行明旭

（中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

高溫儲(chǔ)罐介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度在90～250℃之間，一般用于儲(chǔ)存重質(zhì)油品如渣油、蠟油、瀝青等。常溫儲(chǔ)罐一般采用環(huán)墻式基礎(chǔ)，環(huán)墻內(nèi)部自上而下分別為瀝青砂絕緣層、砂墊層、填料層。GB 50473-2008《鋼制儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存介質(zhì)的最高溫度高于90℃時(shí)，與罐底接觸的基礎(chǔ)表面應(yīng)采取隔熱措施[1]。目前采用較多的方法，是在罐底板與瀝青砂絕緣層之間設(shè)置隔熱層，隔熱材料一般選用燒結(jié)磚(耐火磚或紅磚)，有的隔熱層還設(shè)置了通風(fēng)結(jié)構(gòu)[2]。賀敏等人[3]對(duì)未設(shè)置通風(fēng)道的滿(mǎn)鋪燒結(jié)磚隔熱層進(jìn)行了溫度場(chǎng)計(jì)算，有研究者對(duì)設(shè)計(jì)溫度超過(guò)250℃的熔鹽儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究[4-6]，但目前尚無(wú)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)的研究成果。本文建立了基礎(chǔ)隔熱層的傳熱模型，對(duì)石油化工大型高溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)隔熱層的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究與分析。

1 未設(shè)置通風(fēng)道的隔熱層傳熱模型

基于以下幾點(diǎn)假定，對(duì)未設(shè)置通風(fēng)道的儲(chǔ)罐基礎(chǔ)傳熱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：

1）儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)的溫度均勻恒定，可忽略?xún)?nèi)部介質(zhì)傳熱；2）罐底板溫度與介質(zhì)溫度相同，且罐底板的溫度分布均勻；3）儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)環(huán)墻內(nèi)，各層填料內(nèi)部的溫度分布均勻；4）考慮到基礎(chǔ)環(huán)墻內(nèi)各層填料的合計(jì)厚度與罐直徑相比要小很多，從罐底板至罐基礎(chǔ)底，各層材料僅在垂直于罐底板的方向進(jìn)行傳熱，可以忽略其他方向的散熱。

高溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的各層材料溫度，可按照多層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Q為傳熱量，W；q為熱流密度，W·m-2；A為傳熱面積，m2；δi為材料的厚度，m；λi為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·℃)-1；ti、ti+1為第i層材料兩側(cè)的溫度，℃。

以某儲(chǔ)罐為例，罐容20000m3（直徑Φ=38m），儲(chǔ)存溫度110℃，采用筏板基礎(chǔ)，埋深地下1m，隔熱層采用3 層紅磚滿(mǎn)鋪。自上而下，基礎(chǔ)各層材料的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)各層材料的參數(shù)

假定基礎(chǔ)底面的土壤溫度為20℃，按照式（1）計(jì)算得到各層材料的頂部溫度（表1），其中瀝青砂層的頂部溫度為89℃（＜90℃），滿(mǎn)足規(guī)范要求。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)的溫度更高時(shí)，僅增加隔熱層的厚度，可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的降溫效果，如長(zhǎng)期傳熱，會(huì)引起瀝青砂絕緣層軟化，此時(shí)需要在隔熱層中間設(shè)置通風(fēng)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到散熱降溫的目的。

2 設(shè)置通風(fēng)道的隔熱層傳熱模型

常見(jiàn)的通風(fēng)道的隔熱層自下而上依次為：紅磚平鋪、紅磚平鋪留出通風(fēng)道、紅磚錯(cuò)縫平鋪壓蓋。通風(fēng)道可提高散熱效果，帶走罐底的一部分傳熱量。參考HG/T 20643-2012《化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》的附錄D 中對(duì)冷箱基礎(chǔ)熱工計(jì)算的假定，按照近似的平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)方法，對(duì)自然通風(fēng)下通風(fēng)道的傳熱進(jìn)行計(jì)算[7]。

2.1 通風(fēng)道內(nèi)空氣速度的計(jì)算

自然通風(fēng)下，外部風(fēng)速形成的動(dòng)壓，使通風(fēng)道內(nèi)產(chǎn)生一定的風(fēng)速。風(fēng)壓ΔP及通風(fēng)道的阻力損失ΔPm的計(jì)算公式如下：

式中，k為空氣動(dòng)力系數(shù)；vw、vn為室外、通風(fēng)道內(nèi)的空氣風(fēng)速，m·s-1；ρw為空氣密度，kg·m-3；f為通風(fēng)道內(nèi)空氣摩擦阻力系數(shù)；l為通風(fēng)道長(zhǎng)，m；D為通風(fēng)道當(dāng)量直徑，m。

