但相关研究鲜有报道。作者基于覆土土质的选取标准,归纳总结了储罐覆土荷载计算方法,分析了覆土地基和边坡的稳定性研究手段。由此探讨了爆炸对覆土稳定性和储罐安全性的影响。结果表明:覆土土质宜选取级配良好的砂和含细粒土砂,且需满足边坡稳定性和低腐蚀性要求;
3、荷载计算应基于 EEMUA 190 国际标准,且应考虑切向力、覆土坡体和坡度的影响。作者可为突破危化品覆土储罐本质安全技术瓶颈提供依据。关键词 储罐覆土 覆土土质 覆土荷载 覆土地基 覆土边坡中图分类号:TE821 文献标志码:AResearch Progress on Mound Stability of HazardousChemicals Storage TanksMa Yunsheng2 Qing Fenghao1 Zhao Liqiu2 Zhang Yu1Ma Yingpeng2 Zhao Qingsong2(1.College of Pipeline and Civil Engin
4、eering,China University of Petroleum(East China),Shandong Qingdao 266580;2.Chambroad Holding Group,Shandong Binzhou 256599)Abstract As an important energy storage facility,mounded storage tanks are widely used because of their lowevaporation loss,strong resistance to external risk factors,relatively
5、 small fire prevention distance,reduction ofhidden dangers in tank farm,reduction of floor area,certain concealment and camouflage performance and so on.Thestability of mound is the key to ensure the intrinsic safety of tank,but there are few reports on relevant research.Based on the selection stand
6、ard of mound quality,this paper summarizes the calculation method of mound load ofstorage tank and analyzes the stability research means of mound foundation and slope;the influence of explosion onthe stability of mound and the safety of storage tank is discussed.The results show that sand with good
7、gradation andsand containing fine-grained soil should be selected as the mound,and the requirements of slope stability and lowcorrosivity should be met;The load calculation shall be based on EEMUA 190 international standard,and theinfluence of shear,mound slope and slope angle shall be considered;th
8、e relevant research results can provide animportant basis for breaking through the technical bottleneck of intrinsic safety of mound storage tanks of hazardouschemicals.05第 37 卷第 1 期Vol 37,No 1化工时刊Chemical Industry Times2023 年 2 月Feb.2023 马韵升 等.危化品储罐覆土稳定性研究进展2023,Vol.37,No.1Keywords mound of storage
