10000m3气柜基础设计应用

2014-05-10吴峤

天津化工 2014年3期

吴峤

（新地能源工程技术有限公司石家庄能源化工技术分公司天津设计部，天津 300022）

在化工行业建设中，大中型储气柜较多，气柜基础的设计施工是一个重要环节，尤其是在一些地形复杂的情况下，气柜基础的处理更重要[1]。储存气体的大型气柜有高压，低压，湿式和干式等类型，根据储量不同，小的选用湿式和低压型，大的选用干式和高压型[2]。常用以保证煤气的正常生产和连续供应，具有混合气体和平衡压力的功能，是煤气输送工程中的重要设备。

储存低压气体的容器，用于缓解供气量和使用气量间的不平衡，有湿式和干式之分，螺旋储气柜是一种使用较广的湿式储气柜，他由水槽，钟罩，塔节，水封，导轨，平台，顶架，顶板，和气体进出管线等组成。按柜内气量的多少，壁板上的导轨和按在平台上的导轮间作相对运动，使塔节旋转着上升或下降，在一定范围内改变气柜的储气容积[2]。因此气柜的基础是否满足地基承载力的要求，沉降是否满足变形要求对气柜的正常工作至关重要。

这里通过工程实例（某能源煤层气有限公司投资的瓦斯气集输工程的气柜基础）介绍山区地形下气柜环墙基础的设计。

1 工程概况

本项目是瓦斯气集输工程，气柜直径为26.4m，高32.7m的容积为10000m3的湿式气柜。

本项目建于山区，地貌区属剥蚀侵蚀山地，以低山和丘陵为主，山顶起伏平缓，并有黄土覆盖，沟谷发育，切割较为强烈。建设区域内河谷宽阔，谷底为大面积的河漫滩堆积物，一级阶地呈缓坡位于河流两岸，地形西高东低，最高和最低地形高差为480.08m。

项目建设区域属东亚温带半湿润地区，大陆性气候显著，四季分明，夏季温暖多雨，春季多风少雨，冬季天气寒冷，雨雪稀少，年平均气温10.2℃，最高气温37.3℃，最低气温-16.3℃。最大冻土深度为43 cm。

2 工程地质状况

勘察资料表明，该场地地基土主要由全新（Q4）耕土，中更新统（Q2）粉质粘土，残积土及二叠系（P）强～中风化泥岩等组成。各岩土层呈层状产出。据岩土物理力学性质差异自上而下可划分为①～⑤层，各层图层分述如下。

2.1 ①号土层—耕土（Q4）：层厚 0.20～1.40m，平均厚度0.54m，黄褐色，稍湿，松散～稍密状，含较多植物根系及少量煤屑，钙核等，以黄褐色粉质粘土为主。此层土在场地西部大部分地段都存在，厚度差异不大，形成时间相对较早。

2.2 ②号土层—粉质粘土（Q2）：层厚0.60～3.00m，平均厚度2.75m。红褐色，可塑～硬塑状，含大量钙核及白色钙化物，韧性中高，干强底高，切面光滑。平均压缩系数为0.221MPa-1，属中压缩性土。平均标贯基数10.1击。该层土在场地大部分地段均有存在，局部地段缺失，厚度差异较大。

2.3 ③号土层—粉质粘土（Q2）：层厚0.80～7.70m，平均厚度2.75m。红褐色，可塑～硬塑状，含大量铁锰黑斑及少量铁锰结核，土质高度固结，局部成团块状，自然状态不易成型，干强度高，切面光滑。平均压缩系数为0.174 MPa-1，属中偏低压缩性土。平均标贯击数16.0击。该层土在场地大部分地段均有存在，但厚度差异较大。

2.4 ④号土层—残积土（Q2）：层厚0.3～3.6m，平均厚度1.08m。黄绿色，强～中风化，为软岩，水平层理，泥质胶结，含大量黄绿色泥岩碎屑，粗砂岩碎块。该层土在场地均有存在，但厚度差异较大。

2.5 ⑤号土层—泥岩（P）：最大揭露厚度为10.6m。黄绿色，强～中风化，为软岩，水平层理，泥质胶结，含少量次生矿物，较破碎，岩芯呈碎块，短柱状，最长取芯长约15cm，取芯率65%～70%左右，岩体基本质量等级为V级。根据岩土工程勘察报告该层泥岩饱和单轴抗压强度为5.0MPa。

随着工业发展，水资源的需求量逐渐增加，水资源对工业发展速度和规模的决定作用也越来越明显。承德市工业增加值从1970年的1.09亿元上升到2010年的394.3亿元，是1970年的393倍。而2010年的水资源总量却是1970年的40%，万元工业增加值用水量仅是1970年的6%。

