大型高温储罐基础隔热层的设计

行明旭

（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）

高温储罐介质的设计温度在90～250℃之间，一般用于储存重质油品如渣油、蜡油、沥青等。常温储罐一般采用环墙式基础，环墙内部自上而下分别为沥青砂绝缘层、砂垫层、填料层。GB 50473-2008《钢制储罐地基基础设计规范》规定，当储罐内储存介质的最高温度高于90℃时，与罐底接触的基础表面应采取隔热措施[1]。目前采用较多的方法，是在罐底板与沥青砂绝缘层之间设置隔热层，隔热材料一般选用烧结砖(耐火砖或红砖)，有的隔热层还设置了通风结构[2]。贺敏等人[3]对未设置通风道的满铺烧结砖隔热层进行了温度场计算，有研究者对设计温度超过250℃的熔盐储罐的基础温度场进行了数值研究[4-6]，但目前尚无规范的标准及系统的研究成果。本文建立了基础隔热层的传热模型，对石油化工大型高温储罐基础隔热层的设计进行了研究与分析。

1 未设置通风道的隔热层传热模型

基于以下几点假定，对未设置通风道的储罐基础传热模型进行简化：

1）储罐内部介质的温度均匀恒定，可忽略内部介质传热；2）罐底板温度与介质温度相同，且罐底板的温度分布均匀；3）储罐的基础环墙内，各层填料内部的温度分布均匀；4）考虑到基础环墙内各层填料的合计厚度与罐直径相比要小很多，从罐底板至罐基础底，各层材料仅在垂直于罐底板的方向进行传热，可以忽略其他方向的散热。

高温储罐基础的各层材料温度，可按照多层平壁一维稳态导热公式进行计算：

式中，Q为传热量，W；q为热流密度，W·m-2；A为传热面积，m2；δi为材料的厚度，m；λi为材料的导热系数，W·(m·℃)-1；ti、ti+1为第i层材料两侧的温度，℃。

以某储罐为例，罐容20000m3（直径Φ=38m），储存温度110℃，采用筏板基础，埋深地下1m，隔热层采用3 层红砖满铺。自上而下，基础各层材料的厚度及导热系数见表1。

表1 储罐基础各层材料的参数

假定基础底面的土壤温度为20℃，按照式（1）计算得到各层材料的顶部温度（表1），其中沥青砂层的顶部温度为89℃（＜90℃），满足规范要求。当储罐内部介质的温度更高时，仅增加隔热层的厚度，可能无法达到预期的降温效果，如长期传热，会引起沥青砂绝缘层软化，此时需要在隔热层中间设置通风结构，以达到散热降温的目的。

2 设置通风道的隔热层传热模型

常见的通风道的隔热层自下而上依次为：红砖平铺、红砖平铺留出通风道、红砖错缝平铺压盖。通风道可提高散热效果，带走罐底的一部分传热量。参考HG/T 20643-2012《化工设备基础设计规定》的附录D 中对冷箱基础热工计算的假定，按照近似的平壁稳定热传导方法，对自然通风下通风道的传热进行计算[7]。

2.1 通风道内空气速度的计算

自然通风下，外部风速形成的动压，使通风道内产生一定的风速。风压ΔP及通风道的阻力损失ΔPm的计算公式如下：

式中，k为空气动力系数；vw、vn为室外、通风道内的空气风速，m·s-1；ρw为空气密度，kg·m-3；f为通风道内空气摩擦阻力系数；l为通风道长，m；D为通风道当量直径，m。

由ΔP=ΔPm，可计算得到通风道的风速。根据已知条件，D=0.06m，查得ρw=1.205kg·m-3，l取通风道平均长度19m，vw取该项目最小月平均风速2.7m·s-1，考虑通风道两端风载体型系数，k取1.3。当前式中的f和vn均为未知，可先假定通风道内部的空气流动属于临界区(2000 ＜Re＜4000)，则f的经验公式如下[8]：

式中：Re为通风道内部空气的雷诺数；v为空气运动黏度，m2·s-1，取15×10-6。

利用式（4）、式（5），可求得f与vn的关系式，代入式（2）、式（3），可分别求得f=0.038，vn=0.886，此时Re=3545，介于2000～4000 之间，属于临界区，符合假设。

2.2 通风道内空气放热系数的计算

可用式(6)、式(7)计算空气与通风道表面的放热系数α[9]：

式中，α为空气与通风道表面的放热系数，W·(m·℃)-1；St 为斯坦登（Stanton）数；Pr 为普朗特（Prandtl）数；cp为空气比定压热容，J·(kg·K)-1。

查得Pr=0.7，cp=1005，将已求得的f=0.038、vn=0.886 代入，可得α=6.5。

2.3 基础温度的计算

对于设置了通风道隔热层的基础，散热分为2部分，一部分热量经通风道传向大气，一部分热量经基础的各层材料传向土壤。各层材料温度的计算公式如下：

式中，Q为总散热量，W；Q1为通风道向大气的对流散热量，W；Q2为隔热层向下部的传导散热量，W；A为罐基础截面积，m2；A1为通风道表面积，m2；α为空气与通风道表面的放热系数，W·(m·℃)-1；δi为材料的厚度，m；λi为材料的导热系数，W·(m·℃)-1；t0，t1，t2，tn+1为基础各部位温度，℃。

