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        10000m3氣柜基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)用

        2014-05-10 08:00:42吳嶠
        天津化工 2014年3期
        關(guān)鍵詞:鐘罩氣柜濕式

        吳嶠

        (新地能源工程技術(shù)有限公司石家莊能源化工技術(shù)分公司天津設(shè)計(jì)部,天津 300022)

        在化工行業(yè)建設(shè)中,大中型儲(chǔ)氣柜較多,氣柜基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工是一個(gè)重要環(huán)節(jié),尤其是在一些地形復(fù)雜的情況下,氣柜基礎(chǔ)的處理更重要[1]。儲(chǔ)存氣體的大型氣柜有高壓,低壓,濕式和干式等類型,根據(jù)儲(chǔ)量不同,小的選用濕式和低壓型,大的選用干式和高壓型[2]。常用以保證煤氣的正常生產(chǎn)和連續(xù)供應(yīng),具有混合氣體和平衡壓力的功能,是煤氣輸送工程中的重要設(shè)備。

        儲(chǔ)存低壓氣體的容器,用于緩解供氣量和使用氣量間的不平衡,有濕式和干式之分,螺旋儲(chǔ)氣柜是一種使用較廣的濕式儲(chǔ)氣柜,他由水槽,鐘罩,塔節(jié),水封,導(dǎo)軌,平臺(tái),頂架,頂板,和氣體進(jìn)出管線等組成。按柜內(nèi)氣量的多少,壁板上的導(dǎo)軌和按在平臺(tái)上的導(dǎo)輪間作相對運(yùn)動(dòng),使塔節(jié)旋轉(zhuǎn)著上升或下降,在一定范圍內(nèi)改變氣柜的儲(chǔ)氣容積[2]。因此氣柜的基礎(chǔ)是否滿足地基承載力的要求,沉降是否滿足變形要求對氣柜的正常工作至關(guān)重要。

        這里通過工程實(shí)例(某能源煤層氣有限公司投資的瓦斯氣集輸工程的氣柜基礎(chǔ))介紹山區(qū)地形下氣柜環(huán)墻基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。

        1 工程概況

        本項(xiàng)目是瓦斯氣集輸工程,氣柜直徑為26.4m,高32.7m的容積為10000m3的濕式氣柜。

        本項(xiàng)目建于山區(qū),地貌區(qū)屬剝蝕侵蝕山地,以低山和丘陵為主,山頂起伏平緩,并有黃土覆蓋,溝谷發(fā)育,切割較為強(qiáng)烈。建設(shè)區(qū)域內(nèi)河谷寬闊,谷底為大面積的河漫灘堆積物,一級階地呈緩坡位于河流兩岸,地形西高東低,最高和最低地形高差為480.08m。

        項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域?qū)贃|亞溫帶半濕潤地區(qū),大陸性氣候顯著,四季分明,夏季溫暖多雨,春季多風(fēng)少雨,冬季天氣寒冷,雨雪稀少,年平均氣溫10.2℃,最高氣溫37.3℃,最低氣溫-16.3℃。最大凍土深度為43 cm。

        2 工程地質(zhì)狀況

        勘察資料表明,該場地地基土主要由全新(Q4)耕土,中更新統(tǒng)(Q2)粉質(zhì)粘土,殘積土及二疊系(P)強(qiáng)~中風(fēng)化泥巖等組成。各巖土層呈層狀產(chǎn)出。據(jù)巖土物理力學(xué)性質(zhì)差異自上而下可劃分為①~⑤層,各層圖層分述如下。

        2.1 ①號土層—耕土(Q4):層厚 0.20~1.40m,平均厚度0.54m,黃褐色,稍濕,松散~稍密狀,含較多植物根系及少量煤屑,鈣核等,以黃褐色粉質(zhì)粘土為主。此層土在場地西部大部分地段都存在,厚度差異不大,形成時(shí)間相對較早。

        2.2 ②號土層—粉質(zhì)粘土(Q2):層厚0.60~3.00m,平均厚度2.75m。紅褐色,可塑~硬塑狀,含大量鈣核及白色鈣化物,韌性中高,干強(qiáng)底高,切面光滑。平均壓縮系數(shù)為0.221MPa-1,屬中壓縮性土。平均標(biāo)貫基數(shù)10.1擊。該層土在場地大部分地段均有存在,局部地段缺失,厚度差異較大。