由ΔP=ΔPm，可計(jì)算得到通風(fēng)道的風(fēng)速。根據(jù)已知條件，D=0.06m，查得ρw=1.205kg·m-3，l取通風(fēng)道平均長(zhǎng)度19m，vw取該項(xiàng)目最小月平均風(fēng)速2.7m·s-1，考慮通風(fēng)道兩端風(fēng)載體型系數(shù)，k取1.3。當(dāng)前式中的f和vn均為未知，可先假定通風(fēng)道內(nèi)部的空氣流動(dòng)屬于臨界區(qū)(2000 ＜Re＜4000)，則f的經(jīng)驗(yàn)公式如下[8]：

式中：Re為通風(fēng)道內(nèi)部空氣的雷諾數(shù)；v為空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s-1，取15×10-6。

利用式（4）、式（5），可求得f與vn的關(guān)系式，代入式（2）、式（3），可分別求得f=0.038，vn=0.886，此時(shí)Re=3545，介于2000～4000 之間，屬于臨界區(qū)，符合假設(shè)。

2.2 通風(fēng)道內(nèi)空氣放熱系數(shù)的計(jì)算

可用式(6)、式(7)計(jì)算空氣與通風(fēng)道表面的放熱系數(shù)α[9]：

式中，α為空氣與通風(fēng)道表面的放熱系數(shù)，W·(m·℃)-1；St 為斯坦登（Stanton）數(shù)；Pr 為普朗特（Prandtl）數(shù)；cp為空氣比定壓熱容，J·(kg·K)-1。

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

2.3 基礎(chǔ)溫度的計(jì)算

對(duì)于設(shè)置了通風(fēng)道隔熱層的基礎(chǔ)，散熱分為2部分，一部分熱量經(jīng)通風(fēng)道傳向大氣，一部分熱量經(jīng)基礎(chǔ)的各層材料傳向土壤。各層材料溫度的計(jì)算公式如下：

式中，Q為總散熱量，W；Q1為通風(fēng)道向大氣的對(duì)流散熱量，W；Q2為隔熱層向下部的傳導(dǎo)散熱量，W；A為罐基礎(chǔ)截面積，m2；A1為通風(fēng)道表面積，m2；α為空氣與通風(fēng)道表面的放熱系數(shù)，W·(m·℃)-1；δi為材料的厚度，m；λi為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·℃)-1；t0，t1，t2，tn+1為基礎(chǔ)各部位溫度，℃。

根據(jù)已知條件，A1=0.8A，α=6.5，假 定tn+1=20℃，t0=20℃，按公式(8)～(11)，當(dāng)儲(chǔ)罐介質(zhì)溫度t1=110℃時(shí)，計(jì)算可得t2=65℃，t3=60℃，隔熱層底部溫度t4=57℃(＜90℃)，滿(mǎn)足規(guī)范要求。當(dāng)儲(chǔ)罐介質(zhì)溫度t1=200℃時(shí)，其他與上述條件相同，計(jì)算可得t2=109℃，t3=100℃，隔熱層底部溫度t4=94℃(＞90℃)，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。將隔熱層改為四皮磚鋪設(shè)，中間兩皮垂直設(shè)置通風(fēng)道，計(jì)算可得t2=84℃，t3=70℃，隔熱層底部溫度t4=63℃(＜90℃)，滿(mǎn)足規(guī)范要求?？梢钥闯?，隔熱層需根據(jù)不同的介質(zhì)溫度進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，通風(fēng)道的面積越大，間距越小，降溫效果越好，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算隔熱材料的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求。

本文按照近似的平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)方法，對(duì)自然通風(fēng)下通風(fēng)道的傳熱進(jìn)行了計(jì)算。但通風(fēng)道截面的尺寸較小，屬于狹長(zhǎng)通道，在實(shí)際的散熱過(guò)程中，通風(fēng)道內(nèi)的平均溫度高于室外溫度，夏季時(shí)通風(fēng)道內(nèi)的溫度還會(huì)更高，從而影響散熱效果。若施工過(guò)程中不注意清理雜物造成通風(fēng)道堵塞，也會(huì)影響散熱效果。這些均屬于散熱的不利因素，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)考慮。

3 隔熱層做法的探討

目前，國(guó)內(nèi)的石油化工高溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)，多采用設(shè)置通風(fēng)道的燒結(jié)磚砌體進(jìn)行隔熱層的設(shè)計(jì)，降低溫度的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱量散失，為保證工藝要求，需消耗更多的能量來(lái)維持介質(zhì)溫度。從低碳節(jié)能的角度考慮，取消通風(fēng)道，采用導(dǎo)熱系數(shù)更低的材料進(jìn)行隔熱降溫設(shè)計(jì)，就能大大減少能量消耗，降低經(jīng)濟(jì)成本。按照表1 的基礎(chǔ)參數(shù)，將隔熱層替換為導(dǎo)熱系數(shù)更低的材料，從絕熱角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在不同的介質(zhì)溫度下，隔熱層厚度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。表2 中的計(jì)算結(jié)果僅供參考，此外還可以增加隔熱材料的厚度，使溫度降得更多，從而提高隔熱效果，降低能耗。

