国内最大覆土油罐设计探讨

杨晓静，王天祥，杨潞锋，董薇(北京特种工程设计研究院，北京 100028)

0 引言

按存储方式分类，油库通常分为地面油库、隐蔽油库和山洞油库等。为了提高油库的战时生存能力，我国军队或国家储备油库通常优选隐蔽油库，建设覆土油罐。本文将阐述覆土油罐的建设特点，并针对目前国内最大罐容10 000 m3覆土油罐设计上的重难点，分析覆土油罐的优缺点，提出切实可行的设计措施。

1 覆土油罐概念

覆土油罐是独立设置在用于土掩埋的罐室或护体内的固定顶油罐。固定顶油罐通常为拱顶金属油罐。

2 覆土油罐的建设特点

覆土油罐的建设首先需要建设人员在选址地向下开挖出一定的施工操作面，开挖形式一般有斜向下大开挖和垂直开挖两种。此后，建设人员需要砌筑罐室护墙、阀门操作间，浇筑罐室顶薄壳，再通过预留安装孔洞进行罐体施工和油罐附件及工艺管线安装。最后，建设人员需要再在罐室薄壳及操作间上部进行覆土处理。

覆土油罐通常为立式拱顶金属油罐，容量一般为500～10 000 m3不等。罐室护墙与罐体之间构成人行走道，考虑到操作检修、工程造价等多种因素，走道宽度应不小于0.8 m且不大于1.0 m。护墙应采用密实性材料构筑，一般使用现浇混凝土浇筑或混凝土预制块砌筑，特殊情况也可采用机砖砌筑。

罐室拱顶一般采用钢筋混凝土薄壳结构。考虑到造价及施工安装等因素，罐顶薄壳的曲率半径应尽量与油罐拱顶的曲率半径相同。拱顶周边均应设置采光通风孔，同时拱顶还应预留满足工艺条件的量油孔、液位计孔、呼吸阀通气孔以及施工过程中使用的进料口孔等。为了满足日常操作人员在罐顶操作检修的需要，薄壳内表面与金属油罐罐顶的距离应不小于1.2 m。薄壳外边沿应设置钢筋混凝土环梁，以将拱顶的全部重量通过圈梁作用于护墙上。

为了防止地下水渗透至罐室内，建设人员应在罐室外壁涂刷有机防水涂料，同时沿罐室外周设置排水盲沟。罐室内沿护墙上应设排水沟，工艺管线操作间内应设积水坑，且所有穿过护墙或操作间的管线、附件上均应设防水套管以对其进行密封处理。

考虑到人员进出，覆土罐室应设置出入通道口。罐室通道口通常为向上的斜通道或折形梯垂直通道。通道口尽头为操作间，操作间内设工艺管线阀门。为了在油罐发生跑冒油事故时减少损失、回收油料，通道口应设防火密闭门。

施工完毕后，罐顶的覆土厚度应不小于0.5 m，顶部覆土放坡线超出罐室的距离应不小于1.5 m，周围覆土面坡度应不大于65%。建设人员还应对覆土面层采取栽种草皮等相应的稳固措施。

3 1 000 m3覆土油罐设计重难点

在近20年中，笔者从事了多项军队和国家储备局的大型覆土油库设计工作，其中10 000 m3罐容覆土油罐为目前国内建成的最大罐容覆土油罐。通过研究一系列油库的基础设计、详细设计和设计后期服务，笔者总结了覆土油罐的设计经验，并通过对各个项目进行对比分析，建立了一套完整的设计流程体系。现以某国家储备油库为例，介绍10 000 m3覆土油罐设计上的重难点。

