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【主题文章】双层油罐能否满足车道下直埋的条件分析
作者: admin
时间: 2018-05-18
摘 要:
本文依据当前加油站防渗漏改造中提高土地利用率的现实需求,全面分析了双层油罐车道下直埋的必备要求,进而从回填环境和油罐自身性能两个维度进行分析,提出了双层油罐能否满足车道下直埋的判断条件。
关键词:
加油站 双层油罐 车道下 直埋 承重
一、前言
加油站防渗漏改造工作作为我国环保事业攻坚战的重要组成部分,目前已经进入全面推进的节奏中,伴随着改造工作的持续进行,如何平衡好环保效益和经济效益之间的关系,是加油站必须考虑的一个现实问题。因此,越来越多的加油站把如何提升单位占地面积的盈利能力作为重点,在防渗改造工作中选择将双层油罐直接埋设于车道下方,从而空出更多的土地面积用于商品销售等能够产生效益的经营活动。
在应用传统单层钢制油罐的时代,车道下直埋是一个费时费力的工程,不仅油罐内部要做复杂的支撑结构,影响后期清罐等一系列活动,而且需要搭建钢筋混凝土框架结构的承压罐池,直接土建投入成本高,而且受混凝土工程养护时间的限制,施工周期很长。如应用于防渗改造,会造成加油站停业时间过长,影响我国的油品供应保障。
到了双层油罐时代,随着技术性能的进步,油罐的环保性能提升迅猛。尤其是被我国国家标准认定为未来发展趋势的FF型双层油罐[1] ,不仅从本质上解决了腐蚀渗漏、在线检测等问题,也有一些优秀的厂家实现了双层油罐的车道下直埋,无需任何现场混凝土施工,即可达到承重直埋的效果,得到了加油站业主的一致好评。
显然,并不是任何双层油罐都能实现车道下直埋的,然而受市场需求的推动,越来越多的双层油罐品牌宣称其产品能够实现车道下直埋。那么车道下直埋究竟需要具备怎样的条件呢,这是一个值得我们从本质去探寻的问题。
二、什么是双层油罐的车道下直埋
从直观上来看,任何类型的油罐,如果要实现车道下直埋,就要求其自身具备足够的强度,能够承受来自土壤和车辆的载荷。但是对于双层油罐来说,要求却不止如此。
相对于单层油罐,双层油罐提供了两个特性,其一是双层的罐壁提供了二次保护空间,使得仅单层罐壁泄漏的情况下,油品不会直接进入到环境中;其二是提供了基于中间层的在线渗泄漏检测,使得出现问题时能够被及时的感知和发现。所以,根据标准中的定义,双层油罐必须具备贯通间隙,而且其贯通间隙的尺寸和容积还要符合标准要求[2] 。这一要求也同样适用于车道下直埋的双层油罐。
图1:行业标准中对于贯通间隙尺寸的要求
由此,我们可以看出,对于双层油罐来说,“承重”和“直埋”是两个天然不同的概念。
所谓“承重”,是指油罐在车道下直埋的情况下,能够抵抗来自车辆的载荷,不发生明显的变形,目前很多双层油罐厂家所宣称的检测报告就是指的这种“承重”。
而对于“直埋”,则意味着油罐在车道下直埋的情况下,能够保持与不直埋完全一样的性能,这种性能不仅仅包括不变形,还包括测漏安全性、寿命等一系列的要求。
所以,对于双层油罐来说,车道下直埋绝不仅仅是说其具备足够的强度,能够支撑起加油站营运过程中的各种载荷,还要求在承受外压的时候能够维持其中间层间隙的完整性和贯通性。
三、双层油罐车道下直埋的条件分析
从严谨的技术角度来看,判断双层油罐能否直埋离不开基于挠度的屈曲分析,以确定双层油罐在特定载荷下的稳定性以及结构失稳的临界载荷。那么,就必须用到一个常用的公式——爱荷华公式[3] :
由上述公式可以看出,研究双层油罐能否实现车道下直埋,需要分解为三个条件,分别是Load Factor(载荷系数)、Tank Stiffness Factor(油罐刚度系数)、和Soil Stiffness Factor(土壤刚度系数),以下我们逐一进行分析。
Load Factor(载荷系数)
