我國覆土式鋼制儲存容器研究與應用進展

王澤武，張浩然，范海貴

（大連理工大學化工機械與安全系，遼寧大連 116024）

儲罐作為存放酸、堿、醇等氣態或液態化學物質的一種特種設備，在我國現代化工業發展中起到了重要作用?，F有的各類儲罐一般放置于地表之上，而且大多以儲罐群的形式集中布置于某一區域，儲罐群不僅占用大量土地資源，而且一旦發生爆炸事故，容易產生多米諾效應［1］，引發災難性后果。

在世界各國對環境保護高度重視和對碳排放不斷加大控制力度的大形勢下，國內外學者都在不斷加大科技創新力度，探求新型綠色化工裝備發展之路。在此背景下，自2009年以來，我國逐步開始嘗試把儲罐埋入地下，有多個覆土儲存容器項目已經建成。據文獻報道，江西國家石油儲備庫覆土罐試車一次成功［2］，臺塑重工麥寮廠建造了110 余座覆土儲罐［3］，山東京博石化控股有限公司建造了6 臺乙烯覆土儲罐［4］。此外，采用覆土式儲罐存儲液化烴，不僅可以減少液化烴擴散造成的對環境污染問題，降低儲罐群連鎖爆炸風險，而且還可以節省土地資源，改善地表生態環境。2022-07 我國發布了首個覆土罐的團體標準T/CPASE GP020—2022 《覆土式鋼制儲存容器通用要求》［5］，2023-03 組織召開了 《覆土式鋼制儲存容器設計規范》團體標準的審查會議，表明覆土罐在我國即將迎來快速發展。

1 覆土式儲存容器定義

T/CPASE GP020—2022 《覆土式鋼制儲存容器通用要求》定義的覆土式儲存容器為，在環境溫度下用于儲存介質的容器，容器外表面全部被覆土層覆蓋，且頂部和周圍都覆有不小于0.5 m 厚的土層，僅有相關工藝接管如人孔，各類進料、放空、壓力、溫度檢測管，以及設備安全附件等伸出于覆土層之外，常用來存儲各種油品，也稱作覆土式儲罐。

覆土式儲罐根據其形狀和安裝方式又可分為3 類，分別是覆土式臥式鋼制儲存容器、覆土式立式鋼制儲存容器和覆土式球形鋼制儲存容器。

2 我國覆土式儲存容器應用現狀

2.1 覆土式臥式鋼制儲罐（子彈罐）

典型的覆土式臥式儲罐基本結構及現場工況見圖1，其罐體為長圓筒形，兩端為半球形封頭，因形狀與子彈相似，也被稱為覆土子彈罐（Mounded Bullet）［6］。安裝時，覆土子彈罐置于沙床之上，沙床要求鋪在沉降均勻的平整地面上，同時要用土層將罐體的外表面完全覆蓋，相關的工藝接管需要伸出于土層之外，以便于物料的進出和數據的監測。

圖1 覆土式臥式儲罐基本結構及現場工況示圖

在19 世紀末期，歐美等發達國家首先開始使用覆土臥式儲罐來替代球形儲罐儲存液化石油氣（LPG）。相比于露天安置的球罐儲存裝置，覆土子彈罐的安全系數更高。覆土子彈罐可以完全消除液體沸騰引發蒸汽爆炸的隱患，降低了發生災害時易燃、易爆物質的擴散程度，逐漸取代了露天安裝的大型球形儲罐。

21 世紀以來，歐美的一些發達國家，如德國，已經開始大量使用臥式覆土LPG 儲罐，禁止再建造大型球形儲罐。臺塑麥寮工業園區考慮到液化烴儲存的安全性問題，從德國引進了覆土式子彈罐來取代球罐，覆土儲罐現已達110 套以上，并且還在繼續擴建［7］。

2023年，廣東湛江巴斯夫一體化基地正在籌建6 座覆土子彈罐。近些年，國內也開始研究覆土子彈罐。在缺少設計標準和技術經驗的情況下，通過自主開發和對國外設計標準的學習，實現了國內少量覆土子彈罐的應用［4］。

