高國(guó)棟

中化二建集團(tuán)有限公司 山西太原 030021

儲(chǔ)罐作為一種基礎(chǔ)的存儲(chǔ)設(shè)備，在石油、化工、醫(yī)藥、食品、水處理等諸多行業(yè)中廣泛應(yīng)用，其中立式金屬儲(chǔ)罐在石化行業(yè)中多用作常壓儲(chǔ)存設(shè)備，用以存放原油、汽油、潤(rùn)滑油等油品，芳烴、酸堿、醇類(lèi)等化學(xué)物質(zhì)，以及公用系統(tǒng)中脫鹽水、低溫水、消防水等水處理的各類(lèi)介質(zhì)。其憑借成熟的設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)，在各行業(yè)中發(fā)展迅速。隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，及生產(chǎn)工藝的需求，內(nèi)置隔板型立式金屬儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)逐漸增多。這種結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了兩種不同的物料或是不同工況下的同種介質(zhì)存放在同一個(gè)儲(chǔ)存容器中，從而達(dá)到了節(jié)約容器材料，簡(jiǎn)化工藝流程，減少設(shè)備占地面積，節(jié)約資金投入的目的。

由于現(xiàn)有各類(lèi)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)這種內(nèi)置隔板強(qiáng)度的計(jì)算并無(wú)明確計(jì)算準(zhǔn)則，多采用經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元等模擬分析軟件進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生隔板失穩(wěn)的狀況，影響正常生產(chǎn)運(yùn)行，造成安全隱患。這種立式儲(chǔ)罐內(nèi)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(kāi)裂兩種情況。以下結(jié)合工程中實(shí)際發(fā)生的案例對(duì)這兩種失穩(wěn)狀況的形成原因進(jìn)行詳細(xì)探究，并對(duì)其結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)措施予以闡述。

1 立式儲(chǔ)罐內(nèi)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(chǔ)罐為立式拱頂鋼制儲(chǔ)罐，直徑12.6m，高14.6m，內(nèi)部中心位置設(shè)S 形隔板，隔板高度為12m，設(shè)計(jì)最高液位11.5m。在運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部隔板發(fā)生變形，局部?jī)A倒，并連帶造成罐壁板部分變形，裝置緊急進(jìn)行停車(chē)。經(jīng)對(duì)當(dāng)時(shí)儲(chǔ)罐運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)查分析，在事故發(fā)生時(shí)隔板一側(cè)無(wú)液位，另一側(cè)液位約為6m。儲(chǔ)罐經(jīng)修復(fù)，并加固處理后繼續(xù)投入使用。詳見(jiàn)圖1。

圖1 儲(chǔ)罐內(nèi)部隔板局部?jī)A倒及罐壁板部分變形

造成此類(lèi)中間隔板失穩(wěn)發(fā)生變形的原因，就是由于單側(cè)液位過(guò)高，另一側(cè)無(wú)液體平衡。根據(jù)儲(chǔ)罐當(dāng)時(shí)的運(yùn)行工況，對(duì)中間進(jìn)行受力分析（圖2），區(qū)域1 內(nèi)液位較高，內(nèi)部液體對(duì)隔板產(chǎn)生指向區(qū)域2 側(cè)的壓力，致使隔板內(nèi)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(qiáng)度，使其向外產(chǎn)生徑向位移。且通過(guò)實(shí)際觀測(cè)，區(qū)域2 內(nèi)的隔板支撐桿件A 設(shè)置為槽鋼，規(guī)格較小，對(duì)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(xiàn)象。

圖2 儲(chǔ)罐受力分析示意圖

這種隔板變形現(xiàn)象反映出該儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)對(duì)內(nèi)部隔板單側(cè)受力工況的考慮不足，隔板結(jié)構(gòu)剛度不足，隔板拉桿部件設(shè)置較少且材料選型偏小。要保證其穩(wěn)定性，必須提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，對(duì)隔板采取有效的加固措施。

