我国覆土式钢制储存容器研究与应用进展

王泽武，张浩然，范海贵

（大连理工大学化工机械与安全系，辽宁大连 116024）

储罐作为存放酸、碱、醇等气态或液态化学物质的一种特种设备，在我国现代化工业发展中起到了重要作用。现有的各类储罐一般放置于地表之上，而且大多以储罐群的形式集中布置于某一区域，储罐群不仅占用大量土地资源，而且一旦发生爆炸事故，容易产生多米诺效应［1］，引发灾难性后果。

在世界各国对环境保护高度重视和对碳排放不断加大控制力度的大形势下，国内外学者都在不断加大科技创新力度，探求新型绿色化工装备发展之路。在此背景下，自2009年以来，我国逐步开始尝试把储罐埋入地下，有多个覆土储存容器项目已经建成。据文献报道，江西国家石油储备库覆土罐试车一次成功［2］，台塑重工麦寮厂建造了110 余座覆土储罐［3］，山东京博石化控股有限公司建造了6 台乙烯覆土储罐［4］。此外，采用覆土式储罐存储液化烃，不仅可以减少液化烃扩散造成的对环境污染问题，降低储罐群连锁爆炸风险，而且还可以节省土地资源，改善地表生态环境。2022-07 我国发布了首个覆土罐的团体标准T/CPASE GP020—2022 《覆土式钢制储存容器通用要求》［5］，2023-03 组织召开了 《覆土式钢制储存容器设计规范》团体标准的审查会议，表明覆土罐在我国即将迎来快速发展。

1 覆土式储存容器定义

T/CPASE GP020—2022 《覆土式钢制储存容器通用要求》定义的覆土式储存容器为，在环境温度下用于储存介质的容器，容器外表面全部被覆土层覆盖，且顶部和周围都覆有不小于0.5 m 厚的土层，仅有相关工艺接管如人孔，各类进料、放空、压力、温度检测管，以及设备安全附件等伸出于覆土层之外，常用来存储各种油品，也称作覆土式储罐。

覆土式储罐根据其形状和安装方式又可分为3 类，分别是覆土式卧式钢制储存容器、覆土式立式钢制储存容器和覆土式球形钢制储存容器。

2 我国覆土式储存容器应用现状

2.1 覆土式卧式钢制储罐（子弹罐）

典型的覆土式卧式储罐基本结构及现场工况见图1，其罐体为长圆筒形，两端为半球形封头，因形状与子弹相似，也被称为覆土子弹罐（Mounded Bullet）［6］。安装时，覆土子弹罐置于沙床之上，沙床要求铺在沉降均匀的平整地面上，同时要用土层将罐体的外表面完全覆盖，相关的工艺接管需要伸出于土层之外，以便于物料的进出和数据的监测。

图1 覆土式卧式储罐基本结构及现场工况示图

在19 世纪末期，欧美等发达国家首先开始使用覆土卧式储罐来替代球形储罐储存液化石油气（LPG）。相比于露天安置的球罐储存装置，覆土子弹罐的安全系数更高。覆土子弹罐可以完全消除液体沸腾引发蒸汽爆炸的隐患，降低了发生灾害时易燃、易爆物质的扩散程度，逐渐取代了露天安装的大型球形储罐。

21 世纪以来，欧美的一些发达国家，如德国，已经开始大量使用卧式覆土LPG 储罐，禁止再建造大型球形储罐。台塑麦寮工业园区考虑到液化烃储存的安全性问题，从德国引进了覆土式子弹罐来取代球罐，覆土储罐现已达110 套以上，并且还在继续扩建［7］。

2023年，广东湛江巴斯夫一体化基地正在筹建6 座覆土子弹罐。近些年，国内也开始研究覆土子弹罐。在缺少设计标准和技术经验的情况下，通过自主开发和对国外设计标准的学习，实现了国内少量覆土子弹罐的应用［4］。

