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LPG覆土罐（Mounded LPG Bullet）是國外一種新型的液化石油氣鋼制儲存設備，單罐容積可達3000m3，整個罐體埋藏于沙土之中，其結構主要由筒體、封頭、氣室、加強圈、人孔和接管等組成，具有安全性高、占地面積少、承載能力大等特點。LPG覆土罐結構及布局型式如下圖1 所示，覆土層隔絕陽光對罐體的曝曬，緩解了環境因素對罐內LPG液體的影響，同時還可以縮短相鄰罐體之間的安全距離，減少罐區的占地面積。

目前，已經建成使用的LPG覆土罐主要分布在英國等歐洲國家，少數遵循歐美建造標準的非洲國家也在逐步推廣。國內的LPG儲罐主要以球罐為主，尚未出現自主設計、建造的LPG覆土罐，覆土類儲罐的設計資料也較為稀缺。

設計依據 及標準規范

LPG覆土罐的設計和建造須遵循EEMUA 190—2000和ASME Section Ⅷ-2中的相關要求。

EEMUA190：是英國工程設備和材料用戶協會（Engineering Equipment & Materials Users′Association，EEMUA）頒布的標準， LPG覆土罐罐區布置、沙床設計、罐體尺寸參數、結構型式、材料選用、載荷選取、力學模型、施工要求等方面的內容主要按照本標準執行。

ASME Section Ⅷ-2：對于罐體的強度計算方法和校核準則，仍舊采用ASME Ⅷ-2標準執行，要求LPG覆土罐材料的性能，結構的強度、剛度和穩定性等均應滿足本標準的相關規定。

覆土罐的簡化 力學模型

LPG覆土罐建造完成后，對其表面進行防腐處理，然后將其放置于密實度較高的沙床之

上。采用沙床型式的支承結構，可以將常規臥式儲罐支座對罐體作用產生的集中載荷轉換成均布載荷，進而減少作用于罐體的彎矩。罐體放置就位后，在其周圍填充密實度較低的沙土，直至整個罐體完全被沙土覆蓋。其力學模型示意圖如下圖2所示。

沙床基礎承載LPG覆土罐罐體的所有載荷，罐體外表面受覆土的重力作用，需承載一定程度的外壓。考慮到沙床為離散結構，隨著使用年限的增加，沙床自身會產生不均勻的沉降變形，對罐體產生一定的剪切作用，使罐體自身產生彎矩，彎矩過大將會破壞罐體的結構強度。EEMUA190標準認為，LPG覆土罐的沙床基礎可能會出現兩種形式的不均勻沉降，分別為“middle hard（中間硬、兩頭軟）”和“middle soft（中間軟、兩頭硬）”，如下圖3所示。兩種基礎的承載能力相同，且在同一基礎中隨機出現。因此，LPG覆土罐罐體的設計應兩種基礎分別進行計算校核。

根據EEMUA190的相關規定，設定LPG覆土罐的筒體總長為L_tot，中間作用區域的長度為0.5L_tot，兩端作用區域的長度為0.25L_tot，且軟基礎的作用載荷為硬基礎作用載荷的1/2。

設計需考慮的載荷

設計LPG覆土罐需要同時考慮罐體自重載荷、介質充裝載荷、內部正壓載荷、內部負壓載荷、覆土載荷、罐體不均勻支撐載荷、軸向載荷、地震載荷、外部載荷和基礎支撐載荷共10種載荷。如下所列：

（1）自重載荷Q₁：自重載荷是LPG覆土罐罐體自身的結構重量，主要包括筒體、封頭、氣室、人孔、加強圈等；

（2）充裝載荷Q₂，Q₂′：充裝載荷是LPG覆土罐充裝介質的重量，主要包括LPG介質重量Q₂和水介質重量Q₂′2兩種，設計工況、地震工況下充裝載荷為Q₂，耐壓試驗工況下充裝載荷為Q₂′；

（3）內部正壓載荷N₃，N₃′：內部正壓載荷是LPG覆土罐充裝介質的壓力，主要包括LPG介質壓力N₃和水介質壓力N₃′兩種，設計工況、地震工況下內部正壓載荷為N₃，耐壓試驗工況下內部正壓載荷為N₃′；

（4）內部負壓載荷N₄：內部負壓載荷是由介質快速泄放而產生的罐內負壓，若罐體的泄放速度較為緩慢，則可以忽略；

（5）覆土載荷Q₅：覆土載荷是LPG覆土罐表面覆蓋沙土對罐體的作用力，其大小主要由覆土層的厚度決定，需要采用EEMUA190標準中覆土載荷的等效法計算確定，等效模型如上圖2所示；