3.1 总体布局

3.1.1 罐位、标高确定

建设覆土油罐的主要目的是隐蔽储油地，因此必须在山区或建成后能与自然地形相协调的地带选址。覆土油罐通常不在平地上建设，以节省土地和投资。覆土油罐选址通常依山就势，选择地质稳定、地基承载力能满足建罐条件的地带，而不宜选择地震烈度9级及以上的地区，或有膨胀土及III级湿陷性的黄土地区。在罐与罐之间满足安全防火间距的前提下，设计人员一方面要考虑土方挖填平衡，另一方面需要避免暴雨或洪水对场地产生不利的影响。合理制定标高对建设同样重要，除了满足土方平衡，标高的选择还应便于油料的进出库作业和管线放空[1]的进行。

3.1.2 罐室操作间布置形式

传统的罐室操作间通常为通道斜坡形式(如图1所示)；随着国家对环保和安全的要求越来越严格，操作间通道为折形梯垂直布置形式的覆土罐室随之产生(如图2所示)。

图1 通道斜坡形式罐室操作间结构示意图

传统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应不小于罐壁高度的1/3，目的是保证处于事故状态的大型储罐50%的容量不流出罐室，为紧急时刻采取口部封堵和外输等抢救措施留出一定的时间。这种设计的缺点是罐室不能全部拦油，还需要另设应急事故拦油池。

通道折形梯垂直布置方式的罐室处于地面以下，起到全拦油作用，可以不设拦油池；罐区建设完成后，只有罐顶部分露在地面之上，非常隐蔽，罐区整体形象易于伪装。其缺点是通道直上直下，高度差大，若发生油气聚集则难以处理，且工艺管线需要设通行管沟。

综合上述两种布置形式的优缺点，设计人员根据地形等实际情况，综合考虑了罐室操作间的布置形式，确定了该项目操作间形式(如图2所示)。

图2 通道折形梯垂直布置的罐室操作间结构示意图

3.2 罐室结构

3.2.1 罐室结构设计

覆土立式油罐应采用一罐一室的构筑形式。目前建成的10 000 m3覆土油罐的环形罐室直径分为32 m及34 m两种跨度，覆土罐室主体结构由圆柱形钢筋混凝土罐室护墙及钢筋混凝土薄壳组成。

34 m直径罐室薄壳跨度大，矢高仅为4.8 m，壳顶覆土荷载大，外环梁与钢筋混凝土外墙、壳体整体连接，实际受力情况与规范公式的适用条件有出入。为更精确地分析罐室的受力性能，设计人员使用ANSYS程序对罐室进行了整体模拟分析。考虑到外墙、壳体整体连接时各部分的相互约束和共同作用，根据实际受力特点，结构设计对薄壳根部、外环梁、墙体配筋及构造进行了调整，以期达到结构设计安全、合理、经济的目标。

罐室钢筋混凝土薄壳为大跨度空间曲面结构，施工时模板制作工艺复杂。施工使用的脚手架高度达14.8～19.5 m，对初始缺陷、加载形式及加载顺序等因素敏感，极易发生事故。结构设计对壳体的施工提出了以下要求：重视施工阶段针对脚手架性能的计算与设计；严格按薄壳设计曲率支模，支模后进行现场堆载试验；进行混凝土浇注时做好施工组织，浇筑薄壳及外环梁混凝土时应由底部向顶部均匀连续对称浇注，不得留施工缝。

罐室墙周长达108 m，为减少温度应力及裂缝，设计人员应在灌式墙上设温度伸缩缝。考虑到常规的后浇带施工难度较大、施工周期长，为确保工程质量、合理控制工期，设计人员对构筑物采用了超长结构无缝设计，并采取了相应施工方法：沿罐室墙周圈设3处后浇加强带，由施工人员连续循环浇注。该罐室结构已竣工5年，根据现场观察结果，尚未发现温度裂缝等不利情况[2]。