2.2 覆土式立式储罐

典型的覆土式立式储罐由罐室、操作间和通道3 部分组成，其基本结构和现场工况见图2。罐体为直立圆筒形，罐顶一般采用矢跨比1/4～1/6 的球形薄壳。覆土式立式储罐安装在地下掩体内，掩体由防护墙［8］和顶盖组成。防护墙用砖、石、混凝土预制砌筑，或通过现场浇筑混凝土形成。通常情况下，罐室的球壳顶与墙顶混凝土圈梁连成整体，罐顶覆土厚度不小于0.5 m。为了操作便捷和方便检修，有的储罐在构筑时会加装罐室走廊，其宽度一般为1 m 左右。覆土式立式储罐适用于在低山、丘陵等凹凸地形地带建设，是军队和国家成品油储备经常用的一种储罐形式。立式储罐的容量一般为300～3 000 m3。

图2 覆土式立式储罐基本结构及现场工况示图

覆土式立式储罐能有效减少油品蒸发损耗，对空具有一定的隐蔽防护能力，被应用于军队和国家成品油储备中。目前，覆土式立式储罐已经得到了较为广泛的应用，具有相对成熟的标准。其设计依据是实际需要和GB 50074—2014《石油库设计规范》［9］。

覆土式立式储罐的构筑形式主要分为3 种，①覆土单体立式储罐。单独一个罐室，罐室内仅有一个储罐，掩体外覆土，隐蔽且保温。②覆土房间式立式储罐。罐室内设有多个立式储罐。③不带覆土掩体的立式储罐。该类储罐的罐底标高一般与其周围标高落差很小，掩体外没有覆土。20 世纪80年代和90年代，部分机场的油库使用了该类储罐，其初始目的是增加储罐的隐蔽性［10］。

2.3 覆土球罐

2.3.1 一般特点

覆土球罐具有球形储罐的一般特点。球形储罐是一种大容量的承压储存容器，具有受力均匀、结构简单、承载能力强、在相同容积下相比其它外形储存容器所需要的材料表面积更小、制造周期较短等优点，在石油、化工等行业被广泛大量使用，常常以球罐群的形式出现在罐区（图3）。

图3 中国云南1 000 万t/a 炼油项目球罐群现场

球罐作为特种设备，安全性问题是极其重要的。地上球罐经常面临的问题就是介质泄漏，以及泄漏导致的爆炸事故。球罐储存介质一般都是易燃、易爆的化工物料，一旦发生火灾爆炸事故，其爆炸冲击产生的碎片［11］和热浪会快速影响到周围的储罐，形成多米诺效应，产生严重的危害。

2.3.2 突出特点

覆土球罐将球罐安置于土层下，借助土壤的隔离保护作用可有效防止多米诺效应的发生。覆土球罐主要由球罐罐体及其裙座、接管、仪表及覆土等辅助结构构成，其结构模型见图4。

图4 覆土球罐结构模型图

覆土球罐相比地上球罐优点更加突出，主要体现在，①不受紫外线照射，外部环境影响小，可以有效地减少油品蒸发损耗，有益于储罐的安全防火和储存油品质量的稳定。覆土球罐密闭性较好，且顶部和周围都覆有一定厚度的土，因此罐室内温度比较稳定，受大气环境温度的影响较小，有利于减少储罐小呼吸蒸发损耗，延缓油品变质。②可以做到不占用好地和基本粮田，且不用设置防火堤，降低工程成本。③具有一定的对空隐蔽防护能力，比较安全，建成后可与周围地形基本协调。覆土球罐通过覆土及植被的遮盖，能减少被侦查发现和遭袭击的可能性。而且，储罐与周围建筑基本协调，有一定的防护能力，既可以一定程度上抵御外部袭击，又可以在储罐着火爆炸后阻止油品漫流，减轻对相邻储罐的影响程度。

覆土球罐的缺点主要表现在建设费用和土方挖填量方面，其建设费用一般为地上储罐的1.5～1.7 倍，土石方挖填量一般为储罐容量的3.5～4.5 倍，因此把现有球罐改造为覆土球罐的成本较高。

迄今为止尚未见到国内外对覆土球罐应用情况的报道，仅有大连理工大学研究团队通过实验室试验和软件模拟，研究了覆土球罐耐压性与安全性的问题，初步探讨了覆土球罐土的压力计算方法［12］。

3 覆土式储存容器应用现状

覆土式立式储罐、埋地管道应用比较成熟，经验也很丰富，均有相应的管理规范出台。但是覆土式卧式储罐（子弹罐）国内研究较少，覆土式球罐国内外鲜有研究，下面着重围绕覆土子弹罐和覆土式球罐进行研究现状分析。

