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摘 要：文章通过对甲醇储罐锚固的计算，锚固型式的对比选择，最终选择了合适的锚固型式。文章对计算和选型进行了总结与思考，分析了储罐发生倾覆的主要原因及设置锚固的主要原因。
关键词：大型储罐;锚固;设计
中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）07-026-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.013
SH 3046-1992附录三中提到“内压力产生的升力大于罐顶、罐壁，以及由他们支撑的构件的重力时，储罐应设置锚栓”[1]。GB 50341-2003附录A中提到“当内压产生的升力大于罐顶、罐壁及其所支撑的构件的总重时，油罐应加锚固”[2]。GB 50341-2014不但考虑了储罐内压产生的提升力，还把风载荷、地震载荷、破坏压力对储罐的倾覆力矩计入。
1 甲醇储罐的设计数据
某项目需要增加一台甲醇储罐，经计算已确定罐壁、罐底、罐顶的厚度及结构。甲醇储罐的工艺及部分设备设计数据如表1所示。
2 计算锚固
设置锚固的目的主要是保护底圈罐壁板与罐底连接处的焊缝。设置锚固后，罐壁传递的举升力通过筋板传递到锚栓，从而使罐壁与罐底的焊缝免受拉力。
2.1 内压力产生的举升力
内压力按设计最高压力取2 000Pa，受力面积约为165m2，产生的举升力为330 000N。罐壁、罐顶及其所支撑构件的重量约为67 475kg，其产生的重力为674 750N。设计内压产生的举升力不大于罐壁、罐顶及其所支撑构件的总重，可不设置锚固。
2.2 风弯矩产生的举升力
当R=1.2D时，
式（1）、式（2）中，A为罐顶的迎风面积，H0为储罐的重心高度，D为储罐直径，H为罐壁总高。
风载荷产生的风弯矩为：
式（3）中，Mw为风弯矩，q0为基本风压，A1为罐体和罐顶的迎风面积。通过式（1）、式（2）、式（3）得出风弯矩为Mw，为993 431N.m。风弯矩使迎风侧罐底脱离地面为倾覆力矩Mw，而储罐自身重力产生相反的力矩为反倾覆力矩M0，如图1所示。f点为力矩平衡点，计算M0为1 183 200N.m。M0>Mw，即使在空罐情况下，风载也不会使储罐倾覆。
这里还应考虑风载荷对大罐产生的滑移[3]。储罐底板与基础之间摩擦力大于风载荷，储罐就不会在风载荷作用下产生滑移。底板与基础之间的摩擦力按式（4）计算。
式中，μ为摩擦系数，取0.4;m为储罐空重;g为重力加速度。计算得出底板与基础之间的摩擦力为326 400N，风载荷可通过式（3）得出为165 571N。因F>Fw，所以空罐在风载荷作用下也不会发生滑移，可不设置锚固。
2.3 地震弯矩产生的举升力
地震弯矩的计算应根据GB 50341-2014附录D，经计算得出地震弯矩M1为12 604 684N.m。计算重力产生反倾覆力矩时应考虑储液的重量，反倾覆力矩M0为11 916 100N.m。此时，虽然地震弯矩大于储罐及储液的反倾覆力矩，但锚固系数J=1.216<1.54，可不设置锚栓。
2.4 破坏力产生的举升力
根据GB 50341-2014附录D计算储罐的破坏力Pf为10 780Pa。破坏力对罐顶产生的力为1 778 700N，远大于罐顶和罐壁及其附件产生的重力674 750N，应设置锚栓。GB 50341-2014表11.2.3中标明，罐顶板与罐壁采用弱顶连接结构时的破坏力载荷为：（3×Pf-0.08th）×D?×785-W3。其中，th为罐顶板名义厚度，W3为罐壁及其附件的重量。由公式可以看出，此载荷比破坏力还要大，在此载荷下弱顶结构的罐顶会整体脱离罐壁，这正是弱顶结构的用处。甲醇发生爆炸时，弱顶连接的罐顶容易与罐壁脱落，罐壁以下则保持完好，这样可避免物料发生泄漏而造成更大的火灾[4]。甲醇储罐需设置为弱顶结构时，需要设置锚固。
3 甲醇储罐锚固结构的选择