2.6 ⑥号土层—砂岩（P）：该层仅在三个勘探点中揭露，最大揭露厚度3.00m。青灰色～灰褐色，强～中等风化，为较硬岩，矿物成分以石英，长石为主，较完整，岩芯成短柱状，最长取芯长约20cm，取芯率为75%，饱和单轴抗压强度为25.0MPa。

3 基础选型计算

项目概况：气柜直径：26400mm，气柜荷载：水槽重：1200.99kN，钟罩重：719.31 kN，保温重：160 kN，配重：780.15 kN，塔节重：704.8 kN，塔节水封重：500 kN，梯子及平台重：640.75 kN，操作重：53608.45 kN，设备净重4189.8 kN。

气柜自重作用在基础上考虑两种工况：

一种是满储气时钟罩与各塔节都升起，通过气压使设备自重均匀作用在基础上。水槽壁作用在环墙上，但也近似将其均匀分摊在整个基础上；另一种工况是气柜完全放空，各塔节与钟罩都落在环墙上，只有计算环墙宽度时所用荷载是自重作用在环墙上的线荷载。

环墙的宽度应满足设备对其构造上的要求，但同时也必须满足底部地基承载力的要求，当环墙底部压力大于同一标高中部基底压力时，环墙可能产生大于气柜底板中间基础的沉降，而达不到“箍”的作用[5]。环墙基础截面形式有矩形截面，倒T形截面，工字形截面和箱形截面。为了施工简单方便首选矩形截面，根据《化工设备基础设计规定》中的公式[5]：

计算出的宽度b为2.4m，断面太大，不经济，另外起不到应有的“箍”的作用，再次根据倒T形计算公式：

上部宽度取1700mm即满足要求，材料在用量上比较经济。

按构造配置箍筋与抗扭环向钢筋（图1）[3]，根据《SH/T3068——2007》中9.1.15条：

1）环向受力钢筋的界面最小总配筋=1650*190*0.4%=12540mm2；2）竖向构造钢筋的最小配筋=0.002*1650*1000=3300mm2（每侧）。

4 气柜基础沉降计算

作用在基础与地基上的垂直荷载，主要是通过气压传下来的设备自重及水槽内的水重，它们均匀的分布在整个基底上。当软弱地基处理或布桩时，应对整个基础作用范围进行，不能仅处理环梁部位，以防止槽底中心沉降过大，破坏槽体。

图1 环墙基础配筋图

当气柜均匀下沉过大时，会造成进出管道与水槽及阀门室池壁连接处破坏，不但影响生产，还会发生事故。气柜对基础偏沉比较敏感，当土层厚度均匀时计算不出基础的偏沉值，担当土层不均匀沉降引起的偏沉值对气柜影响很大。

如果气柜基础偏沉，气柜倾斜到一定程度时，导轨会在轨道上卡轨，塔节和钟罩升降受阻；严重时导致水封槽密封失效。过大的地基变形将造成槽底钢板开裂，大量漏水。某化工厂曾发生气柜基础偏沉，导轮卡轨，甚至导致气柜爆炸的事故。因此，本标准限值基础偏沉在0.2%以内，而控制偏沉最有效的办法就是尽量减少绝对沉降量。

本工程地基承载力特征值fa=170kPa<200kPa，且土层厚度不均匀，应进行变形计算。

基本资料：环墙外径：27.7m，环墙宽度：2.45m，周长：79.285m，环墙宽度：1.9m，基础埋深d=1.5m，露出地面0.4m，地基承载力特征值fak=170kPa，R=13.8m，r/R=0，P0=Pk-γ*d=96.32kPa，ΔZ=1.3。

基础中心处[6]ZK216（表1）。

表1

基础边缘处1[6]ZK212（表2）。

除强度要求外，气柜基础容许变形值为60cm，对基础的径向和环向不均匀沉降均有要求，根据我国现行相关规范规定，径向不大于0.006Dt（Dt为气柜底圈内直径），沿罐同方向任意10m弧长内的沉降差不大于25mm。如果径向不均匀沉降超过允许值，则阻碍钟罩不能自由升降，影响使用，若环向沿周边不均匀沉降超过允许值，则可导致柜底与壁板焊缝拉裂，发生事故[4]。

表2

直径方向沉降差=16.9 mm，满足要求。

基础边缘处1[6]ZK212（表3）。

通过计算基础边缘及中心处的沉降差为16.9mm<20mm，满足规范要求。另外对环墙内的基础做法严格按《化工设备基础设计规范》5.0.10条的要求设计，钢水槽底板下干铺黄砂30mm，沥青砂绝缘层100mm，中粗砂垫层300mm，下部全是分层夯实的砂石垫层，基础中心应预先起拱。并在环墙基础周边约15m设置沉降观测点，定期进行沉降观测。