李 超

（勝幫科技股份有限公司，上海 201210）

錨固是大型石油儲罐的抗風和抗震功能組件，具有重要的安全保障作用，應該結合使用條件合理設置并進行設計校算。目前錨固設計只有通用性標準規(guī)范條款，相關規(guī)范和方法應用于實際工程項目的設計時，需要設計者將已知技術參數(shù)、條件合理落實為一般規(guī)范算法的輸入?yún)?shù)和條件,這種需要引發(fā)了許多研究與探討[1-9]。文中辨析了錨固與塔器地腳螺栓座的區(qū)別、需要設置錨固的3種情況，討論了錨固設計制造需要注意的一些細節(jié)。

1 錨固與塔器地腳螺栓座的區(qū)別

錨固的總體結構與塔器的地腳螺栓座相似，但是因為設計理念的不同，在一些細節(jié)結構上又有很大的不同。塔器地腳螺栓座承受的是風載荷、地震載荷和重力載荷的組合作用，地腳螺栓的設置意圖是防止塔在組合載荷作用下的傾倒，其基礎環(huán)板承受整個塔器的重力及組合彎矩，因為承受壓力的面積小，板厚通常取得比較大，按照NB/T 47041—2014《塔式容器》[10]標準釋義與算例規(guī)定，基礎環(huán)板厚度應不小于16 mm。而大型石油儲罐的錨固考慮的是微內壓、儲液功能、風載荷、地震載荷及儲液質量都能被底板均勻承受，因為承載面大，所以底板都相對薄很多。同時，為了防止罐壁產生過大的局部應力和變形，通常還會在罐壁貼上一塊墊板。錨固螺栓的數(shù)量也是按照GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》[11]中第11.2.3條規(guī)定計算的，舉升力的大小對錨固螺栓數(shù)量起著決定性的作用。

2 設置錨固的3種情形及其計算分析

2.1 第一種情況

大型石油儲罐應該設置錨固的第一種情況為，當設計壓力產生的舉升力大于罐壁、罐頂及其所支撐構件的總重力，同時小于或等于18 kPa。在這種情況下，錨固的設置由2個參數(shù)決定，即舉升力和罐壁、罐頂及其支撐構件總重力。在實際工況中，這2個參數(shù)如何取值，其影響是否可以忽略，不能一概而論，應根據(jù)具體情況分析。

2.1.1 舉升力

對于大型石油儲罐，舉升力計算如下。

式中，U為舉升力，W1為由罐壁有效厚度及除去罐頂板外由罐壁支撐的構件有效厚度確定的重力，N；pi為微內壓油罐的最大設計壓力，kPa；D為油罐內徑，m；C2為腐蝕裕量，th為罐頂板名義厚度，mm。

1臺儲罐的直徑往往開始就被儲運專業(yè)確定，因此影響舉升力大小的主要是設計內壓。設計內壓一般都是根據(jù)呼吸閥的工作壓力選取的，常用呼吸閥的工作壓力為1.5 kPa或者5 kPa,設計壓力相應的取2 kPa或者6 kPa，這2種呼吸閥設計壓力相差4 kPa,在壓力容器設計中4 kPa的壓差大概率會被忽略。但是，進行錨固計算時，4 kPa的壓差造成的影響卻是非常巨大的。

以1臺直徑21 m、罐壁高度16.5 m的煤焦油原料罐進行說明。已知工藝計算的罐壁、罐頂及支撐件重力為1 156 840 N，當設計內壓按2 kPa計算時，產生的舉升力為 692 721 N，這個值小于1 156 840 N，所以不需要設置錨固；當設計內壓按6 kPa計算時，產生的舉升力為2 078 163 N,幾乎超出各組件總重力的1倍，必須設置錨固。

因此在進行儲罐設計時，應該重視儲罐內壓的取值，要與儲運專業(yè)進行充分的溝通，得出正確的呼吸閥工作壓力，防止因為選錯壓力而造成儲罐的傾倒事故。

2.1.2 總重力

總重力包括附屬在罐壁和罐頂?shù)钠脚_、爬梯以及保溫的重力。其中平臺爬梯的重力對于大型儲罐總重力而言影響不大，保溫層的重力必須納入考慮。保溫因為完全覆蓋在罐壁上，而且大型石油儲罐罐壁表面積都非常大，當保溫材料的密度很大、保溫厚度很厚時，保溫層的重力是相當大的，因此需要引起重視。

