李 超

（胜帮科技股份有限公司，上海 201210）

锚固是大型石油储罐的抗风和抗震功能组件，具有重要的安全保障作用，应该结合使用条件合理设置并进行设计校算。目前锚固设计只有通用性标准规范条款，相关规范和方法应用于实际工程项目的设计时，需要设计者将已知技术参数、条件合理落实为一般规范算法的输入参数和条件,这种需要引发了许多研究与探讨[1-9]。文中辨析了锚固与塔器地脚螺栓座的区别、需要设置锚固的3种情况，讨论了锚固设计制造需要注意的一些细节。

1 锚固与塔器地脚螺栓座的区别

锚固的总体结构与塔器的地脚螺栓座相似，但是因为设计理念的不同，在一些细节结构上又有很大的不同。塔器地脚螺栓座承受的是风载荷、地震载荷和重力载荷的组合作用，地脚螺栓的设置意图是防止塔在组合载荷作用下的倾倒，其基础环板承受整个塔器的重力及组合弯矩，因为承受压力的面积小，板厚通常取得比较大，按照NB/T 47041—2014《塔式容器》[10]标准释义与算例规定，基础环板厚度应不小于16 mm。而大型石油储罐的锚固考虑的是微内压、储液功能、风载荷、地震载荷及储液质量都能被底板均匀承受，因为承载面大，所以底板都相对薄很多。同时，为了防止罐壁产生过大的局部应力和变形，通常还会在罐壁贴上一块垫板。锚固螺栓的数量也是按照GB 50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》[11]中第11.2.3条规定计算的，举升力的大小对锚固螺栓数量起着决定性的作用。

2 设置锚固的3种情形及其计算分析

2.1 第一种情况

大型石油储罐应该设置锚固的第一种情况为，当设计压力产生的举升力大于罐壁、罐顶及其所支撑构件的总重力，同时小于或等于18 kPa。在这种情况下，锚固的设置由2个参数决定，即举升力和罐壁、罐顶及其支撑构件总重力。在实际工况中，这2个参数如何取值，其影响是否可以忽略，不能一概而论，应根据具体情况分析。

2.1.1 举升力

对于大型石油储罐，举升力计算如下。

式中，U为举升力，W1为由罐壁有效厚度及除去罐顶板外由罐壁支撑的构件有效厚度确定的重力，N；pi为微内压油罐的最大设计压力，kPa；D为油罐内径，m；C2为腐蚀裕量，th为罐顶板名义厚度，mm。

1台储罐的直径往往开始就被储运专业确定，因此影响举升力大小的主要是设计内压。设计内压一般都是根据呼吸阀的工作压力选取的，常用呼吸阀的工作压力为1.5 kPa或者5 kPa,设计压力相应的取2 kPa或者6 kPa，这2种呼吸阀设计压力相差4 kPa,在压力容器设计中4 kPa的压差大概率会被忽略。但是，进行锚固计算时，4 kPa的压差造成的影响却是非常巨大的。

以1台直径21 m、罐壁高度16.5 m的煤焦油原料罐进行说明。已知工艺计算的罐壁、罐顶及支撑件重力为1 156 840 N，当设计内压按2 kPa计算时，产生的举升力为 692 721 N，这个值小于1 156 840 N，所以不需要设置锚固；当设计内压按6 kPa计算时，产生的举升力为2 078 163 N,几乎超出各组件总重力的1倍，必须设置锚固。

因此在进行储罐设计时，应该重视储罐内压的取值，要与储运专业进行充分的沟通，得出正确的呼吸阀工作压力，防止因为选错压力而造成储罐的倾倒事故。

2.1.2 总重力

总重力包括附属在罐壁和罐顶的平台、爬梯以及保温的重力。其中平台爬梯的重力对于大型储罐总重力而言影响不大，保温层的重力必须纳入考虑。保温因为完全覆盖在罐壁上，而且大型石油储罐罐壁表面积都非常大，当保温材料的密度很大、保温厚度很厚时，保温层的重力是相当大的，因此需要引起重视。

举例子进行说明。1台大型石油储罐直径为25 m，罐壁高20 m，罐壁需要保温，保温材料高温玻璃棉密度为50 kg/m3，厚度80 mm。单按保温材料估算出质量为6 290 kg，如果就按这个重力进行锚固设计会出大问题，因为保温材料并不是直接贴在罐壁上的，它还需要一些支撑件和固定件，这些部件的重力有时候是很大的，有时候甚至远超材料本身重力。以常用的铠装式保温进行说明，此保温形式中铝合金薄板(压型板)、角钢支撑圈和扁钢占了相当大的质量，根据工程经验，计算时通常会把这些质量和保温材料合在一起折算1个平均密度，一般为200 kg/m3，按此密度估算质量为25 160 kg，前后对比差距很大，有可能就会因为这个质量而不需要设置锚固，节省土建费用。

2.2 第二种情况

大型石油储罐应该设置锚固的第二种情况为，风载荷满足依据GB 50341—2014中第11.1条给出的 2个条件 0.6Mw+MPi≥MDL/1.5+MDLR、Mw+MPi≥(MDL+MF)/2+MDLR中的1条。条件式中，Mw为水平和垂直风压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩，MPi为设计内压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩，MDL为罐壁重力和罐顶支撑件重力（不包括罐顶板）对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩，MDLR为罐顶板及其上附件重力对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩，MF为储液重力对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩， N·m。

2.2.1 参数计算公式

在石油储罐设计中，按下面的公式计算水平和垂直风压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩。

MWS、，MWR根据 GB 50341—2014 中图11.1.2计算如下。

式（3）和式（4）中:

