楊曉靜，王天祥，楊潞鋒，董薇(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028)

0 引言

按存儲(chǔ)方式分類，油庫通常分為地面油庫、隱蔽油庫和山洞油庫等。為了提高油庫的戰(zhàn)時(shí)生存能力，我國軍隊(duì)或國家儲(chǔ)備油庫通常優(yōu)選隱蔽油庫，建設(shè)覆土油罐。本文將闡述覆土油罐的建設(shè)特點(diǎn)，并針對(duì)目前國內(nèi)最大罐容10 000 m3覆土油罐設(shè)計(jì)上的重難點(diǎn)，分析覆土油罐的優(yōu)缺點(diǎn)，提出切實(shí)可行的設(shè)計(jì)措施。

1 覆土油罐概念

覆土油罐是獨(dú)立設(shè)置在用于土掩埋的罐室或護(hù)體內(nèi)的固定頂油罐。固定頂油罐通常為拱頂金屬油罐。

2 覆土油罐的建設(shè)特點(diǎn)

覆土油罐的建設(shè)首先需要建設(shè)人員在選址地向下開挖出一定的施工操作面，開挖形式一般有斜向下大開挖和垂直開挖兩種。此后，建設(shè)人員需要砌筑罐室護(hù)墻、閥門操作間，澆筑罐室頂薄殼，再通過預(yù)留安裝孔洞進(jìn)行罐體施工和油罐附件及工藝管線安裝。最后，建設(shè)人員需要再在罐室薄殼及操作間上部進(jìn)行覆土處理。

覆土油罐通常為立式拱頂金屬油罐，容量一般為500～10 000 m3不等。罐室護(hù)墻與罐體之間構(gòu)成人行走道，考慮到操作檢修、工程造價(jià)等多種因素，走道寬度應(yīng)不小于0.8 m且不大于1.0 m。護(hù)墻應(yīng)采用密實(shí)性材料構(gòu)筑，一般使用現(xiàn)澆混凝土澆筑或混凝土預(yù)制塊砌筑，特殊情況也可采用機(jī)磚砌筑。

罐室拱頂一般采用鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)。考慮到造價(jià)及施工安裝等因素，罐頂薄殼的曲率半徑應(yīng)盡量與油罐拱頂?shù)那拾霃较嗤９绊斨苓吘鶓?yīng)設(shè)置采光通風(fēng)孔，同時(shí)拱頂還應(yīng)預(yù)留滿足工藝條件的量油孔、液位計(jì)孔、呼吸閥通氣孔以及施工過程中使用的進(jìn)料口孔等。為了滿足日常操作人員在罐頂操作檢修的需要，薄殼內(nèi)表面與金屬油罐罐頂?shù)木嚯x應(yīng)不小于1.2 m。薄殼外邊沿應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土環(huán)梁，以將拱頂?shù)娜恐亓客ㄟ^圈梁作用于護(hù)墻上。

為了防止地下水滲透至罐室內(nèi)，建設(shè)人員應(yīng)在罐室外壁涂刷有機(jī)防水涂料，同時(shí)沿罐室外周設(shè)置排水盲溝。罐室內(nèi)沿護(hù)墻上應(yīng)設(shè)排水溝，工藝管線操作間內(nèi)應(yīng)設(shè)積水坑，且所有穿過護(hù)墻或操作間的管線、附件上均應(yīng)設(shè)防水套管以對(duì)其進(jìn)行密封處理。

考慮到人員進(jìn)出，覆土罐室應(yīng)設(shè)置出入通道口。罐室通道口通常為向上的斜通道或折形梯垂直通道。通道口盡頭為操作間，操作間內(nèi)設(shè)工藝管線閥門。為了在油罐發(fā)生跑冒油事故時(shí)減少損失、回收油料，通道口應(yīng)設(shè)防火密閉門。

施工完畢后，罐頂?shù)母餐梁穸葢?yīng)不小于0.5 m，頂部覆土放坡線超出罐室的距離應(yīng)不小于1.5 m，周圍覆土面坡度應(yīng)不大于65%。建設(shè)人員還應(yīng)對(duì)覆土面層采取栽種草皮等相應(yīng)的穩(wěn)固措施。