3.3 罐室工艺

为了延长油罐使用寿命，设计人员选用Q235-B作为罐体材料，并在罐体内壁、罐底板、外壁全部设计了防腐层。罐底边缘在采用和罐体外壁同样的防腐结构的基础上，采用绕涂增塑沥青、粘贴橡塑防水卷板等方法作防水处理。为了提高油罐可靠性，罐体通气管设有两个全天候式呼吸阀，满足了恶劣气象条件下使用要求，有效防止了油罐冬季结冰的可能。

罐体根部密封阀选用了双密封导轨阀，采用软密封和硬密封相结合的方式，以确保阀门零泄漏。油罐与管线柔性连接，采用金属软管，以防地震、油罐基础沉降等引起管线变形或断裂。

设计人员充分考虑到油罐储备周转的特点，为避免油品长期集聚在管线中，罐区所有的管线均能放空。为了防止管线停输时受环境温度影响，工艺管线设有防胀油的泄压措施。覆土罐室操作间内设置了事故外输管线，一旦发生油罐泄漏事故，工作人员能对罐室内油品实施腾空或紧急外输，避免油品从通道口漫出罐室造成其他损失。为了保证各油罐调配储存油品的灵活性，油罐之间具备倒罐功能。

工艺油外线采用地下管沟，管沟与罐室操作间的接合处设置了防火密闭隔墙。所有的埋地管线均采用三层PE防腐，将管道使用寿命延长了2倍以上。

3.4 罐室消防给排水

3.4.1 罐室消防系统

该覆土油库消防安全设施设计已达国内顶尖水平。覆土立式油罐消防采用移动式低倍数泡沫灭火系统和移动式防护冷却系统结合的方式，其中冷却系统用水由室外消火栓提供，通过消防水带、消防水枪进行防护冷却，室外消火栓用水由消防水泵通过消防管网提供。

覆土油罐发生爆炸时，往往会造成罐室拱顶薄壳坍塌，进而砸坏油罐，造成油罐油品泄漏或流散，一旦着火，人员无法接近油罐进行灭火。薄壳及罐体的破坏部位的情况通常也比较复杂，即使设置液上或液下泡沫喷射装置，也难以保证其不被砸坏。泡沫枪或者泡沫炮也很难将泡沫直接喷入罐内。故建设人员不应为扑救油罐的直接火灾而盲目加大投资，而应为可能发生的油品流散火灾设置或配备一定能力的泡沫灭火系统，以防火灾蔓延。

目前我国已建成的覆土油罐移动泡沫消防系统有两种设计方式：一种方式是在10 000 m3罐室和消防道之间设置2条泡沫混合液管线和2个固定接口，在罐室内部顶部沿周长方向设4个泡沫发生器，本项目采用的是这种方式。该设计彻底改进了国内覆土罐室消防系统的设计，为相同类型油库的设计开创了先例。另外一种方式是采用泡沫液、泡沫比例混合装置，泡沫炮、泡沫枪和水带等灭火设施由泡沫消防车提供，混合液用水由罐区周围的罐室外消火栓提供。消火栓周围设消防报警按钮，可同时向消防中心和消防泵房报警，显示着火区域，并就地响铃。火灾发生时，库区泡沫消防车提供泡沫液及泡沫比例混合装置，就近从火灾区域内的室外消火栓取水制备泡沫混合液，对火灾区域实施灭火。此方式可节约一定资金。

3.4.2 罐室排水系统

在罐室排水方面，覆土油罐设计人员优化了排污管线的设计。罐室内含油污水排水管道与罐室渗水管道合用一套罐区排水外线，接至污油池，含油污水由移动式油水分离器处理达标后排出库区。同时，设计人员在操作间积水坑内两管合一的排水管上开孔，加设闸阀，兼做事故应急处置接口。

3.5 罐室自控仪表

库区采用国内先进的自控、安防及信息管理系统。

罐区分监控系统PLC控制箱采集每个罐内油料的液位、密度、温度、可燃气体浓度、高低液位报警的状态信号，并将这些信号进行处理，换算出油料的质量，随后由监控计算机把处理后的数据送至中控室数据库服务器。罐室内的液位监控选用拥有国际顶尖技术的磁致伸缩液位仪和音叉液位开关，从软件和硬件两方面对液位进行实时监控，确保不发生溢油事故。