9、 tank mound quality mound load mound foundation mound slope 储罐具有安全性能高、稳定性强等特点,故常用来储存石油化工危化品行业具有易燃易爆性质的原料。随着国民经济建设的快速发展,建成了一批大型液态危险化学品罐区。由于液态危险化学品(尤其以液化气体为代表)具有明显的热敏感特性,且能量密集,一旦其储存设备破裂极易引发罐区的连环爆炸事故(典型事故见表 1)。因此危化品储罐本质安全是保障能源与化工领域公共安全的重点。储罐覆土技术是基于新时代化工行业绿色环保、节能减碳理念提出的一种新型危化品设施的防护方法。该技术利用土体将罐体进行全覆盖,罐周形
10、成覆土保护层,可有效降低事故产生的冲击波、辐射等对罐体造成的灾害,避免罐内沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(BLEVE),且可实现恒温,控制罐体不受外部环境变化影响,降低储存介质蒸发损耗,同时防止地下水对罐体的腐蚀,故可以替代球罐,成为控制储罐安全性的重要措施。表 1 典型液化气体储罐爆裂事故Tab.1 Explosion accident of typical liquefiedgas storage tank发生地点时间事故详情事故后果圣托马斯一工厂1995 年焊工意外点燃储罐,产生爆炸多名工人受伤,屋顶和上部泥土被破坏印度斯坦公司1997 年地震和火灾引起液态石油气油库发生爆炸56 人死亡和多个储罐
11、的损失日本科斯莫公司2011 年地震后,公司损失17个液化石油气储罐发生 5 次 BLEVE,形成巨大火球布里斯托尔一工厂2012 年储罐被雷击,丙烯酸乙酯溢出将 近 500 人 死 亡,4 000 多人受伤石大科技化公司2015 年1 000 m3液化烃球罐进行倒罐作业发生泄漏直接经济损失 2 812万元上海赛科石油公司2018 年工人对苯罐进行检维修作业发生闪爆事故造成 6 人死亡,直接经济损失 1 166 万元 欧美发达国家(如德国、法国)、日本、中国台湾地区等已规模化推广覆土储罐来存储石油、石化、化工等行业的易燃易爆、有毒的危险品或者危化品,这些储罐多为地下覆土储罐。德国于 1959
12、年首次建造了200 m3覆土式储罐(mounded storage tank),且具有良好的安全性,由此提出了采用覆土式储罐逐步代替大型球罐的建议1;中国台湾地区20 世纪80 年代末引进德国技术,目前已建造 110 余座覆土式储罐。近年来,南非、印度等国家相继开发了地上覆土储罐用于液化石油气(LPG)等危险品的储存,建造的覆土储罐多为地上堤坝式覆土储罐。2020 年马来西亚完成了 4 台3 689 m3LPG 子弹罐项目。我国危化品储罐覆土技术尚处于起步阶段,石油库设计规范2(GB 500742014)将覆土储罐分为埋地卧式储罐、覆土立式油罐、覆土卧式油罐、覆土油罐 4 种形式。目前覆土储罐
13、需要建设罐室、拦油封围等配套设施,形式为半地下、地下埋土,极少为地上直接覆土,且多建设在山区,致使覆土储罐的选址困难,建设周期长,难度大,造价高,存在对土壤和地下水构成泄漏污染的风险,难以在非军工领域进行推广应用。京博控股集团有限公司 2019 年提出将传统地下、半地下、山体带罐室的储罐改为直接采用地上土掩埋,取消传统配套罐室、通道等相关设施,同时对库区配套工业基础设施进行覆土研究,保证库区整体安全,率先对覆土式液化烃储罐成套技术进行了推广应用。目前已建设完成 16 个 50 m3的储罐危化品卧式储罐罐区覆土研究模型,正在建设长 76.38 m、直径 7.6 m 丙烯覆土罐(子弹罐)8 台和催