舉例子進行說明。1臺大型石油儲罐直徑為25 m，罐壁高20 m，罐壁需要保溫，保溫材料高溫玻璃棉密度為50 kg/m3，厚度80 mm。單按保溫材料估算出質量為6 290 kg，如果就按這個重力進行錨固設計會出大問題，因為保溫材料并不是直接貼在罐壁上的，它還需要一些支撐件和固定件，這些部件的重力有時候是很大的，有時候甚至遠超材料本身重力。以常用的鎧裝式保溫進行說明，此保溫形式中鋁合金薄板(壓型板)、角鋼支撐圈和扁鋼占了相當大的質量，根據(jù)工程經驗，計算時通常會把這些質量和保溫材料合在一起折算1個平均密度，一般為200 kg/m3，按此密度估算質量為25 160 kg，前后對比差距很大，有可能就會因為這個質量而不需要設置錨固，節(jié)省土建費用。

2.2 第二種情況

大型石油儲罐應該設置錨固的第二種情況為，風載荷滿足依據(jù)GB 50341—2014中第11.1條給出的 2個條件 0.6Mw+MPi≥MDL/1.5+MDLR、Mw+MPi≥(MDL+MF)/2+MDLR中的1條。條件式中，Mw為水平和垂直風壓對罐壁罐底接合點的傾倒力矩，MPi為設計內壓對罐壁罐底接合點的傾倒力矩，MDL為罐壁重力和罐頂支撐件重力（不包括罐頂板）對罐壁罐底接合點的反傾倒力矩，MDLR為罐頂板及其上附件重力對罐壁罐底接合點的反傾倒力矩，MF為儲液重力對罐壁罐底接合點的反傾倒力矩， N·m。

2.2.1 參數(shù)計算公式

在石油儲罐設計中，按下面的公式計算水平和垂直風壓對罐壁罐底接合點的傾倒力矩。

MWS、，MWR根據(jù) GB 50341—2014 中圖11.1.2計算如下。

式（3）和式（4）中:

石油儲罐設計中風壓計算如下：

式（2）～式（7）中，pWS為作用于罐壁上的水平風載荷，pWR為作用于罐頂部的舉升風載荷，kPa；v為風速，km/h；H 為油罐罐壁高度，m；ρ為空氣密度，kg/m3。

2.2.2 參數(shù)影響分析

在大型石油儲罐的設計中，當所設計的油罐由于前排油罐有可能形成狹管效應[12-13]而導致風力增強時，應將基本風壓再乘以1.2～1.5的調整系數(shù),這條很多設計人員會忽視。狹管效應會大幅加大Mw值，通過調整后的風壓可能就需要設置錨固或者需要設置更大的錨固。

繼續(xù)以第一種情況中提到的儲罐計算為例，已知當?shù)仫L速v=190 km/h、pWS=0.86 kPa、pWR=1.44 kPa、D=25 m、H1=20 m,應用式（1）～式（3）計算得到 MWS=4 300 000 N·m、MWR=8 835 750 N·m、Mw=13 135 750 N·m 。

當該儲罐出現(xiàn)在罐區(qū)時，計算時就要考慮可能的狹管效應。這時，按照經驗將調整系數(shù)取為1.4，則 Mw=1.4 MWS+1.4 MWR=18 390 050 N·m, 傾倒力矩相比未考慮狹管效應時的13 135 750 N·m增加了5 254 300 N·m，這個力矩增量比調整前的MWS還大，其影響顯然是不能忽略的，否則就極可能造成儲罐的傾倒。

此外，還有一個于此有關的問題就是，為什么相同直徑的大型儲罐有的設置了錨固而有的卻沒有設置，而且罐區(qū)現(xiàn)場看到的不設置錨固的往往都是矮胖型的儲罐。這是因為，MWS與H是平方的關系，高徑比的影響不能忽略。對于同一直徑的儲罐，分別用數(shù)值為0.9、1.4的高徑比進行比較計算，就可發(fā)現(xiàn)高徑比為1.4時計算的MWS是高徑比為0.9時儲罐MWS的2.42倍，所以不同高度的選擇會極大地影響錨固的設計。