表2 不同材料隔熱層的計(jì)算厚度 /mm

關(guān)于高溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的做法，美標(biāo)（PIP STE03020）中指出，除非隔熱層的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，否則隔熱層不起作用；同時(shí)隔熱層還會(huì)引起濕氣駐留、罐底腐蝕、維護(hù)困難等問(wèn)題。因此，美標(biāo)中明確規(guī)定不允許采用罐底隔熱層，在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到高溫下材料強(qiáng)度的折減，建議做法如下[10]：

做法1：罐底板落于基礎(chǔ)環(huán)墻頂，環(huán)墻內(nèi)自上而下為潔凈的干砂、不含氯化物的黏土襯砌及壓實(shí)的回填土。

做法2：罐底板落于鋼筋混凝土板上，罐直徑小于30 英尺（約9m）時(shí)，鋼筋混凝土板與環(huán)墻整體澆筑；罐直徑大于20 英尺（約6m）時(shí)，鋼筋混凝土板與環(huán)墻頂部脫開(kāi)。

做法3：罐底板落于筏板基礎(chǔ)環(huán)墻頂，環(huán)墻內(nèi)部用細(xì)顆粒碎石或砂充填。

4 瀝青砂絕緣層的必要性分析

設(shè)置瀝青砂絕緣層的目的，一是防止潮氣、砂石土填料層中的有害化學(xué)物質(zhì)及雜散電流腐蝕罐底板；二是在焊接罐底板時(shí)，高溫會(huì)使瀝青砂局部熔化而附著，從而對(duì)焊縫處的罐底板進(jìn)行防腐保護(hù)；三是為了便于罐底的鋪設(shè)和安裝，保持罐基礎(chǔ)頂?shù)男螤詈突A(chǔ)錐面的坡度和平整度。實(shí)際使用效果的分析如下：

1）設(shè)置了隔熱層的儲(chǔ)罐基礎(chǔ)，瀝青砂絕緣層在隔熱層下部，并未與罐底板直接接觸，未起到保護(hù)罐底、方便鋪設(shè)的目的。

2）現(xiàn)行的GB/T 50934-2013《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》要求，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)要防滲，環(huán)墻式儲(chǔ)罐基礎(chǔ)應(yīng)設(shè)置HDPE 防滲膜，承臺(tái)式儲(chǔ)罐基礎(chǔ)應(yīng)采用抗?jié)B混凝土，在承臺(tái)及承臺(tái)以上的環(huán)墻內(nèi)表面，宜涂刷聚合物水泥等柔性防水涂料[11]。防滲層可以有效阻隔地下水，防止潮氣、土壤中的有害化學(xué)物質(zhì)及雜散電流腐蝕罐底板，因此瀝青砂絕緣層的作用減小。

3）在實(shí)際工程應(yīng)用中，因儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)的液位、壓力及溫度發(fā)生變化，瀝青砂層會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、粉化或軟化的問(wèn)題，起不到應(yīng)有的作用。潮氣透過(guò)裂縫進(jìn)入罐底板和瀝青砂的縫隙，當(dāng)溫度變低時(shí)，會(huì)有水分析出、凝聚，導(dǎo)致罐底板腐蝕[12]。

4）安裝了陰極保護(hù)的儲(chǔ)罐，瀝青砂絕緣層會(huì)阻礙陰極保護(hù)電流的流動(dòng)，影響儲(chǔ)罐底板陰極的保護(hù)效果。

基于以上分析，綜合考慮隔熱層及防滲層的使用效果，認(rèn)為瀝青砂絕緣層的防腐保護(hù)、便于安裝等作用已經(jīng)減小，在今后的儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，可以考慮取消設(shè)置瀝青砂絕緣層。

5 結(jié)論

1）以石油化工的高溫儲(chǔ)罐為例，通過(guò)建立基礎(chǔ)溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化模型，利用一維穩(wěn)定傳熱理論，對(duì)不同溫度下的磚砌體隔熱層溫度分別進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，未設(shè)置通風(fēng)道的磚砌體，僅靠熱傳導(dǎo)難以滿(mǎn)足較高溫度儲(chǔ)罐的隔熱要求；設(shè)置了通風(fēng)道的磚砌體，可以向外界空氣散熱，達(dá)到了降溫目的。但設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)罐內(nèi)不同的介質(zhì)溫度，對(duì)通風(fēng)道的構(gòu)造進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以滿(mǎn)足降溫要求。

2）考慮到低碳節(jié)能的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用導(dǎo)熱系數(shù)更低的材料，從絕熱角度進(jìn)行隔熱層設(shè)計(jì)。

3）與美標(biāo)的高溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的做法進(jìn)行了比較，可為國(guó)內(nèi)石油化工高溫儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供思路。

4）綜合考慮隔熱層及防滲層的使用效果，認(rèn)為瀝青砂絕緣層的防腐保護(hù)、便于安裝等作用已經(jīng)減小，在今后的儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，可以考慮取消設(shè)置瀝青砂絕緣層。