油罐区设有完善的摄像监控、门禁、巡更和入侵报警系统：罐区入口、单罐周边设可控摄像头；罐区入口及单罐入口设门禁；单罐罐顶、罐室最内端和操作间内设巡更点；沿罐区周边设入侵报警系统。

信息管理系统与自控系统、安防系统通过网络连接，各系统可以相互访问数据，以此实现储运管控的一体化。

4 覆土油罐的优缺点及改进措施

与地面库、洞库相比，结构特殊的覆土油罐具有一定的优缺点。

4.1 优点

(1)覆土油罐具有很好的防护能力和抗打击能力。作为军队和国家优选储备油库的覆土油罐，通过罐室覆土、合理绿化和通道口的技术伪装，能够极大提高隐蔽效果，降低战时被敌人侦察发现的可能性，大大提高油库的生存能力。

(2)覆土油罐具有良好的储存条件，利于保证油品品质。罐室内长年温度恒定，能够减少油品的蒸发损耗，同时也减少了油品挥发对大气造成的污染。

(3)覆土油罐具有全拦油或半拦油功能。独立的钢筋混凝土覆土罐室在事故状态能够阻止油品流散，不仅能为抢险赢得时间，同时也降低了对其相邻油罐的威胁。

4.2 缺点

(1)覆土油罐易聚集油气，增加了油罐着火爆炸的危险性。覆土罐室是封闭的空间，通常采用自然通风方式排除油蒸气，容易造成油气积聚，带来严重的安全隐患。

(2)覆土油罐空间小，采光条件差，不便于日常操作人员实施维护作业。日常操作人员作业、清洗油罐以及除锈涂漆等维护工作均受到罐室的制约。

(3)覆土油罐造价高，工艺要求严。建设覆土油罐需要挖填土方、砌护体，另外还需要对罐室做防水处理，这些都使得工程造价提升。以单罐容10 000 m3油罐为例，地面油罐造价仅为覆土油罐造价的45%～55%。

4.3 改进措施

(1)覆土油罐伪装应根据油库功能，本着“有效、经济、适用、耐久”的原则，结合油罐及其周围环境特点和绿化工作，充分利用当地的自然条件，以自然伪装为主，人工技能伪装为辅进行设计，适用日益先进的多变化、多频段侦察手段，以此实现综合伪装。同时为保证伪装的连续性，伪装应贯穿油库勘察、设计、施工及使用管理的全过程。

(2)设计过程中应充分考虑到建设覆土油罐开挖后的土石方堆放方式，在将土石方用于构筑道路、挡墙护坡和防洪排水等工程的基础上，应使剩余石方堆放与临近自然地貌协调。

(3)建议设计人员在罐室内设机械通风设备。设置机械通风设备时应注意通风量的确定、通风系统材料的选择、通风出入口标高的确定以及风机房的设置问题。

(4)罐室及操作间内宜设可燃气体浓度自动检测报警装置，且自动检测报警装置应与机械通风设备联动，以此确保油气浓度超标时，机械通风设备可自动打开风机通风。

(5)在规划设计时，应充分考虑自然环境、自然条件，在满足油库设计使用功能的基础上，应尽最大可能减少对土壤、水源、森林、植被等的影响。

5 结语

建设覆土油罐有利有弊。建设覆土油罐需要从系统工程的角度出发，综合考虑油库功能定位、建设规模、地质地形等要求，通过技术分析和理论计算，提出合理的覆土油罐标高、罐室结构以及消防排水、防雷接地等设计方案，解决好通风、防卫、伪装等相关问题，提升覆土油罐施工建设的技术支持。唯有如此，建成后的覆土油罐才能高效、安全、稳定运行。