2.2 覆土式立式儲罐

典型的覆土式立式儲罐由罐室、操作間和通道3 部分組成，其基本結構和現場工況見圖2。罐體為直立圓筒形，罐頂一般采用矢跨比1/4～1/6 的球形薄殼。覆土式立式儲罐安裝在地下掩體內，掩體由防護墻［8］和頂蓋組成。防護墻用磚、石、混凝土預制砌筑，或通過現場澆筑混凝土形成。通常情況下，罐室的球殼頂與墻頂混凝土圈梁連成整體，罐頂覆土厚度不小于0.5 m。為了操作便捷和方便檢修，有的儲罐在構筑時會加裝罐室走廊，其寬度一般為1 m 左右。覆土式立式儲罐適用于在低山、丘陵等凹凸地形地帶建設，是軍隊和國家成品油儲備經常用的一種儲罐形式。立式儲罐的容量一般為300～3 000 m3。

圖2 覆土式立式儲罐基本結構及現場工況示圖

覆土式立式儲罐能有效減少油品蒸發損耗，對空具有一定的隱蔽防護能力，被應用于軍隊和國家成品油儲備中。目前，覆土式立式儲罐已經得到了較為廣泛的應用，具有相對成熟的標準。其設計依據是實際需要和GB 50074—2014《石油庫設計規范》［9］。

覆土式立式儲罐的構筑形式主要分為3 種，①覆土單體立式儲罐。單獨一個罐室，罐室內僅有一個儲罐，掩體外覆土，隱蔽且保溫。②覆土房間式立式儲罐。罐室內設有多個立式儲罐。③不帶覆土掩體的立式儲罐。該類儲罐的罐底標高一般與其周圍標高落差很小，掩體外沒有覆土。20 世紀80年代和90年代，部分機場的油庫使用了該類儲罐，其初始目的是增加儲罐的隱蔽性［10］。

2.3 覆土球罐

2.3.1 一般特點

覆土球罐具有球形儲罐的一般特點。球形儲罐是一種大容量的承壓儲存容器，具有受力均勻、結構簡單、承載能力強、在相同容積下相比其它外形儲存容器所需要的材料表面積更小、制造周期較短等優點，在石油、化工等行業被廣泛大量使用，常常以球罐群的形式出現在罐區（圖3）。

圖3 中國云南1 000 萬t/a 煉油項目球罐群現場

球罐作為特種設備，安全性問題是極其重要的。地上球罐經常面臨的問題就是介質泄漏，以及泄漏導致的爆炸事故。球罐儲存介質一般都是易燃、易爆的化工物料，一旦發生火災爆炸事故，其爆炸沖擊產生的碎片［11］和熱浪會快速影響到周圍的儲罐，形成多米諾效應，產生嚴重的危害。

2.3.2 突出特點

覆土球罐將球罐安置于土層下，借助土壤的隔離保護作用可有效防止多米諾效應的發生。覆土球罐主要由球罐罐體及其裙座、接管、儀表及覆土等輔助結構構成，其結構模型見圖4。

圖4 覆土球罐結構模型圖

覆土球罐相比地上球罐優點更加突出，主要體現在，①不受紫外線照射，外部環境影響小，可以有效地減少油品蒸發損耗，有益于儲罐的安全防火和儲存油品質量的穩定。覆土球罐密閉性較好，且頂部和周圍都覆有一定厚度的土，因此罐室內溫度比較穩定，受大氣環境溫度的影響較小，有利于減少儲罐小呼吸蒸發損耗，延緩油品變質。②可以做到不占用好地和基本糧田，且不用設置防火堤，降低工程成本。③具有一定的對空隱蔽防護能力，比較安全，建成后可與周圍地形基本協調。覆土球罐通過覆土及植被的遮蓋，能減少被偵查發現和遭襲擊的可能性。而且，儲罐與周圍建筑基本協調，有一定的防護能力，既可以一定程度上抵御外部襲擊，又可以在儲罐著火爆炸后阻止油品漫流，減輕對相鄰儲罐的影響程度。

覆土球罐的缺點主要表現在建設費用和土方挖填量方面，其建設費用一般為地上儲罐的1.5～1.7 倍，土石方挖填量一般為儲罐容量的3.5～4.5 倍，因此把現有球罐改造為覆土球罐的成本較高。

迄今為止尚未見到國內外對覆土球罐應用情況的報道，僅有大連理工大學研究團隊通過實驗室試驗和軟件模擬，研究了覆土球罐耐壓性與安全性的問題，初步探討了覆土球罐土的壓力計算方法［12］。

3 覆土式儲存容器應用現狀

覆土式立式儲罐、埋地管道應用比較成熟，經驗也很豐富，均有相應的管理規范出臺。但是覆土式臥式儲罐（子彈罐）國內研究較少，覆土式球罐國內外鮮有研究，下面著重圍繞覆土子彈罐和覆土式球罐進行研究現狀分析。