双层油罐埋地环境下的载荷包括回填材料(土壤)载荷、内容物(油品)载荷、浮力(地下水)载荷、地面构筑物(罩棚)载荷、移动(车辆)载荷等。尽管不同加油站之间,上述载荷情况各不相同,比较复杂,但是从整体对比的角度来看,Load Factor(载荷系数)是一个与双层油罐类型和结构性能无关的物理量,可以认为无论采用何种类型的双层油罐,都要面对上述载荷,所面对的外部环境相同,在不同类型的双层油罐直埋分析中,可以作为常量来思考对待。
Tank Stiffness Factor(油罐刚度系数)
油罐刚度系数,是一个与油罐类型和结构性能高度相关的物理量,也是本文所要研究的重点内容。
对于双层油罐而言,其刚度系数在物理上表示为E(弹性模量)和I(截面惯性矩)的乘积,具体来说取决于三点,分别是:罐壁材料性能、罐壁结构、加强结构,我们逐一来看。
1. 罐壁材料性能
罐壁材料性能指的是构成罐壁材料的弹性模量E的值,对于常见的FF型双层油罐和SF型双层油罐而言,构成罐壁的材料分别为FRP和钢,其中FRP材料的弹性模量E为800,000PSI,钢的弹性模量E为29,000,000PSI。也就是说,单纯从材料的弹性模量来看,钢是FRP材料的36倍,材料自身强度刚才高于FRP材料。
2. 罐壁结构
罐壁结构影响了双层油罐刚度系数中的截面惯性矩I,惯性矩(moment of inertia of an area)是一个几何量,通常被用作描述截面抵抗弯曲的性质。惯性矩的国际单位为m4。
图2:截面惯性矩示意图
由截面惯性矩I的定义可知,罐壁结构距离参考平面的距离越远,其截面惯性矩I的值也就越大,这就是越厚的罐壁强度越高的原因。对于双层油罐来说,其罐壁截面惯性矩I的运算方式,取决于一个很重要的特性,那就是中间层是否具备坚固连接的支撑结构。
对于采用三维织物作为中间层结构的双层油罐而言,其内外壁被“工”字型结构连续排布的玻璃纤维立柱所连接和支撑,且连接强度高达1MPa[4] ,可以认为内外壁连接为一个整体,承受外压的时候内外壁之间不会发生相对移动,因此应采用内层罐壁+中间层+外层罐壁之和来计算其截面惯性矩I。
而对于采用铝箔、聚酯薄膜、颗粒状材料等作为中间层的双层油罐而言,其内外壁仅仅被“隔开”,而非“牢固连接”,所以在承受外压的时候内外壁会发生相对的移动,无法作为一个整体来进行计算,因此应采用其单层罐壁的厚度来计算其截面惯性矩I。
图3:双层油罐罐壁示意图
参考图3提供的双层油罐罐壁结构,假设其内壁厚度为4.8mm,中间层间隙为3.5mm,外壁厚度为5.6mm,以在承受外压时最可能发生形变的外壁外表面作为参考平面,则有:
采用薄膜等材料等作为中间层的双层油罐: I = 369mm4
采用三维织物材料作为中间层的双层油罐: I = 6,762mm4
可见采用三维织物材料,相对于采用铝箔、聚酯薄膜、颗粒物等材料作为中间层的油罐,其罐壁结构所提供的截面惯性矩I要高出18倍。
但是,仅有罐壁结构是不够的,前文中我们了解到,双层油罐的刚度系数在物理上表示为E(弹性模量)和I(截面惯性矩)的乘积,而仅依靠带有三维织物的罐壁结构,其截面惯性矩I相对于单层罐或采用铝箔、聚酯薄膜、颗粒物等材料作为中间层的油罐高出18倍,但FRP材料的弹性模量E却比钢材的弹性模量E低了36倍,并不足以弥补材料所带来的差距,更无法单独支撑双层油罐实现车道下直埋了。所以还必须考虑第三个要素,那就是加强结构。
3. 加强结构
加强结构的存在就是通过提高物体几何构架所带来的截面惯性矩I,来起到其加强的作用的,对于双层油罐而言,一般的加强结构分为两大类:内加强和外加强。对于FF型双层油罐而言,一般采用外加强;对于SF型双层油罐而言,一般采用内加强。
图4:各类型双层油罐的支撑结构