对于储罐锚固结构的具体尺寸，可參照塔器地脚螺栓结构尺寸进行设计，然后对盖板、筋板、螺栓直径进行校核计算。大型储罐锚固型式大体分为：（1）无盖板无筋板;（2）无盖板有筋板;（3）有盖板、有筋板，如图2所示。有时，筋板与罐壁的连接处设置补强板，防止筋板与罐壁的焊缝发生破坏时损伤罐壁。盖板对罐壁产生较大的局部应力时，垫板还能对此处进行加强，带垫板的结构见图2中的第（4）。当局部应力较大时，也可以设置加强环，具体结构见图2中的第（5）。锚固设置加强环和整体盖板结构较少，因为影响底部接管和其他附件的设置。经计算，甲醇储罐的锚固结构选用图2中第（4）的结构。
4 对于锚固设置的思考
笔者通过对甲醇储罐锚固结构进行设计，对储罐锚固设计有以下几点思考：
当设计压力较低时，比如甲醇储罐为2 000Pa，产生的举升力较低，可不设置锚固。当内压较大时，比如微内压油罐的设计压力可以是18kPa，此时产生的举升力较大，即破坏力很大。大型储罐的设计压力不应设置得太高，应设置呼吸阀或通气装置，使储罐内压保持较低状态。
风压对锚固设置的影响较小，一般情况下储罐本身的重量就可以抵御风压的举升力和滑移力。如果加上储液的质量，风压对其的影响更小。
地震对锚固的影响主要是，地震使储液晃动而产生的载荷使储罐发生倾覆。储液的高度和储罐的直径，对其载荷影响较大。
采用弱顶结构的储罐在发生破坏时，破坏力比罐顶、罐壁及其附件的重量大很多。为了储罐安全考虑，采用弱顶结构的储罐应设置锚固结构[5]。
5 结语
文章通过甲醇储罐锚固的设计，引起对大型储罐锚固设计的思考。对于锚固设计，还有很多细节内容有待广大读者共同研究，以便发现更为简单、实用的计算方法或锚固型式。
参考文献
[1] SH 3046-1992，石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范[S].北京：中国石油化工总公司勘察院出版车间，1992.
[2] GB 50341-2014，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].北京：中国计划出版社，2015.
[3] 徐英，杨一凡，朱萍，等.球罐和大型储罐[M].北京：化学工业出版社，2005.
[4] 丁宇奇，刘巨保，刘健壮，等.立式拱顶储罐抗压环结构与弱顶性能分析[J].石油化工设备，2012，41（5）：24-28.
[5] 朱萍，石建明.大型立式圆筒形储罐设计中几个问题的探讨[J].化工装备技术，2006（4）：19-24.
关键词：大型储罐;锚固;设计
中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）07-026-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.013
SH 3046-1992附录三中提到“内压力产生的升力大于罐顶、罐壁，以及由他们支撑的构件的重力时，储罐应设置锚栓”[1]。GB 50341-2003附录A中提到“当内压产生的升力大于罐顶、罐壁及其所支撑的构件的总重时，油罐应加锚固”[2]。GB 50341-2014不但考虑了储罐内压产生的提升力，还把风载荷、地震载荷、破坏压力对储罐的倾覆力矩计入。
1 甲醇储罐的设计数据
某项目需要增加一台甲醇储罐，经计算已确定罐壁、罐底、罐顶的厚度及结构。甲醇储罐的工艺及部分设备设计数据如表1所示。
2 计算锚固
设置锚固的目的主要是保护底圈罐壁板与罐底连接处的焊缝。设置锚固后，罐壁传递的举升力通过筋板传递到锚栓，从而使罐壁与罐底的焊缝免受拉力。
2.1 内压力产生的举升力
内压力按设计最高压力取2 000Pa，受力面积约为165m2，产生的举升力为330 000N。罐壁、罐顶及其所支撑构件的重量约为67 475kg，其产生的重力为674 750N。设计内压产生的举升力不大于罐壁、罐顶及其所支撑构件的总重，可不设置锚固。
2.2 风弯矩产生的举升力
当R=1.2D时，
式（1）、式（2）中，A为罐顶的迎风面积，H0为储罐的重心高度，D为储罐直径，H为罐壁总高。
风载荷产生的风弯矩为：
式（3）中，Mw为风弯矩，q0为基本风压，A1为罐体和罐顶的迎风面积。通过式（1）、式（2）、式（3）得出风弯矩为Mw，为993 431N.m。风弯矩使迎风侧罐底脱离地面为倾覆力矩Mw，而储罐自身重力产生相反的力矩为反倾覆力矩M0，如图1所示。f点为力矩平衡点，计算M0为1 183 200N.m。M0>Mw，即使在空罐情况下，风载也不会使储罐倾覆。