3.1 基础研究不足

覆土子弹罐与地上卧式储罐相比，容器不仅承受介质的压力和物料的重力，在设计时还要充分考虑土层压力对设备安全的影响。四周的覆土压力可能会使覆土储罐由内压容器转变为外压容器，且易使储罐发生变形失稳，外压失稳是覆土压力容器的主要失效模式之一［13］。

国内目前没有明确的标准来计算土压力。现有计算方法所用的埋地管道周围土层应力分布见图5［14］。

图5 埋地管道土层应力分布

此方法是根据土力学基础，考虑土层对罐体附加了外压作用，在计算土压力时将土层压力作为均布载荷处理后而得到的。由于研究不够充足，对于覆土子弹罐筒体所受最大土层压力作用点位的确定，国内目前没有统一的结论，因为覆土子弹罐承受的最大法向静压力不是固定的，而是随着埋深和储罐筒体半径的变化而变化［15］。从理论角度分析，将土层视作均匀载荷的条件存在问题，埋地罐置于土层内部会产生新的边界条件，应力分布因此也变得复杂。

我国覆土球罐的稳定性研究还处于起步阶段，对非线性土压力引起的非均匀失稳机理尚需研究。圆筒形容器稳定性安全设计系数为3，而球形容器安全设计系数取14.52，表明球形容器稳定性设计的初始缺陷影响大，可靠性低，临界失稳载荷计算困难，而非线性土压力引起的非均匀失稳机理更增加了这一难度，尚需深入研究。

覆土压力的计算是有待研究的重要环节，除此之外，覆土储罐的设计还需要以下参数，分别是罐体自重载荷、储液自重载荷、罐体设计压力、罐体设计负压、因罐体不均匀支撑导致的剪切力、罐体轴向载荷、地震载荷等。

非均匀受热工况下覆土式容器罐体会承受不均匀轴向挤压，使容器失稳的风险增加，因此热膨胀也是覆土式容器设计分析时需要考虑的重要因素之一［16］。

罐安装于土壤之下，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，在雨季或洪水时期也可能被水淹没，因此应当考虑土壤浸水后对容器的浮力影响，对覆土容器进行抗浮验算。当容器自重和土压力不能满足不浮起的要求时，需要将储罐和混凝土基础或专门设置的锚墩固定在一起以达到要求［17］。目前，子弹罐有抗浮验算的计算公式，覆土球罐还没有这方面具体的公式。

地震也会对覆土储罐造成影响，地震产生的局部应力易使储罐发生菱形屈曲和象足屈曲，中国石油化工集团有限公司等单位对其屈曲现象进行了部分试验，得到了部分试验数据。在今后的工作中，也需要着重考虑地震载荷对覆土储罐造成的形变影响［18］。

3.2 缺少成熟规范

虽然国内刚刚颁布了 《覆土式钢制储存容器通用要求》，但覆土储罐的详细设计计算尚在征求意见中，设计时主要依据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]（ 以下简称EEMUA 190 指南）、ASME BPVC Ⅷ—2017《Rules for Construction of Pressure Vessels》[19]第1 部和第2 部（以下简称ASME BPVC Ⅷ-1 和ASME BPVC Ⅷ-2 ），部分设计还要满足PD 5500—2021《SpecificationforUnfiredPressure Vessels》[20]中的相关要求。EEMUA190 指南是基于德国Karlsruhe 大学Mang F 的研究成果编制的，给出了弯矩、法向力和剪切力的计算法则［21］。我国目前的覆土子弹罐的设计主要参考的是EEMUA190 指南，通过计算得到各个载荷后，利用有限元分析软件对设备进行强度校核，主要内容是针对不同的工况分析储罐的应力分布和位移变化。

大型球罐的设计方面，国内外已经有了相应的标准规范，例如GB 150—2011《压力容器》［22］、GB 12337—2014《钢制球形储罐》［23］等，但这些规范的分析还是偏保守。球形容器的稳定性复杂，初始几何缺陷敏感性高［24］，其覆土之后的受力分析更具难度。迄今为止，对于覆土球罐的设计还没有成熟的规范可用于参考。