3 1 000 m3覆土油罐設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

在近20年中，筆者從事了多項(xiàng)軍隊(duì)和國家儲(chǔ)備局的大型覆土油庫設(shè)計(jì)工作，其中10 000 m3罐容覆土油罐為目前國內(nèi)建成的最大罐容覆土油罐。通過研究一系列油庫的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)后期服務(wù)，筆者總結(jié)了覆土油罐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并通過對(duì)各個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比分析，建立了一套完整的設(shè)計(jì)流程體系?，F(xiàn)以某國家儲(chǔ)備油庫為例，介紹10 000 m3覆土油罐設(shè)計(jì)上的重難點(diǎn)。

3.1 總體布局

3.1.1 罐位、標(biāo)高確定

建設(shè)覆土油罐的主要目的是隱蔽儲(chǔ)油地，因此必須在山區(qū)或建成后能與自然地形相協(xié)調(diào)的地帶選址。覆土油罐通常不在平地上建設(shè)，以節(jié)省土地和投資。覆土油罐選址通常依山就勢(shì)，選擇地質(zhì)穩(wěn)定、地基承載力能滿足建罐條件的地帶，而不宜選擇地震烈度9級(jí)及以上的地區(qū)，或有膨脹土及III級(jí)濕陷性的黃土地區(qū)。在罐與罐之間滿足安全防火間距的前提下，設(shè)計(jì)人員一方面要考慮土方挖填平衡，另一方面需要避免暴雨或洪水對(duì)場(chǎng)地產(chǎn)生不利的影響。合理制定標(biāo)高對(duì)建設(shè)同樣重要，除了滿足土方平衡，標(biāo)高的選擇還應(yīng)便于油料的進(jìn)出庫作業(yè)和管線放空[1]的進(jìn)行。

3.1.2 罐室操作間布置形式

傳統(tǒng)的罐室操作間通常為通道斜坡形式(如圖1所示)；隨著國家對(duì)環(huán)保和安全的要求越來越嚴(yán)格，操作間通道為折形梯垂直布置形式的覆土罐室隨之產(chǎn)生(如圖2所示)。

圖1 通道斜坡形式罐室操作間結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)罐室出入口通道采用向上的斜通道，且通道口高于罐室地坪的高度應(yīng)不小于罐壁高度的1/3，目的是保證處于事故狀態(tài)的大型儲(chǔ)罐50%的容量不流出罐室，為緊急時(shí)刻采取口部封堵和外輸?shù)葥尵却胧┝舫鲆欢ǖ臅r(shí)間。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是罐室不能全部攔油，還需要另設(shè)應(yīng)急事故攔油池。

通道折形梯垂直布置方式的罐室處于地面以下，起到全攔油作用，可以不設(shè)攔油池；罐區(qū)建設(shè)完成后，只有罐頂部分露在地面之上，非常隱蔽，罐區(qū)整體形象易于偽裝。其缺點(diǎn)是通道直上直下，高度差大，若發(fā)生油氣聚集則難以處理，且工藝管線需要設(shè)通行管溝。

綜合上述兩種布置形式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)地形等實(shí)際情況，綜合考慮了罐室操作間的布置形式，確定了該項(xiàng)目操作間形式(如圖2所示)。

圖2 通道折形梯垂直布置的罐室操作間結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 罐室結(jié)構(gòu)

3.2.1 罐室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

覆土立式油罐應(yīng)采用一罐一室的構(gòu)筑形式。目前建成的10 000 m3覆土油罐的環(huán)形罐室直徑分為32 m及34 m兩種跨度，覆土罐室主體結(jié)構(gòu)由圓柱形鋼筋混凝土罐室護(hù)墻及鋼筋混凝土薄殼組成。

34 m直徑罐室薄殼跨度大，矢高僅為4.8 m，殼頂覆土荷載大，外環(huán)梁與鋼筋混凝土外墻、殼體整體連接，實(shí)際受力情況與規(guī)范公式的適用條件有出入。為更精確地分析罐室的受力性能，設(shè)計(jì)人員使用ANSYS程序?qū)奘疫M(jìn)行了整體模擬分析。考慮到外墻、殼體整體連接時(shí)各部分的相互約束和共同作用，根據(jù)實(shí)際受力特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)薄殼根部、外環(huán)梁、墻體配筋及構(gòu)造進(jìn)行了調(diào)整，以期達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、合理、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