        2.3 ③號土層—粉質(zhì)粘土(Q2):層厚0.80~7.70m,平均厚度2.75m。紅褐色,可塑~硬塑狀,含大量鐵錳黑斑及少量鐵錳結(jié)核,土質(zhì)高度固結(jié),局部成團(tuán)塊狀,自然狀態(tài)不易成型,干強(qiáng)度高,切面光滑。平均壓縮系數(shù)為0.174 MPa-1,屬中偏低壓縮性土。平均標(biāo)貫擊數(shù)16.0擊。該層土在場地大部分地段均有存在,但厚度差異較大。

        2.4 ④號土層—?dú)埛e土(Q2):層厚0.3~3.6m,平均厚度1.08m。黃綠色,強(qiáng)~中風(fēng)化,為軟巖,水平層理,泥質(zhì)膠結(jié),含大量黃綠色泥巖碎屑,粗砂巖碎塊。該層土在場地均有存在,但厚度差異較大。

        2.5 ⑤號土層—泥巖(P):最大揭露厚度為10.6m。黃綠色,強(qiáng)~中風(fēng)化,為軟巖,水平層理,泥質(zhì)膠結(jié),含少量次生礦物,較破碎,巖芯呈碎塊,短柱狀,最長取芯長約15cm,取芯率65%~70%左右,巖體基本質(zhì)量等級為V級。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告該層泥巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為5.0MPa。

        隨著工業(yè)發(fā)展,水資源的需求量逐漸增加,水資源對工業(yè)發(fā)展速度和規(guī)模的決定作用也越來越明顯。承德市工業(yè)增加值從1970年的1.09億元上升到2010年的394.3億元,是1970年的393倍。而2010年的水資源總量卻是1970年的40%,萬元工業(yè)增加值用水量僅是1970年的6%。

        2.6 ⑥號土層—砂巖(P):該層僅在三個(gè)勘探點(diǎn)中揭露,最大揭露厚度3.00m。青灰色~灰褐色,強(qiáng)~中等風(fēng)化,為較硬巖,礦物成分以石英,長石為主,較完整,巖芯成短柱狀,最長取芯長約20cm,取芯率為75%,飽和單軸抗壓強(qiáng)度為25.0MPa。

        3 基礎(chǔ)選型計(jì)算

        項(xiàng)目概況:氣柜直徑:26400mm,氣柜荷載:水槽重:1200.99kN,鐘罩重:719.31 kN,保溫重 :160 kN,配重:780.15 kN,塔節(jié)重:704.8 kN,塔節(jié)水封重:500 kN,梯子及平臺(tái)重:640.75 kN,操作重 :53608.45 kN,設(shè)備凈重4189.8 kN。

        氣柜自重作用在基礎(chǔ)上考慮兩種工況:

        一種是滿儲(chǔ)氣時(shí)鐘罩與各塔節(jié)都升起,通過氣壓使設(shè)備自重均勻作用在基礎(chǔ)上。水槽壁作用在環(huán)墻上,但也近似將其均勻分?jǐn)傇谡麄€(gè)基礎(chǔ)上;另一種工況是氣柜完全放空,各塔節(jié)與鐘罩都落在環(huán)墻上,只有計(jì)算環(huán)墻寬度時(shí)所用荷載是自重作用在環(huán)墻上的線荷載。

        環(huán)墻的寬度應(yīng)滿足設(shè)備對其構(gòu)造上的要求,但同時(shí)也必須滿足底部地基承載力的要求,當(dāng)環(huán)墻底部壓力大于同一標(biāo)高中部基底壓力時(shí),環(huán)墻可能產(chǎn)生大于氣柜底板中間基礎(chǔ)的沉降,而達(dá)不到“箍”的作用[5]。環(huán)墻基礎(chǔ)截面形式有矩形截面,倒T形截面,工字形截面和箱形截面。為了施工簡單方便首選矩形截面,根據(jù)《化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》中的公式[5]:

        計(jì)算出的寬度b為2.4m,斷面太大,不經(jīng)濟(jì),另外起不到應(yīng)有的“箍”的作用,再次根據(jù)倒T形計(jì)算公式:

        上部寬度取1700mm即滿足要求,材料在用量上比較經(jīng)濟(jì)。

        按構(gòu)造配置箍筋與抗扭環(huán)向鋼筋(圖1)[3],根據(jù)《SH/T3068——2007》中9.1.15條:

        1)環(huán)向受力鋼筋的界面最小總配筋=1650*190*0.4%=12540mm2;2)豎向構(gòu)造鋼筋的最小配筋=0.002*1650*1000=3300mm2(每側(cè))。

        4 氣柜基礎(chǔ)沉降計(jì)算

        作用在基礎(chǔ)與地基上的垂直荷載,主要是通過氣壓傳下來的設(shè)備自重及水槽內(nèi)的水重,它們均勻的分布在整個(gè)基底上。當(dāng)軟弱地基處理或布樁時(shí),應(yīng)對整個(gè)基礎(chǔ)作用范圍進(jìn)行,不能僅處理環(huán)梁部位,以防止槽底中心沉降過大,破壞槽體。