1.2 隔板與罐體焊縫開(kāi)裂

隔板的失穩(wěn)現(xiàn)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(kāi)裂。某化工裝置氨水儲(chǔ)罐為立式拱頂鋼制儲(chǔ)罐，直徑11.3m，高7.8m，內(nèi)部的橫豎兩道隔板將儲(chǔ)罐分割成三個(gè)區(qū)域，隔板高度為6m。在檢修清理儲(chǔ)罐中發(fā)現(xiàn)A、B 區(qū)域之間隔板與底板角焊縫有約20cm 長(zhǎng)的開(kāi)裂現(xiàn)象，該位置下方底板伴有輕微內(nèi)凹變形（圖3）。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，由于長(zhǎng)期運(yùn)行使儲(chǔ)罐下方基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，A、B 區(qū)域底板與基礎(chǔ)之間出現(xiàn)空隙，從而使該區(qū)域底板隨著液位的變化出現(xiàn)應(yīng)力的頻繁變化而引起變形。該儲(chǔ)罐選型為不銹鋼材質(zhì)，隔板厚度為6mm，與罐底板直接通過(guò)角焊縫進(jìn)行焊接，在受到拉應(yīng)力較大的情況下出現(xiàn)焊縫拉裂。此案例隔板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并非其結(jié)構(gòu)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(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)局部進(jìn)行噴射注漿修復(fù)的同時(shí)，也對(duì)隔板與底板之間的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)。

圖3 某氨水儲(chǔ)罐的隔板與罐體焊縫開(kāi)裂

2 內(nèi)部隔板加強(qiáng)措施

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例對(duì)內(nèi)置隔板型立式金屬儲(chǔ)罐內(nèi)部隔板失穩(wěn)狀況的分析可知，隔板結(jié)構(gòu)自身的整體強(qiáng)度是保證其穩(wěn)定性的重要原因之一，加強(qiáng)隔板自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以有效提高穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)其在運(yùn)行過(guò)程中受力情況的判斷，結(jié)合國(guó)內(nèi)專(zhuān)家對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)隔板載荷有限元分析的成果，以及現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)加固實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)推廣，對(duì)隔板結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)措施主要包括優(yōu)化隔板形式，增加隔板橫向加強(qiáng)筋，加固隔板與壁板、底板間的連接焊縫，以及增強(qiáng)隔板兩側(cè)的拉撐結(jié)構(gòu)四種措施。

2.1 優(yōu)化隔板形式

在現(xiàn)有內(nèi)置隔板設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但受力情況較差；弧形隔板通過(guò)圓弧板中心的豎直固定管提升整個(gè)隔板結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)改善了作用于隔板的應(yīng)力，減小了應(yīng)力作用下產(chǎn)生的位移；S 形隔板是由多個(gè)圓弧形設(shè)計(jì)疊加組合而成，受力情況更優(yōu)于前兩種形式，且其圓弧數(shù)量越多，在相同應(yīng)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(guò)程的質(zhì)量控制，多S 形隔板不利于加工制造。詳見(jiàn)圖4。

圖4 內(nèi)置隔板傳統(tǒng)設(shè)計(jì)形式和優(yōu)化后的單S 形隔板

綜合各方面因素，采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化加強(qiáng)后的單S 形隔板，在隔板的中心及弧板上設(shè)置加強(qiáng)立柱，也可滿足其受力特征，保證運(yùn)行安全。立柱的數(shù)量應(yīng)根據(jù)隔板的長(zhǎng)度確定，加強(qiáng)立柱可采用槽鋼或是從中部破開(kāi)的無(wú)縫鋼管，分別對(duì)稱(chēng)焊接在隔板兩側(cè)。加強(qiáng)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(yīng)采用連續(xù)焊，同時(shí)做好防變形措施，焊接完成后還要對(duì)所有焊縫進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)。

2.2 增加隔板橫向加強(qiáng)筋

隔板的橫向剛度也需要采取措施進(jìn)行加強(qiáng)，如圖1 的隔板事故最先發(fā)生變形的是S 形內(nèi)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(chǎn)生較大位移，帶動(dòng)整個(gè)隔板發(fā)生側(cè)傾。加強(qiáng)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，流體靜壓力在其自身重力的作用下，對(duì)隔板產(chǎn)生的載荷隨物料液位深度的增加而呈現(xiàn)梯度增大的趨勢(shì)。隔板在單側(cè)存放物料的情況下，下部受力要大于上部，在進(jìn)行橫向加強(qiáng)筋的布置時(shí)自上而下應(yīng)逐步縮小其間距。橫向加強(qiáng)筋的尺寸應(yīng)與豎向立柱的徑向高度相近，材料的選擇可以使用同材質(zhì)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(guò)程中易變形，所以結(jié)合儲(chǔ)罐自身重量考慮，使用角鋼進(jìn)行橫向拉筋加強(qiáng)較為合適，