根据已知条件，A1=0.8A，α=6.5，假 定tn+1=20℃，t0=20℃，按公式(8)～(11)，当储罐介质温度t1=110℃时，计算可得t2=65℃，t3=60℃，隔热层底部温度t4=57℃(＜90℃)，满足规范要求。当储罐介质温度t1=200℃时，其他与上述条件相同，计算可得t2=109℃，t3=100℃，隔热层底部温度t4=94℃(＞90℃)，不满足规范要求。将隔热层改为四皮砖铺设，中间两皮垂直设置通风道，计算可得t2=84℃，t3=70℃，隔热层底部温度t4=63℃(＜90℃)，满足规范要求。可以看出，隔热层需根据不同的介质温度进行相应的设计，通风道的面积越大，间距越小，降温效果越好，但设计时应验算隔热材料的强度是否满足要求。

本文按照近似的平壁稳定热传导方法，对自然通风下通风道的传热进行了计算。但通风道截面的尺寸较小，属于狭长通道，在实际的散热过程中，通风道内的平均温度高于室外温度，夏季时通风道内的温度还会更高，从而影响散热效果。若施工过程中不注意清理杂物造成通风道堵塞，也会影响散热效果。这些均属于散热的不利因素，设计过程中应适当考虑。

3 隔热层做法的探讨

目前，国内的石油化工高温储罐基础，多采用设置通风道的烧结砖砌体进行隔热层的设计，降低温度的同时会导致热量散失，为保证工艺要求，需消耗更多的能量来维持介质温度。从低碳节能的角度考虑，取消通风道，采用导热系数更低的材料进行隔热降温设计，就能大大减少能量消耗，降低经济成本。按照表1 的基础参数，将隔热层替换为导热系数更低的材料，从绝热角度进行设计，在不同的介质温度下，隔热层厚度的计算结果见表2。表2 中的计算结果仅供参考，此外还可以增加隔热材料的厚度，使温度降得更多，从而提高隔热效果，降低能耗。

表2 不同材料隔热层的计算厚度 /mm

关于高温储罐基础的做法，美标（PIP STE03020）中指出，除非隔热层的导热系数远低于土壤的导热系数，否则隔热层不起作用；同时隔热层还会引起湿气驻留、罐底腐蚀、维护困难等问题。因此，美标中明确规定不允许采用罐底隔热层，在设计时，考虑到高温下材料强度的折减，建议做法如下[10]：

做法1：罐底板落于基础环墙顶，环墙内自上而下为洁净的干砂、不含氯化物的黏土衬砌及压实的回填土。

做法2：罐底板落于钢筋混凝土板上，罐直径小于30 英尺（约9m）时，钢筋混凝土板与环墙整体浇筑；罐直径大于20 英尺（约6m）时，钢筋混凝土板与环墙顶部脱开。

做法3：罐底板落于筏板基础环墙顶，环墙内部用细颗粒碎石或砂充填。

4 沥青砂绝缘层的必要性分析

设置沥青砂绝缘层的目的，一是防止潮气、砂石土填料层中的有害化学物质及杂散电流腐蚀罐底板；二是在焊接罐底板时，高温会使沥青砂局部熔化而附着，从而对焊缝处的罐底板进行防腐保护；三是为了便于罐底的铺设和安装，保持罐基础顶的形状和基础锥面的坡度和平整度。实际使用效果的分析如下：

1）设置了隔热层的储罐基础，沥青砂绝缘层在隔热层下部，并未与罐底板直接接触，未起到保护罐底、方便铺设的目的。

2）现行的GB/T 50934-2013《石油化工工程防渗技术规范》要求，储罐基础要防渗，环墙式储罐基础应设置HDPE 防渗膜，承台式储罐基础应采用抗渗混凝土，在承台及承台以上的环墙内表面，宜涂刷聚合物水泥等柔性防水涂料[11]。防渗层可以有效阻隔地下水，防止潮气、土壤中的有害化学物质及杂散电流腐蚀罐底板，因此沥青砂绝缘层的作用减小。

3）在实际工程应用中，因储罐内部介质的液位、压力及温度发生变化，沥青砂层会出现开裂、粉化或软化的问题，起不到应有的作用。潮气透过裂缝进入罐底板和沥青砂的缝隙，当温度变低时，会有水分析出、凝聚，导致罐底板腐蚀[12]。

4）安装了阴极保护的储罐，沥青砂绝缘层会阻碍阴极保护电流的流动，影响储罐底板阴极的保护效果。

基于以上分析，综合考虑隔热层及防渗层的使用效果，认为沥青砂绝缘层的防腐保护、便于安装等作用已经减小，在今后的储罐基础设计中，可以考虑取消设置沥青砂绝缘层。

5 结论

1）以石油化工的高温储罐为例，通过建立基础温度场简化模型，利用一维稳定传热理论，对不同温度下的砖砌体隔热层温度分别进行了计算。结果表明，未设置通风道的砖砌体，仅靠热传导难以满足较高温度储罐的隔热要求；设置了通风道的砖砌体，可以向外界空气散热，达到了降温目的。但设计时，应根据储罐内不同的介质温度，对通风道的构造进行相应调整，以满足降温要求。

2）考虑到低碳节能的要求，在设计时，建议采用导热系数更低的材料，从绝热角度进行隔热层设计。

3）与美标的高温储罐基础的做法进行了比较，可为国内石油化工高温储罐的基础设计提供思路。

4）综合考虑隔热层及防渗层的使用效果，认为沥青砂绝缘层的防腐保护、便于安装等作用已经减小，在今后的储罐基础设计中，可以考虑取消设置沥青砂绝缘层。