罐室鋼筋混凝土薄殼為大跨度空間曲面結(jié)構(gòu)，施工時(shí)模板制作工藝復(fù)雜。施工使用的腳手架高度達(dá)14.8～19.5 m，對(duì)初始缺陷、加載形式及加載順序等因素敏感，極易發(fā)生事故。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)殼體的施工提出了以下要求：重視施工階段針對(duì)腳手架性能的計(jì)算與設(shè)計(jì)；嚴(yán)格按薄殼設(shè)計(jì)曲率支模，支模后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)堆載試驗(yàn)；進(jìn)行混凝土澆注時(shí)做好施工組織，澆筑薄殼及外環(huán)梁混凝土?xí)r應(yīng)由底部向頂部均勻連續(xù)對(duì)稱澆注，不得留施工縫。

罐室墻周長(zhǎng)達(dá)108 m，為減少溫度應(yīng)力及裂縫，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在灌式墻上設(shè)溫度伸縮縫?？紤]到常規(guī)的后澆帶施工難度較大、施工周期長(zhǎng)，為確保工程質(zhì)量、合理控制工期，設(shè)計(jì)人員對(duì)構(gòu)筑物采用了超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)，并采取了相應(yīng)施工方法：沿罐室墻周圈設(shè)3處后澆加強(qiáng)帶，由施工人員連續(xù)循環(huán)澆注。該罐室結(jié)構(gòu)已竣工5年，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果，尚未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫等不利情況[2]。

3.3 罐室工藝

為了延長(zhǎng)油罐使用壽命，設(shè)計(jì)人員選用Q235-B作為罐體材料，并在罐體內(nèi)壁、罐底板、外壁全部設(shè)計(jì)了防腐層。罐底邊緣在采用和罐體外壁同樣的防腐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用繞涂增塑瀝青、粘貼橡塑防水卷板等方法作防水處理。為了提高油罐可靠性，罐體通氣管設(shè)有兩個(gè)全天候式呼吸閥，滿足了惡劣氣象條件下使用要求，有效防止了油罐冬季結(jié)冰的可能。

罐體根部密封閥選用了雙密封導(dǎo)軌閥，采用軟密封和硬密封相結(jié)合的方式，以確保閥門零泄漏。油罐與管線柔性連接，采用金屬軟管，以防地震、油罐基礎(chǔ)沉降等引起管線變形或斷裂。

設(shè)計(jì)人員充分考慮到油罐儲(chǔ)備周轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，為避免油品長(zhǎng)期集聚在管線中，罐區(qū)所有的管線均能放空。為了防止管線停輸時(shí)受環(huán)境溫度影響，工藝管線設(shè)有防脹油的泄壓措施。覆土罐室操作間內(nèi)設(shè)置了事故外輸管線，一旦發(fā)生油罐泄漏事故，工作人員能對(duì)罐室內(nèi)油品實(shí)施騰空或緊急外輸，避免油品從通道口漫出罐室造成其他損失。為了保證各油罐調(diào)配儲(chǔ)存油品的靈活性，油罐之間具備倒罐功能。

工藝油外線采用地下管溝，管溝與罐室操作間的接合處設(shè)置了防火密閉隔墻。所有的埋地管線均采用三層PE防腐，將管道使用壽命延長(zhǎng)了2倍以上。

3.4 罐室消防給排水

3.4.1 罐室消防系統(tǒng)

該覆土油庫消防安全設(shè)施設(shè)計(jì)已達(dá)國內(nèi)頂尖水平。覆土立式油罐消防采用移動(dòng)式低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)和移動(dòng)式防護(hù)冷卻系統(tǒng)結(jié)合的方式，其中冷卻系統(tǒng)用水由室外消火栓提供，通過消防水帶、消防水槍進(jìn)行防護(hù)冷卻，室外消火栓用水由消防水泵通過消防管網(wǎng)提供。