这里还应考虑风载荷对大罐产生的滑移[3]。储罐底板与基础之间摩擦力大于风载荷，储罐就不会在风载荷作用下产生滑移。底板与基础之间的摩擦力按式（4）计算。
式中，μ为摩擦系数，取0.4;m为储罐空重;g为重力加速度。计算得出底板与基础之间的摩擦力为326 400N，风载荷可通过式（3）得出为165 571N。因F>Fw，所以空罐在风载荷作用下也不会发生滑移，可不设置锚固。
2.3 地震弯矩产生的举升力
地震弯矩的计算应根据GB 50341-2014附录D，经计算得出地震弯矩M1为12 604 684N.m。计算重力产生反倾覆力矩时应考虑储液的重量，反倾覆力矩M0为11 916 100N.m。此时，虽然地震弯矩大于储罐及储液的反倾覆力矩，但锚固系数J=1.216<1.54，可不设置锚栓。
2.4 破坏力产生的举升力
根据GB 50341-2014附录D计算储罐的破坏力Pf为10 780Pa。破坏力对罐顶产生的力为1 778 700N，远大于罐顶和罐壁及其附件产生的重力674 750N，应设置锚栓。GB 50341-2014表11.2.3中标明，罐顶板与罐壁采用弱顶连接结构时的破坏力载荷为：（3×Pf-0.08th）×D?×785-W3。其中，th为罐顶板名义厚度，W3为罐壁及其附件的重量。由公式可以看出，此载荷比破坏力还要大，在此载荷下弱顶结构的罐顶会整体脱离罐壁，这正是弱顶结构的用处。甲醇发生爆炸时，弱顶连接的罐顶容易与罐壁脱落，罐壁以下则保持完好，这样可避免物料发生泄漏而造成更大的火灾[4]。甲醇储罐需设置为弱顶结构时，需要设置锚固。
3 甲醇储罐锚固结构的选择
对于储罐锚固结构的具体尺寸，可參照塔器地脚螺栓结构尺寸进行设计，然后对盖板、筋板、螺栓直径进行校核计算。大型储罐锚固型式大体分为：（1）无盖板无筋板;（2）无盖板有筋板;（3）有盖板、有筋板，如图2所示。有时，筋板与罐壁的连接处设置补强板，防止筋板与罐壁的焊缝发生破坏时损伤罐壁。盖板对罐壁产生较大的局部应力时，垫板还能对此处进行加强，带垫板的结构见图2中的第（4）。当局部应力较大时，也可以设置加强环，具体结构见图2中的第（5）。锚固设置加强环和整体盖板结构较少，因为影响底部接管和其他附件的设置。经计算，甲醇储罐的锚固结构选用图2中第（4）的结构。
4 对于锚固设置的思考
笔者通过对甲醇储罐锚固结构进行设计，对储罐锚固设计有以下几点思考：
当设计压力较低时，比如甲醇储罐为2 000Pa，产生的举升力较低，可不设置锚固。当内压较大时，比如微内压油罐的设计压力可以是18kPa，此时产生的举升力较大，即破坏力很大。大型储罐的设计压力不应设置得太高，应设置呼吸阀或通气装置，使储罐内压保持较低状态。
风压对锚固设置的影响较小，一般情况下储罐本身的重量就可以抵御风压的举升力和滑移力。如果加上储液的质量，风压对其的影响更小。
地震对锚固的影响主要是，地震使储液晃动而产生的载荷使储罐发生倾覆。储液的高度和储罐的直径，对其载荷影响较大。
采用弱顶结构的储罐在发生破坏时，破坏力比罐顶、罐壁及其附件的重量大很多。为了储罐安全考虑，采用弱顶结构的储罐应设置锚固结构[5]。
5 结语
文章通过甲醇储罐锚固的设计，引起对大型储罐锚固设计的思考。对于锚固设计，还有很多细节内容有待广大读者共同研究，以便发现更为简单、实用的计算方法或锚固型式。
参考文献
[1] SH 3046-1992，石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范[S].北京：中国石油化工总公司勘察院出版车间，1992.
[2] GB 50341-2014，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].北京：中国计划出版社，2015.
[3] 徐英，杨一凡，朱萍，等.球罐和大型储罐[M].北京：化学工业出版社，2005.
[4] 丁宇奇，刘巨保，刘健壮，等.立式拱顶储罐抗压环结构与弱顶性能分析[J].石油化工设备，2012，41（5）：24-28.
[5] 朱萍，石建明.大型立式圆筒形储罐设计中几个问题的探讨[J].化工装备技术，2006（4）：19-24.