但是,双层油罐在车道下直埋时,直接承受外部载荷的恰恰是油罐外层罐壁,所以如果油罐的车道下直埋需要对罐壁进行加强,那么就一定要对油罐的外壁进行加强,而非对油罐的内壁进行加强。如果仅对油罐内壁进行加强,直接承受外压的外层罐壁不具备足够的结构强度,就无法承受直埋条件下的车辆载荷。
那么,在考虑了外加强的情况下,油罐整体的截面惯性矩I会是怎样的呢,我们在上图3的基础上增加了附着在油罐外壁的加强筋,如下图5所示,其截面惯性矩I达到了1,678,026mm4,相较于单层罐或采用铝箔、聚酯薄膜、颗粒物等材料作为中间层的油罐高出4547倍。
图5:带外壁加强筋的双层油罐罐壁示意图
由此可见,增加了油罐外壁的加强筋后,双层油罐整体的刚度大幅提升,即便FRP材料自身的弹性模量E相对钢材较低,但是由于刚度是E(弹性模量)和I(截面惯性矩)的乘积,所以在考虑各类型油罐常规厚度结构的条件下,带有外加强筋的FF型双层油罐,其整体刚度相较于单层钢罐和其他类型的双层油罐高出了3~5倍。
但是,仅有连接在油罐外壁的加强筋是不够的,油罐在埋地的环境下,受土壤载荷、地下水、反复充装油品等因素的影响,后期成型或者粘结的加强筋非常的容易脱落,所以,只有与外壁一体成型的加强筋,才能够承受长期埋地环境下的各种严酷条件,在油罐完整生命周期的时间段内提供牢固的加强作用。
Soil Stiffness Factor(土壤刚度系数)
整体来说,土壤刚度系数也类似于Load Factor(载荷系数),是一个于油罐自身无关的物理量,但是不同类型的回填材料对于双层油罐的车道下直埋性能也影响很大。
图6:碎石回填的压力分散效果
目前双层油罐所使用的回填材料一般为细沙和碎石,与细沙相比,碎石颗粒之间的摩擦力大,由于颗粒间相互嵌入和连锁作用产生的咬合力强,因此其内摩擦角远超细沙,由于内部摩擦角的作用,碎石的抗剪能力也远超细沙。当车轮载荷作用在碎石上时(如上图所示),碎石能够将车轮载荷分散化、平均化,车轮载荷将以一个四棱锥台的形状向油罐方向传递。其中,车轮接地面积为四棱锥台顶面,锥台斜边斜率则由碎石内摩擦角所产生的回填材料滑动角决定。由于这种分散化、平均化的载荷传导形式,导致车轮载荷传递至油罐表面时的承压面积大大增加,压强相应减小,增强了油罐整体的承压能力。
由此可知,采用碎石作为回填材料,相较于细沙,更能够适应双层油罐车道下直埋的条件。
四、结语
综合上述分析,我们可以得出以下结论,一个双层油罐要实现车道下,必须经过大量的科学论证和实验验证,并且要在回填材料、罐壁结构、加强结构等方面都具备相应的设计和技术指标。一般来说,能够实现车道下直埋的双层油罐,应当至少具备对外壁进行加强,加强结构一体成型、内外层罐壁之间具备可靠支撑、采用碎石回填这几个特征。
双层油罐的车道下直埋,既是加油站业主的切实需求,又是需要慎重对待影响安全运营的重要事项,因此必须从科学的角度出发,认识到不同类型双层油罐所固有的特征,不能跨越科学发展的一般规律,要依靠踏踏实实的技术研究和大量实际应用的市场论证,以负责任的态度满足市场的需求。
资料来源:
1.GB 50156-2012. 汽车加油加气站设计与施工规范[S].
2.SH/T 3177-2015. 加油站用埋地玻璃纤维增强塑料双层油罐工程技术规范[S].
3.Merlin G. Spangler于1930年在Lowa State University(爱荷华大学)推导.
4.BS EN 13160-7:2003. Leak detection systems-Part 7: General requirements and test methods for interstitial spaces,leak protecting linings and leak protecting jackets[S].
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