14、化稳定汽油覆土罐 2 台,长31 m、宽19 m、建筑面积614 m2液体装卸及化学品库机柜间 1 套(图 1)。建成后的卧式覆土储罐保温效果提高 80%,可恒温储存甲类溶剂,减少溶剂挥发50%以上,且投资仅为传统罐室的 60%80%。图 1 丙烯覆土罐 8 台和催化稳定汽油覆土罐 2 台:现场施工照片(A)、设计图纸(B)Fig.1 8 propylene mounded storage tanks and 2 catalyticstabilized gasoline mounded storage tanks:photo ofsite construction(A),design draw
15、ings(B)152023,Vol.37,No.1化工 HSE 专栏上述常压储罐直接覆土掩埋技术国内外暂无类似报道。国内目前覆土储罐使用形式多元化且并无统一标准,规范也多只针对存储介质为油品的有罐室储罐,储罐覆土技术相关标准和研究鲜有成果。为提高危化品覆土储罐本质安全,亟需开展储罐覆土稳定性研究。作者基于覆土土质的选取标准,归纳总结了储罐覆土荷载计算方法,分析了覆土地基和边坡的稳定性研究手段,探讨了爆炸对覆土稳定性和储罐安全性的影响。1 储罐覆土土质选择覆土土质的选取是实施储罐覆土技术的关键,但国内类似工程参考较少。英国 2005 年提出了环境温度下液化石油气压力储罐覆土的设计、建造和使用指南
16、(EEMUA 1903国际指南)。该指南明确了储罐覆土土质的选择,并提出了相关测试要求。指南要求储罐覆土填土和基础均应采用砂。相对于黏质土,砂质土对罐壁最大应力最小,可减轻覆土对罐体的压力,是较好的覆土土质选择4,但海砂和其他具有腐蚀性的砂均不适用。且覆土砂应该满足以下条件:(1)沙粒清洁,最大含泥量(小于 0 063 mm 的颗粒)不得超过 10%;(2)最大有机物含量不得超过 3%;(3)最大硫酸盐含量和最大氯化物含量均不超过 0 02%;(4)最大粒径不超过2 mm,粒度分布均匀系数(D60/D10)应介于 4 和 10 之间。相关测试要求包括视觉判别、干湿测试、含水率测试、粒径分析、阿
17、太堡极限测试、固结试验等,主要用于得到土质物理性质以及强度、刚度等力学指标。结合我国土质分类标准,储罐覆土宜选取级配良好的砂和含细粒土砂5。考虑到储罐覆土经济性,针对黏土和粉土等可就地取材,但需满足边坡稳定性和低腐蚀性的要求。此外,部分特殊土达不到储罐覆土的要求,不能直接用于覆土,需进行一定的土质改良。新疆荒漠土因含盐量高,在潮湿状态下具有强腐蚀性,沪宁黏土因其有机质、亚铁及硫化物含量较高且具有强腐蚀性,均不适用于储罐覆土6。膨胀土具有湿胀干缩特性,导致土体抗剪强度降低,覆土边坡极易失稳。红黏土含水率较高,遇水强度显著降低,且变形较大,防水措施尤为重要。软土具有高含水率、高压缩性、高孔隙比、低
18、强度等特征,力学特性较差,且非均质性显著,覆土腐蚀性和边坡稳定性需重点关注。冻土冻胀和融沉作用显著,易引起基础不均匀沉降和边坡失稳,亦无法满足储罐覆土要求。京博控股集团有限公司建设的丙烯覆土罐的覆土土质以粉质黏土和粉砂为主;基于击实试验,得到干密度和含水率的关系,覆土土质的最大干密度为 1 81 gcm-3,最优含水率为 15.1%(图 2)。不同压实系数下土质密度、孔隙比、内摩擦角、黏聚力等如图 3、图 4 所示。压实系数增加,土质密度显著增加,孔隙比降低。抗剪强度和黏聚力随着压缩系数增加而增大,内摩擦角变化不显著。图 2 干密度与含水率关系曲线Fig.2 Relation curve be
19、tween dry density andwater content图 3 不同压实系数下直剪试验Fig.3 Direct shear test under differentcompaction coefficients25马韵升 等.危化品储罐覆土稳定性研究进展2023,Vol.37,No.1图 4 孔隙比、密度与压实系数关系曲线Fig.4 Relation curve between void ratio,density and compaction coefficient2 储罐覆土荷载计算国外储罐覆土设计常基于 EEMUA 190 国际指南。储罐覆土荷载计算时,将罐体上部覆土总重量转