石油储罐设计中风压计算如下：

式（2）～式（7）中，pWS为作用于罐壁上的水平风载荷，pWR为作用于罐顶部的举升风载荷，kPa；v为风速，km/h；H 为油罐罐壁高度，m；ρ为空气密度，kg/m3。

2.2.2 参数影响分析

在大型石油储罐的设计中，当所设计的油罐由于前排油罐有可能形成狭管效应[12-13]而导致风力增强时，应将基本风压再乘以1.2～1.5的调整系数,这条很多设计人员会忽视。狭管效应会大幅加大Mw值，通过调整后的风压可能就需要设置锚固或者需要设置更大的锚固。

继续以第一种情况中提到的储罐计算为例，已知当地风速v=190 km/h、pWS=0.86 kPa、pWR=1.44 kPa、D=25 m、H1=20 m,应用式（1）～式（3）计算得到 MWS=4 300 000 N·m、MWR=8 835 750 N·m、Mw=13 135 750 N·m 。

当该储罐出现在罐区时，计算时就要考虑可能的狭管效应。这时，按照经验将调整系数取为1.4，则 Mw=1.4 MWS+1.4 MWR=18 390 050 N·m, 倾倒力矩相比未考虑狭管效应时的13 135 750 N·m增加了5 254 300 N·m，这个力矩增量比调整前的MWS还大，其影响显然是不能忽略的，否则就极可能造成储罐的倾倒。

此外，还有一个于此有关的问题就是，为什么相同直径的大型储罐有的设置了锚固而有的却没有设置，而且罐区现场看到的不设置锚固的往往都是矮胖型的储罐。这是因为，MWS与H是平方的关系，高径比的影响不能忽略。对于同一直径的储罐，分别用数值为0.9、1.4的高径比进行比较计算，就可发现高径比为1.4时计算的MWS是高径比为0.9时储罐MWS的2.42倍，所以不同高度的选择会极大地影响锚固的设计。

2.3 第三种情况

2.3.1 抗震设计规则

基于抗震设计规则，设置锚固的条件为，当锚固系数J小于或等于0.785时，不产生举升力，可无需锚固；当锚固系数J大于0.785，且小于或等于1.54时，罐壁受到的侧向拉力已开始提离，可无需锚固；当锚固系数J大于1.54时，必须设置锚固。

2.3.2 举例分析

锚固系数根据抗震设防烈度计算。某罐区工程项目的罐区抗震设防烈度为7（0.1g），将其调整为 8（0.2g） 和 8（0.3g）后分别进行计算，结果见表1。

表1 某罐区部分储罐不同抗震设防烈度对应的计算锚固系数

由表1可知，①抗震设防烈度为7（0.1g）时，一般是不需要设置锚固的。②不同的高径比对应的锚固系数不同，规律是锚固系数随着高径比的增加而增大。③随着地震加速度的增加，锚固系数会大幅增加，除了特别小的高径比的储罐，抗震设防烈度大于等于8（0.2g）时基本都要设置锚固。④当高径比差不多（例如，柴油罐0.96，重污油罐0.91）时，在不同的抗震设防烈度下的锚固系数也相差不多。

此外，需要补充的是，当抗震设防烈度为7（0.1g）时，按照 GB 50341—2014附录 D的要求设计的储罐，其高径比都会小于1.6，因此锚固系数的增加也会有个限度，基本都在1.54的范围内。表1中，二甲苯罐高径比最大，为1.2，其锚固系数也才1.17。

3 锚固设计制造注意细节[14-16]

3.1 螺栓中心圆设置不当

螺栓中心圆的设置应充分考虑罐底边缘板的尺寸，因为GB 50341—2014中5.2规定的边缘板外侧到罐壁板外侧的距离大于等于50 mm是一个范围，对于大直径的储罐，设计人员有时候就会将此距离取得很大，即边缘板外径很大，但是地脚螺栓的设计又都遵循尽量采取小的螺栓中心圆的理念，这种只注意了标准和螺栓的强度设计而忽略了结构设计就会让地脚螺栓与边缘板碰撞（图1）。

图1 螺栓中心圆设置不当导致的边缘板与螺栓干扰示图

3.2 锚固位置设置不当

锚固的设置应避开石油储罐壁板拼接的纵焊缝，否则会造成焊缝的叠加以及应力集中。锚固与纵缝错误设置见图2，这种情况下二者是叠加的。锚固与纵缝正确设置见图3，这种设计通过改变拼接壁板的块使锚固避开了纵焊缝。

图2 锚固与纵焊缝不当设置示图

图3 锚固与纵缝正确设置示图

3.3 其他应注意细节

①垫板设置。锚固不同于塔器地脚螺栓座，为了防止罐壁产生过大的局部应力和变形，必须在锚固与罐壁连接的地方设置一块垫板。②长圆孔设置。当储罐设计温度大于90℃时，锚固时应考虑热膨胀影响，可以在盖板径向上开长圆形的孔，来缓解热膨胀的影响，长圆形的尺寸跟着温度差进行调整。③许用应力调整。有保温的锚固螺栓的许用应力应为常温下的许用应力乘以GB 50341—2014附录C表C.2.2标准屈服强度下限值降低系数。④充水与焊接的先后顺序。锚固组件应在罐内充满水、水面上未加压前焊接在罐壁上，绝不允许焊接好后再充水，防止因为充水后基础的沉降造成锚固座处罐壁和锚固座的损伤。⑤螺栓紧固。所有螺栓应均匀上紧，且松紧适度。

4 结语

对锚固设置的3种情况进行了细化，举例说明了呼吸阀、保温、狭管效应、抗震设防烈度和高径比等因素对锚固设置的影响，对设计制造中的注意点进行了总结，为以后锚固的优化设计，特别是为某些基础、地脚螺栓受限制的储罐改造设计提供降低锚固系数的思路和方法。