2.3 第三種情況

2.3.1 抗震設計規(guī)則

基于抗震設計規(guī)則，設置錨固的條件為，當錨固系數(shù)J小于或等于0.785時，不產生舉升力，可無需錨固；當錨固系數(shù)J大于0.785，且小于或等于1.54時，罐壁受到的側向拉力已開始提離，可無需錨固；當錨固系數(shù)J大于1.54時，必須設置錨固。

2.3.2 舉例分析

錨固系數(shù)根據(jù)抗震設防烈度計算。某罐區(qū)工程項目的罐區(qū)抗震設防烈度為7（0.1g），將其調整為 8（0.2g） 和 8（0.3g）后分別進行計算，結果見表1。

表1 某罐區(qū)部分儲罐不同抗震設防烈度對應的計算錨固系數(shù)

由表1可知，①抗震設防烈度為7（0.1g）時，一般是不需要設置錨固的。②不同的高徑比對應的錨固系數(shù)不同，規(guī)律是錨固系數(shù)隨著高徑比的增加而增大。③隨著地震加速度的增加，錨固系數(shù)會大幅增加，除了特別小的高徑比的儲罐，抗震設防烈度大于等于8（0.2g）時基本都要設置錨固。④當高徑比差不多（例如，柴油罐0.96，重污油罐0.91）時，在不同的抗震設防烈度下的錨固系數(shù)也相差不多。

此外，需要補充的是，當抗震設防烈度為7（0.1g）時，按照 GB 50341—2014附錄 D的要求設計的儲罐，其高徑比都會小于1.6，因此錨固系數(shù)的增加也會有個限度，基本都在1.54的范圍內。表1中，二甲苯罐高徑比最大，為1.2，其錨固系數(shù)也才1.17。

3 錨固設計制造注意細節(jié)[14-16]

3.1 螺栓中心圓設置不當

螺栓中心圓的設置應充分考慮罐底邊緣板的尺寸，因為GB 50341—2014中5.2規(guī)定的邊緣板外側到罐壁板外側的距離大于等于50 mm是一個范圍，對于大直徑的儲罐，設計人員有時候就會將此距離取得很大，即邊緣板外徑很大，但是地腳螺栓的設計又都遵循盡量采取小的螺栓中心圓的理念，這種只注意了標準和螺栓的強度設計而忽略了結構設計就會讓地腳螺栓與邊緣板碰撞（圖1）。

圖1 螺栓中心圓設置不當導致的邊緣板與螺栓干擾示圖

3.2 錨固位置設置不當

錨固的設置應避開石油儲罐壁板拼接的縱焊縫，否則會造成焊縫的疊加以及應力集中。錨固與縱縫錯誤設置見圖2，這種情況下二者是疊加的。錨固與縱縫正確設置見圖3，這種設計通過改變拼接壁板的塊使錨固避開了縱焊縫。

圖2 錨固與縱焊縫不當設置示圖

圖3 錨固與縱縫正確設置示圖

3.3 其他應注意細節(jié)

①墊板設置。錨固不同于塔器地腳螺栓座，為了防止罐壁產生過大的局部應力和變形，必須在錨固與罐壁連接的地方設置一塊墊板。②長圓孔設置。當儲罐設計溫度大于90℃時，錨固時應考慮熱膨脹影響，可以在蓋板徑向上開長圓形的孔，來緩解熱膨脹的影響，長圓形的尺寸跟著溫度差進行調整。③許用應力調整。有保溫的錨固螺栓的許用應力應為常溫下的許用應力乘以GB 50341—2014附錄C表C.2.2標準屈服強度下限值降低系數(shù)。④充水與焊接的先后順序。錨固組件應在罐內充滿水、水面上未加壓前焊接在罐壁上，絕不允許焊接好后再充水，防止因為充水后基礎的沉降造成錨固座處罐壁和錨固座的損傷。⑤螺栓緊固。所有螺栓應均勻上緊，且松緊適度。

4 結語

對錨固設置的3種情況進行了細化，舉例說明了呼吸閥、保溫、狹管效應、抗震設防烈度和高徑比等因素對錨固設置的影響，對設計制造中的注意點進行了總結，為以后錨固的優(yōu)化設計，特別是為某些基礎、地腳螺栓受限制的儲罐改造設計提供降低錨固系數(shù)的思路和方法。