20、换成罐壁径向力,且储罐顶部应力最大,两端最小,呈椭圆形分布(图 5)。Yogesh7采用该方法设计了 1 697 MPa 压力下 851.5 m3容量的 LPG 子弹罐。杨国强等8模拟得到了覆土储罐应力集中部位,指出在设计工况、地震工况及耐压试验工况下,储罐应力分布主要集中在靠近气室和人孔大开孔区域内不连续位置,覆土工况下储罐结构的应力主要集中在加强圈的中部。吴皓9采用 ANSYS 有限元软件和岩土力学方法,得出不同填埋高度下储罐表面压力分布规律不同,当深度足够大时,储罐周压力趋于均匀。储罐覆土荷载计算可参阅埋地管道上覆土体荷载计算方法,包括土柱法、散体极限平衡法、土压力集中系数法、卸荷拱法等
21、。大量学者对荷载计算方法进行了研究。Ji 等10基于考虑土拱效应的马斯顿理论,采用散体极限平衡法计算了深埋管道的垂直压力,认为对于埋深小于 5 m 的浅层,采用太沙基拱模型估算垂直压力更为准确。而 Zhang 等11认为浅埋深管道压力计算时不应考虑拱效应。燕勇鹏等12、刘全林等13认为埋深小于 3 m 时,散体极限平衡法竖向土压力计算结果与实测有一定的差距,覆土荷载计算采用土柱法较为合理。鉴于现有储罐覆土厚度均小于 3 m,故土柱法对于罐覆土荷载计算较为适用。土柱法视罐顶上方土柱重量为土压力,并假定罐顶土压力与填土高度呈线性关系,该方法与指南 EEMUA 190 方法类似。Zhang 等14基
22、于土柱法,研究了埋地管道在覆土荷载下的力学性能,覆土荷载较小时,管道顶部的应力最大,且呈椭圆形分布;随着覆土荷载增加,最大应力增大,高应力范围亦增大。但现有成果仅考虑了覆土荷载对罐体径向应力的影响。切应力对罐体安全性亦存在较大的影响,忽略切向力的作用将导致垂直荷载降低,水平荷载增高15。故覆土荷载计算应考虑储罐和覆土界面径向力和切向力的共同作用。李玉坤等16将储罐上部覆土荷载转换为罐壁上的径向力和切向力,得到圆筒径向力和切向力。图 5 上部覆土对罐体产生的径向力示意图:柱体上部覆土对罐体总重量(A)、总重量引起的径向力(B)(H 为罐体中线到地面的距离,m;R 为罐体半径,m;q0为=0 时的
23、最大压力,kNm-2;q为对应角度的径向力,kNm-2)Fig.5 Schematic diagram of shear generated by mound ontank:Total weight of tank body by covering soil on theupper part of column(A),Radial force caused bytotal weight(B)当储罐处于覆土两端时,还需考虑覆土坡体对储352023,Vol.37,No.1化工 HSE 专栏罐安全性的影响。考虑边坡和覆土荷载共同作用下,储罐应力明显高于仅考虑覆土荷载影响的情况17,且随着覆土坡体坡脚
24、的变化,罐体最大/最小弯矩的位置不再处于顶部18(图 6)。但现有储罐覆土荷载计算多基于 EEMUA 190 国际指南和土柱法,未考虑储罐两端受覆土坡体和坡度的影响,导致两端储罐荷载计算存在一定的误差。图 6 覆土荷载计算示意图Fig.6 Calculation diagram of mound load3 储罐覆土基础储罐覆土基础主要包括砂床基础和鞍座基础。EEMUA 190 指出储罐覆土基础应主要为砂床基础,在 60 120的支撑角度下较为有利,且压实度应高于 95%。储罐覆土后,砂床基础反力呈现 2 种不同的状态:“中间软”依靠两端砂土支撑,“中间硬”依靠中间砂土支撑(图 7)。夏巍等1
25、9对覆土储罐沙床结构、分段组装方法和施工方法开展了系统研究,提出了分层压实技术,单层最大厚度为 0.3 m。杨国强等8模拟研究发现两种沙床基础均会对储罐结构产生剪切作用,导致覆土对罐体产生弯矩。姜珊等20对覆土储罐模拟得到热膨胀和地震作用下,覆 土 储 罐 沉 降 较 为 显 著。Mishael 等21和Kumar 等22发现地震、耐压和运行工况下,“中间软”砂床基础的储罐半球形头部最大等效应力位于与圆柱壳的连接区域,而“中间硬”砂床基础的最大等效应力位于圆柱中间,并且“中间软”砂床基础模式较危险,故项目建设过程中,从中间到末端开展建设更为安全。鞍座基础是否适用于覆土储罐存在一定的争议。EEM
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