3.3 缺少成熟经验

覆土子弹罐在国外发展较快，作为一种LPG的常温存储设备，广泛应用于欧盟及美洲等地区，亚洲、非洲地区也在逐步推广。EEMUA 190 指南提供了一种由土壤支撑子弹罐的载荷、应力计算方法，加拿大学者RADOSLAV STEFANOVIC 等［25］根据EEMUA 190 指南分析了鞍座支撑的覆土子弹罐的载荷计算，给出了跨度和支座处多个鞍座反作用力和弯矩的计算方法，提出了一种简化的评估鞍座间差异沉降影响的方法。印度学者C K MUKHOPADHYAY 等［26］研究通过分析声发射信号的方法，检测覆土储罐的焊接完整性。但是国内发展较缓，虽然有少量覆土子弹罐已经投入到应用中，但对于覆土罐的设计、校核、安装和检测，国内仍缺少成熟的经验。

针对国内大型覆土子弹罐的设计技术空白现状，高建平等［27］参照地上储罐的设计过程，提出了覆土储罐壳体厚度的计算步骤。刘月龙［28］总结了覆土储罐的宏观检验要点，为覆土储罐的检验提供了一定基础。姜珊等［21］进行了国内首例大型卧式3 000 m3LPG 覆土子弹罐的设计及仿真分析，总结得到地震对罐体的应力影响不大，但是对其沉降有较大的影响，且中间部位较为明显，正常工况和水压试验下罐体没有达到屈服点，且有余量，设计合理，其安全性也得到了验证。姜珊等在设计时参考的依据是EEMUA 190 指南、ASME ⅧBPVC-1 和ASME BPVCⅧ-2 ，其设计的成功为国内今后的覆土子弹罐的设计奠定了一定基础。陆青松等［29］同样也以卧式3 000 m3LPG 覆土子弹罐为例，参考EEMUA 190 指南和ASME BPVC Ⅷ-2 规范，设计出子弹罐的主要尺寸，进行计算校核后，利用ANSYS 有限元软件对罐体主体结构进行仿真分析, 总结得到端部覆土压力是决定封头厚度的主要因素。杨国强等［30］也采取了类似的方法，并使用ANSYS Workbench 进行了罐体应力的有限元分析。上述研究成果为国内覆土子弹罐的设计和校核，以及建立属于我国自己的覆土子弹罐设计规范提供了有价值的经验。

对于覆土球罐的设计，国内外目前都缺少成熟的经验，也未见相关应用报道。大连理工大学对覆土球罐的耐压与安全性问题展开了初步研究，对覆土球罐的屈曲行为进行了数值分析和试验验证，对覆土球罐土压的计算方法进行了探讨，其计算方法的研究为覆土球罐的设计计算提供了一定的参考。覆土球罐的设计还需要大量的研究和试验来积累经验，形成规范。

3.4 投资收益比低

覆土储罐的研究和设计投资收益比较低。覆土储罐安置于地下，需要进行土壤的挖掘和填埋，较地上储罐相比，覆土储罐的安装过程中需要消耗更多人力和资源，通常覆土储罐的建设费用为地上储罐的1.5～1.7 倍，土石方挖填量一般为储罐容量的3.5～4.5 倍，这导致了覆土储罐建设的成本高［31-32］。同时，在实际生产过程中，一旦覆土储罐发生泄漏，将会导致土壤和地下水的污染，需要较多的维修保养。由于罐体覆土，腐蚀状况难以检测［33］，检修的难度大，防腐成本也较高［34］。

基于以上问题，目前覆土式钢制储罐发展仍比较缓慢，尤其是覆土式球罐至今未见工业应用。但是随着环境保护、安全要求和土地资源利用等方面的需要，会引起越来越多的重视和快速发展。

4 结束语

与其他传统储罐相比，覆土式储罐在安全服役、环境保护、土地节约等方面有着明显的优点，具有很好的应用前景。但是，目前应用最大困难在于覆土储罐载荷及失效理论研究还不够充足，尤其是覆土球罐的非线性土压力、不均匀热膨胀下热屈曲问题处于空白，同时还缺少必要的设计规范，以及国家政策的扶持，如果以上问题得不到有效解决，覆土储罐尤其是覆土球罐难以得到快速发展。