        圖1 環(huán)墻基礎(chǔ)配筋圖

        當(dāng)氣柜均勻下沉過大時(shí),會(huì)造成進(jìn)出管道與水槽及閥門室池壁連接處破壞,不但影響生產(chǎn),還會(huì)發(fā)生事故。氣柜對基礎(chǔ)偏沉比較敏感,當(dāng)土層厚度均勻時(shí)計(jì)算不出基礎(chǔ)的偏沉值,擔(dān)當(dāng)土層不均勻沉降引起的偏沉值對氣柜影響很大。

        如果氣柜基礎(chǔ)偏沉,氣柜傾斜到一定程度時(shí),導(dǎo)軌會(huì)在軌道上卡軌,塔節(jié)和鐘罩升降受阻;嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致水封槽密封失效。過大的地基變形將造成槽底鋼板開裂,大量漏水。某化工廠曾發(fā)生氣柜基礎(chǔ)偏沉,導(dǎo)輪卡軌,甚至導(dǎo)致氣柜爆炸的事故。因此,本標(biāo)準(zhǔn)限值基礎(chǔ)偏沉在0.2%以內(nèi),而控制偏沉最有效的辦法就是盡量減少絕對沉降量。

        本工程地基承載力特征值fa=170kPa<200kPa,且土層厚度不均勻,應(yīng)進(jìn)行變形計(jì)算。

        基本資料:環(huán)墻外徑:27.7m,環(huán)墻寬度:2.45m,周長:79.285m,環(huán)墻寬度:1.9m,基礎(chǔ)埋深d=1.5m,露出地面0.4m,地基承載力特征值fak=170kPa,R=13.8m,r/R=0,P0=Pk-γ*d=96.32kPa,ΔZ=1.3。

        基礎(chǔ)中心處[6]ZK216(表1)。

        表1

        基礎(chǔ)邊緣處1[6]ZK212(表2)。

        除強(qiáng)度要求外,氣柜基礎(chǔ)容許變形值為60cm,對基礎(chǔ)的徑向和環(huán)向不均勻沉降均有要求,根據(jù)我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范規(guī)定,徑向不大于0.006Dt(Dt為氣柜底圈內(nèi)直徑),沿罐同方向任意10m弧長內(nèi)的沉降差不大于25mm。如果徑向不均勻沉降超過允許值,則阻礙鐘罩不能自由升降,影響使用,若環(huán)向沿周邊不均勻沉降超過允許值,則可導(dǎo)致柜底與壁板焊縫拉裂,發(fā)生事故[4]。

        表2

        直徑方向沉降差=16.9 mm,滿足要求。

        基礎(chǔ)邊緣處1[6]ZK212(表3)。

        通過計(jì)算基礎(chǔ)邊緣及中心處的沉降差為16.9mm<20mm,滿足規(guī)范要求。另外對環(huán)墻內(nèi)的基礎(chǔ)做法嚴(yán)格按《化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.0.10條的要求設(shè)計(jì),鋼水槽底板下干鋪黃砂30mm,瀝青砂絕緣層100mm,中粗砂墊層300mm,下部全是分層夯實(shí)的砂石墊層,基礎(chǔ)中心應(yīng)預(yù)先起拱。并在環(huán)墻基礎(chǔ)周邊約15m設(shè)置沉降觀測點(diǎn),定期進(jìn)行沉降觀測。

        表3

        為控制沉降可采用水槽充水預(yù)壓措施,注水預(yù)壓應(yīng)緩慢進(jìn)行,不得一次注滿,嚴(yán)格控制沉降速率的加荷速度。預(yù)壓后再陸續(xù)安裝水槽以上各塔節(jié)。

        5 結(jié)束語

        本工程已投入運(yùn)行半年多,使用情況良好,基礎(chǔ)沉降僅為12mm,滿足使用要求,用戶也很滿意,為在山區(qū)不均勻地基上建造大型氣柜積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

        [1]應(yīng)德平.氣柜基礎(chǔ)高差地形下的設(shè)計(jì)施工方法[J].四川化工,2009,06.

        [2]李懋星.濕式氣柜的設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道,2006,4.

        [3]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[P].GB 50010-2010.

        [4]張菊芳.軟土天然地基土上充水預(yù)壓氣柜基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)例及探討[J].江蘇建筑,2002(1).

        [5]化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].HG/T20643-2012

        [6]石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].SH/T3068-2007.

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