覆土油罐發(fā)生爆炸時(shí)，往往會(huì)造成罐室拱頂薄殼坍塌，進(jìn)而砸壞油罐，造成油罐油品泄漏或流散，一旦著火，人員無法接近油罐進(jìn)行滅火。薄殼及罐體的破壞部位的情況通常也比較復(fù)雜，即使設(shè)置液上或液下泡沫噴射裝置，也難以保證其不被砸壞。泡沫槍或者泡沫炮也很難將泡沫直接噴入罐內(nèi)。故建設(shè)人員不應(yīng)為撲救油罐的直接火災(zāi)而盲目加大投資，而應(yīng)為可能發(fā)生的油品流散火災(zāi)設(shè)置或配備一定能力的泡沫滅火系統(tǒng)，以防火災(zāi)蔓延。

目前我國已建成的覆土油罐移動(dòng)泡沫消防系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)方式：一種方式是在10 000 m3罐室和消防道之間設(shè)置2條泡沫混合液管線和2個(gè)固定接口，在罐室內(nèi)部頂部沿周長(zhǎng)方向設(shè)4個(gè)泡沫發(fā)生器，本項(xiàng)目采用的是這種方式。該設(shè)計(jì)徹底改進(jìn)了國內(nèi)覆土罐室消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為相同類型油庫的設(shè)計(jì)開創(chuàng)了先例。另外一種方式是采用泡沫液、泡沫比例混合裝置，泡沫炮、泡沫槍和水帶等滅火設(shè)施由泡沫消防車提供，混合液用水由罐區(qū)周圍的罐室外消火栓提供。消火栓周圍設(shè)消防報(bào)警按鈕，可同時(shí)向消防中心和消防泵房報(bào)警，顯示著火區(qū)域，并就地響鈴?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，庫區(qū)泡沫消防車提供泡沫液及泡沫比例混合裝置，就近從火災(zāi)區(qū)域內(nèi)的室外消火栓取水制備泡沫混合液，對(duì)火災(zāi)區(qū)域?qū)嵤缁稹４朔绞娇晒?jié)約一定資金。

3.4.2 罐室排水系統(tǒng)

在罐室排水方面，覆土油罐設(shè)計(jì)人員優(yōu)化了排污管線的設(shè)計(jì)。罐室內(nèi)含油污水排水管道與罐室滲水管道合用一套罐區(qū)排水外線，接至污油池，含油污水由移動(dòng)式油水分離器處理達(dá)標(biāo)后排出庫區(qū)。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在操作間積水坑內(nèi)兩管合一的排水管上開孔，加設(shè)閘閥，兼做事故應(yīng)急處置接口。

3.5 罐室自控儀表

庫區(qū)采用國內(nèi)先進(jìn)的自控、安防及信息管理系統(tǒng)。

罐區(qū)分監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制箱采集每個(gè)罐內(nèi)油料的液位、密度、溫度、可燃?xì)怏w濃度、高低液位報(bào)警的狀態(tài)信號(hào)，并將這些信號(hào)進(jìn)行處理，換算出油料的質(zhì)量，隨后由監(jiān)控計(jì)算機(jī)把處理后的數(shù)據(jù)送至中控室數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。罐室內(nèi)的液位監(jiān)控選用擁有國際頂尖技術(shù)的磁致伸縮液位儀和音叉液位開關(guān)，從軟件和硬件兩方面對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保不發(fā)生溢油事故。

油罐區(qū)設(shè)有完善的攝像監(jiān)控、門禁、巡更和入侵報(bào)警系統(tǒng)：罐區(qū)入口、單罐周邊設(shè)可控?cái)z像頭；罐區(qū)入口及單罐入口設(shè)門禁；單罐罐頂、罐室最內(nèi)端和操作間內(nèi)設(shè)巡更點(diǎn)；沿罐區(qū)周邊設(shè)入侵報(bào)警系統(tǒng)。

信息管理系統(tǒng)與自控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接，各系統(tǒng)可以相互訪問數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)運(yùn)管控的一體化。

4 覆土油罐的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)措施

與地面庫、洞庫相比，結(jié)構(gòu)特殊的覆土油罐具有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 優(yōu)點(diǎn)