3.1 基礎研究不足

覆土子彈罐與地上臥式儲罐相比，容器不僅承受介質的壓力和物料的重力，在設計時還要充分考慮土層壓力對設備安全的影響。四周的覆土壓力可能會使覆土儲罐由內壓容器轉變為外壓容器，且易使儲罐發生變形失穩，外壓失穩是覆土壓力容器的主要失效模式之一［13］。

國內目前沒有明確的標準來計算土壓力?，F有計算方法所用的埋地管道周圍土層應力分布見圖5［14］。

圖5 埋地管道土層應力分布

此方法是根據土力學基礎，考慮土層對罐體附加了外壓作用，在計算土壓力時將土層壓力作為均布載荷處理后而得到的。由于研究不夠充足，對于覆土子彈罐筒體所受最大土層壓力作用點位的確定，國內目前沒有統一的結論，因為覆土子彈罐承受的最大法向靜壓力不是固定的，而是隨著埋深和儲罐筒體半徑的變化而變化［15］。從理論角度分析，將土層視作均勻載荷的條件存在問題，埋地罐置于土層內部會產生新的邊界條件，應力分布因此也變得復雜。

我國覆土球罐的穩定性研究還處于起步階段，對非線性土壓力引起的非均勻失穩機理尚需研究。圓筒形容器穩定性安全設計系數為3，而球形容器安全設計系數取14.52，表明球形容器穩定性設計的初始缺陷影響大，可靠性低，臨界失穩載荷計算困難，而非線性土壓力引起的非均勻失穩機理更增加了這一難度，尚需深入研究。

覆土壓力的計算是有待研究的重要環節，除此之外，覆土儲罐的設計還需要以下參數，分別是罐體自重載荷、儲液自重載荷、罐體設計壓力、罐體設計負壓、因罐體不均勻支撐導致的剪切力、罐體軸向載荷、地震載荷等。

非均勻受熱工況下覆土式容器罐體會承受不均勻軸向擠壓，使容器失穩的風險增加，因此熱膨脹也是覆土式容器設計分析時需要考慮的重要因素之一［16］。

罐安裝于土壤之下，可能部分或者全部位于地下水位以下，即使位于地下水位以上，在雨季或洪水時期也可能被水淹沒，因此應當考慮土壤浸水后對容器的浮力影響，對覆土容器進行抗浮驗算。當容器自重和土壓力不能滿足不浮起的要求時，需要將儲罐和混凝土基礎或專門設置的錨墩固定在一起以達到要求［17］。目前，子彈罐有抗浮驗算的計算公式，覆土球罐還沒有這方面具體的公式。

地震也會對覆土儲罐造成影響，地震產生的局部應力易使儲罐發生菱形屈曲和象足屈曲，中國石油化工集團有限公司等單位對其屈曲現象進行了部分試驗，得到了部分試驗數據。在今后的工作中，也需要著重考慮地震載荷對覆土儲罐造成的形變影響［18］。

3.2 缺少成熟規范

雖然國內剛剛頒布了 《覆土式鋼制儲存容器通用要求》，但覆土儲罐的詳細設計計算尚在征求意見中，設計時主要依據EEMUA PUB NO.190—2000《Guide for the Design，Construction and Use of Mounded Horizontal Cylindrical Steel Vessels for Pressurized Storage of LPG at Ambient Temperatures》[6]（ 以下簡稱EEMUA 190 指南）、ASME BPVC Ⅷ—2017《Rules for Construction of Pressure Vessels》[19]第1 部和第2 部（以下簡稱ASME BPVC Ⅷ-1 和ASME BPVC Ⅷ-2 ），部分設計還要滿足PD 5500—2021《SpecificationforUnfiredPressure Vessels》[20]中的相關要求。EEMUA190 指南是基于德國Karlsruhe 大學Mang F 的研究成果編制的，給出了彎矩、法向力和剪切力的計算法則［21］。我國目前的覆土子彈罐的設計主要參考的是EEMUA190 指南，通過計算得到各個載荷后，利用有限元分析軟件對設備進行強度校核，主要內容是針對不同的工況分析儲罐的應力分布和位移變化。

大型球罐的設計方面，國內外已經有了相應的標準規范，例如GB 150—2011《壓力容器》［22］、GB 12337—2014《鋼制球形儲罐》［23］等，但這些規范的分析還是偏保守。球形容器的穩定性復雜，初始幾何缺陷敏感性高［24］，其覆土之后的受力分析更具難度。迄今為止，對于覆土球罐的設計還沒有成熟的規范可用于參考。