以隔板彎曲半徑相同的曲率對(duì)角鋼進(jìn)行卷弧加工，根據(jù)隔板豎直加強(qiáng)立柱間的弧長(zhǎng)進(jìn)行下料，在隔板兩側(cè)同一高度位置與隔板采取間斷焊的方式進(jìn)行焊接。橫向拉筋與豎直立柱間必須進(jìn)行滿焊，使兩者結(jié)合成一個(gè)穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)。

2.3 加固隔板與壁板、底板間的連接焊縫

隔板與儲(chǔ)罐本體的連接（圖5），即隔板作為一種單片結(jié)構(gòu)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(chǔ)罐形成一個(gè)整體將作用力向下傳遞。在實(shí)際使用過(guò)程中，隔板焊縫長(zhǎng)期受到物料靜壓力作用和雙向的介質(zhì)腐蝕，會(huì)增加焊縫裂紋風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致兩側(cè)液體滲漏，造成損失。對(duì)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(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。針對(duì)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(chǔ)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(cè)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(gè)三角形結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到提升。支撐板厚度應(yīng)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(cè)焊接角鋼可以對(duì)該位置的焊縫起到一定的加強(qiáng)作用。角鋼厚度的選擇應(yīng)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(guò)程需注意焊接操作的順序避免底板產(chǎn)生焊接變形。

圖7 隔板與罐底板的連接

2.4 增強(qiáng)隔板兩側(cè)的拉撐結(jié)構(gòu)

將隔板與罐壁板之間的作用力進(jìn)行分散，在隔板兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置拉撐結(jié)構(gòu)與罐壁板連接，也可以對(duì)隔板結(jié)構(gòu)整體剛度加強(qiáng)（圖8）。在物料單側(cè)分布的情況下，物料側(cè)拉撐結(jié)構(gòu)跟隨隔板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向拉應(yīng)力，空側(cè)拉撐結(jié)構(gòu)受壓將作用力傳遞至儲(chǔ)罐罐壁，與物料對(duì)物料側(cè)罐壁產(chǎn)生的外壓力相平衡，使儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

圖8 增強(qiáng)隔板兩側(cè)的拉撐結(jié)構(gòu)

以S 形隔板為例，在S 形隔板中心、兩個(gè)圓弧段的豎直加強(qiáng)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(gòu)件，其與豎直加強(qiáng)立柱、罐壁板均為滿焊，同時(shí)，為了不影響罐壁板的強(qiáng)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(dāng)截面的槽鋼或無(wú)縫鋼管，這樣既起到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用，又避免了由于構(gòu)件自身重量過(guò)大增加罐壁板受力。

針對(duì)隔板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的加固措施共有以上四種方案，施工現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)儲(chǔ)罐內(nèi)隔板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不同，以及生產(chǎn)運(yùn)行工況的差異，分析其強(qiáng)度薄弱區(qū)域，因地制宜，與設(shè)計(jì)、業(yè)主溝通后，采用適當(dāng)方法進(jìn)行加固。

3 結(jié)論

隨著現(xiàn)代工業(yè)中內(nèi)置隔板型立式金屬儲(chǔ)罐的廣泛應(yīng)用，其使用要求也日趨嚴(yán)格。為了保證正常的運(yùn)行質(zhì)量和生產(chǎn)安全，對(duì)其內(nèi)部隔板穩(wěn)定性的要求日益提高。造成隔板結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的主要原因是結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度不足。通過(guò)工程實(shí)例分析認(rèn)為，采取正確的加固措施，可以提高隔板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，降低儲(chǔ)罐的安全隱患，延長(zhǎng)使用壽命，從而為內(nèi)置隔板型立式金屬儲(chǔ)罐安全可靠的運(yùn)行提供保證。在類(lèi)似儲(chǔ)罐施工過(guò)程中，在圖紙會(huì)審階段，可以提出修改意見(jiàn)，征得業(yè)主、設(shè)計(jì)同意后實(shí)施。