(1)覆土油罐具有很好的防護(hù)能力和抗打擊能力。作為軍隊(duì)和國家優(yōu)選儲(chǔ)備油庫的覆土油罐，通過罐室覆土、合理綠化和通道口的技術(shù)偽裝，能夠極大提高隱蔽效果，降低戰(zhàn)時(shí)被敵人偵察發(fā)現(xiàn)的可能性，大大提高油庫的生存能力。

(2)覆土油罐具有良好的儲(chǔ)存條件，利于保證油品品質(zhì)。罐室內(nèi)長(zhǎng)年溫度恒定，能夠減少油品的蒸發(fā)損耗，同時(shí)也減少了油品揮發(fā)對(duì)大氣造成的污染。

(3)覆土油罐具有全攔油或半攔油功能。獨(dú)立的鋼筋混凝土覆土罐室在事故狀態(tài)能夠阻止油品流散，不僅能為搶險(xiǎn)贏得時(shí)間，同時(shí)也降低了對(duì)其相鄰油罐的威脅。

4.2 缺點(diǎn)

(1)覆土油罐易聚集油氣，增加了油罐著火爆炸的危險(xiǎn)性。覆土罐室是封閉的空間，通常采用自然通風(fēng)方式排除油蒸氣，容易造成油氣積聚，帶來嚴(yán)重的安全隱患。

(2)覆土油罐空間小，采光條件差，不便于日常操作人員實(shí)施維護(hù)作業(yè)。日常操作人員作業(yè)、清洗油罐以及除銹涂漆等維護(hù)工作均受到罐室的制約。

(3)覆土油罐造價(jià)高，工藝要求嚴(yán)。建設(shè)覆土油罐需要挖填土方、砌護(hù)體，另外還需要對(duì)罐室做防水處理，這些都使得工程造價(jià)提升。以單罐容10 000 m3油罐為例，地面油罐造價(jià)僅為覆土油罐造價(jià)的45%～55%。

4.3 改進(jìn)措施

(1)覆土油罐偽裝應(yīng)根據(jù)油庫功能，本著“有效、經(jīng)濟(jì)、適用、耐久”的原則，結(jié)合油罐及其周圍環(huán)境特點(diǎn)和綠化工作，充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，以自然偽裝為主，人工技能偽裝為輔進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用日益先進(jìn)的多變化、多頻段偵察手段，以此實(shí)現(xiàn)綜合偽裝。同時(shí)為保證偽裝的連續(xù)性，偽裝應(yīng)貫穿油庫勘察、設(shè)計(jì)、施工及使用管理的全過程。

(2)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮到建設(shè)覆土油罐開挖后的土石方堆放方式，在將土石方用于構(gòu)筑道路、擋墻護(hù)坡和防洪排水等工程的基礎(chǔ)上，應(yīng)使剩余石方堆放與臨近自然地貌協(xié)調(diào)。

(3)建議設(shè)計(jì)人員在罐室內(nèi)設(shè)機(jī)械通風(fēng)設(shè)備。設(shè)置機(jī)械通風(fēng)設(shè)備時(shí)應(yīng)注意通風(fēng)量的確定、通風(fēng)系統(tǒng)材料的選擇、通風(fēng)出入口標(biāo)高的確定以及風(fēng)機(jī)房的設(shè)置問題。

(4)罐室及操作間內(nèi)宜設(shè)可燃?xì)怏w濃度自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警裝置，且自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警裝置應(yīng)與機(jī)械通風(fēng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)，以此確保油氣濃度超標(biāo)時(shí)，機(jī)械通風(fēng)設(shè)備可自動(dòng)打開風(fēng)機(jī)通風(fēng)。

(5)在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮自然環(huán)境、自然條件，在滿足油庫設(shè)計(jì)使用功能的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡最大可能減少對(duì)土壤、水源、森林、植被等的影響。

5 結(jié)語

建設(shè)覆土油罐有利有弊。建設(shè)覆土油罐需要從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，綜合考慮油庫功能定位、建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)地形等要求，通過技術(shù)分析和理論計(jì)算，提出合理的覆土油罐標(biāo)高、罐室結(jié)構(gòu)以及消防排水、防雷接地等設(shè)計(jì)方案，解決好通風(fēng)、防衛(wèi)、偽裝等相關(guān)問題，提升覆土油罐施工建設(shè)的技術(shù)支持。唯有如此，建成后的覆土油罐才能高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。