3.3 缺少成熟經驗

覆土子彈罐在國外發展較快，作為一種LPG的常溫存儲設備，廣泛應用于歐盟及美洲等地區，亞洲、非洲地區也在逐步推廣。EEMUA 190 指南提供了一種由土壤支撐子彈罐的載荷、應力計算方法，加拿大學者RADOSLAV STEFANOVIC 等［25］根據EEMUA 190 指南分析了鞍座支撐的覆土子彈罐的載荷計算，給出了跨度和支座處多個鞍座反作用力和彎矩的計算方法，提出了一種簡化的評估鞍座間差異沉降影響的方法。印度學者C K MUKHOPADHYAY 等［26］研究通過分析聲發射信號的方法，檢測覆土儲罐的焊接完整性。但是國內發展較緩，雖然有少量覆土子彈罐已經投入到應用中，但對于覆土罐的設計、校核、安裝和檢測，國內仍缺少成熟的經驗。

針對國內大型覆土子彈罐的設計技術空白現狀，高建平等［27］參照地上儲罐的設計過程，提出了覆土儲罐殼體厚度的計算步驟。劉月龍［28］總結了覆土儲罐的宏觀檢驗要點，為覆土儲罐的檢驗提供了一定基礎。姜珊等［21］進行了國內首例大型臥式3 000 m3LPG 覆土子彈罐的設計及仿真分析，總結得到地震對罐體的應力影響不大，但是對其沉降有較大的影響，且中間部位較為明顯，正常工況和水壓試驗下罐體沒有達到屈服點，且有余量，設計合理，其安全性也得到了驗證。姜珊等在設計時參考的依據是EEMUA 190 指南、ASME ⅧBPVC-1 和ASME BPVCⅧ-2 ，其設計的成功為國內今后的覆土子彈罐的設計奠定了一定基礎。陸青松等［29］同樣也以臥式3 000 m3LPG 覆土子彈罐為例，參考EEMUA 190 指南和ASME BPVC Ⅷ-2 規范，設計出子彈罐的主要尺寸，進行計算校核后，利用ANSYS 有限元軟件對罐體主體結構進行仿真分析, 總結得到端部覆土壓力是決定封頭厚度的主要因素。楊國強等［30］也采取了類似的方法，并使用ANSYS Workbench 進行了罐體應力的有限元分析。上述研究成果為國內覆土子彈罐的設計和校核，以及建立屬于我國自己的覆土子彈罐設計規范提供了有價值的經驗。

對于覆土球罐的設計，國內外目前都缺少成熟的經驗，也未見相關應用報道。大連理工大學對覆土球罐的耐壓與安全性問題展開了初步研究，對覆土球罐的屈曲行為進行了數值分析和試驗驗證，對覆土球罐土壓的計算方法進行了探討，其計算方法的研究為覆土球罐的設計計算提供了一定的參考。覆土球罐的設計還需要大量的研究和試驗來積累經驗，形成規范。

3.4 投資收益比低

覆土儲罐的研究和設計投資收益比較低。覆土儲罐安置于地下，需要進行土壤的挖掘和填埋，較地上儲罐相比，覆土儲罐的安裝過程中需要消耗更多人力和資源，通常覆土儲罐的建設費用為地上儲罐的1.5～1.7 倍，土石方挖填量一般為儲罐容量的3.5～4.5 倍，這導致了覆土儲罐建設的成本高［31-32］。同時，在實際生產過程中，一旦覆土儲罐發生泄漏，將會導致土壤和地下水的污染，需要較多的維修保養。由于罐體覆土，腐蝕狀況難以檢測［33］，檢修的難度大，防腐成本也較高［34］。

基于以上問題，目前覆土式鋼制儲罐發展仍比較緩慢，尤其是覆土式球罐至今未見工業應用。但是隨著環境保護、安全要求和土地資源利用等方面的需要，會引起越來越多的重視和快速發展。

4 結束語

與其他傳統儲罐相比，覆土式儲罐在安全服役、環境保護、土地節約等方面有著明顯的優點，具有很好的應用前景。但是，目前應用最大困難在于覆土儲罐載荷及失效理論研究還不夠充足，尤其是覆土球罐的非線性土壓力、不均勻熱膨脹下熱屈曲問題處于空白，同時還缺少必要的設計規范，以及國家政策的扶持，如果以上問題得不到有效解決，覆土儲罐尤其是覆土球罐難以得到快速發展。