（6）罐體不均勻支撐載荷Q₆：罐體不均勻支撐載荷由沙床基礎的不均勻沉降而產生，其大小由沙床基礎的密實度決定，該項載荷的取值由沙床設計單位提供。如下圖4所示，罐體不均勻支撐載荷主要以等效土彈簧的型式作用在罐體的下表面，對罐體產生剪切破壞；

（7）軸向載荷Q₇：軸向載荷是LPG覆土罐兩端封頭承受的外部軸向力，它屬于罐體附加載荷。若罐體僅受沙土的覆蓋作用，其取值為0；

（8）地震載荷Q₈：地震載荷是作用于LPG覆土罐的地震作用，僅在地震工況下存在，該載荷以水平地震加速度對罐體進行加載；

（9）外部載荷Q₉：外部載荷是LPG覆土罐覆土層表面的其他載荷，其作用在覆土層表面，通過覆土層傳遞給下部的罐體，該載荷屬于罐體附加載荷。若罐體僅受沙土的覆蓋作用，其取值為0；

（10）基礎支撐載荷Q₁₀：基礎支撐載荷是LPG覆土罐沙床基礎需要承載的重量，它主要由自重載荷、充裝載荷（較大者）、覆土載荷和外部載荷疊加組成，是沙床基礎設計的重要參數，也是罐體不均勻支撐載荷取值的依據。

邊界條件的考慮

（1）沙床基礎邊界條件：LPG覆土罐表面被沙土覆蓋，罐體坐落在壓實的沙床基礎之上，沙床基礎的包角一般為90°~120°之間。如上圖4所示，ANSYS Workbench

中可采用彈性支撐的型式模擬沙床基礎，罐體的不均勻支撐載荷Q6 由Elastic Foundation Stiffness（EFS）參數進行等效加載。

（2）其它邊界條件：LPG覆土罐在承受沙床基礎作用的同時，其罐體內表面受到介質的壓力N₃和液柱靜壓力Q₂、外表面承載沙土在豎直方向的壓力Q₅、水平方向承載地震載荷Q₈等多種載荷的共同作用。 

計算工況說明

根據LPG覆土罐的實際使用過程，可將其分為設計工況、耐壓試驗工況、地震工況、覆土工況共4種工況分別進行設計計算：

（1）設計工況：設計工況為LPG覆土罐的正常使用工況，該工況下罐體內部承受LPG介質的充裝載荷和內部正壓載荷，外部承受覆土載荷、罐體不均勻支撐載荷、軸向載荷和外部載荷，同時還有罐體的自重載荷。該工況下LPG覆土罐承受內壓，因此，設計過程僅需考慮罐體結構的強度問題。

（2）耐壓試驗工況：耐壓工況為LPG覆土罐建造過程中的試壓工況，該工況下罐體放置在120°包角的沙床基礎之上，其上表面未覆蓋沙土，罐體內部承受水介質的充裝載荷和內部正壓載荷，外部承受罐體不均勻支撐載荷，以及罐體的自重載荷。該工況下LPG覆土罐承受內壓，因此，設計過程僅需考慮罐體結構的強度問題。

（3）地震工況：地震工況為LPG覆土罐在正常使用過程中突發地震時的工況，該工況下罐體內部承受LPG介質的充裝載荷和內部正壓載荷，外部承受覆土載荷、罐體不均勻支撐載荷、軸向載荷和外部載荷，同時還有罐體的自重載荷和地震載荷。該工況下LPG覆土罐承受內壓，因此，設計過程僅需考慮罐體結構的強度問題。

（4）覆土工況：覆土工況為LPG覆土罐建造過程中罐體表面覆蓋沙土過程的工況，該工況下罐體僅承受外部的覆土載荷、罐體不均勻支撐載荷、軸向載荷、外部載荷以及自重載荷。該工況下LPG覆土罐屬于承受外壓的容器，需要同時考慮罐體結構強度和外壓穩定性兩方面的問題。與此同時，出于安全考慮，該工況還應將罐體內部介質卸料過程中所產生的負壓N₄納入加載條件進行計算。

各工況下的載荷方式如下表1所示：

失效模式的考慮

（1）LPG覆土罐在設計工況、耐壓試驗工況、地震工況下均承載內壓載荷，且內部壓力載荷大于外部壓力載荷，屬于內壓容器。因此，設計工況、耐壓試驗工況和地震工況下只用對罐體進行強度計算，對罐體結構進行防止塑性垮塌失效評定。

（2）覆土工況下，由于罐體內部不承受介質作用的正壓力，僅承受覆土載荷和罐體不均勻支撐載荷，屬于外壓容器。因此，該工況下需要同時考慮罐體結構的強度和外壓穩定性，同時對罐體結構進行防止塑性垮塌失效評定和屈曲失效評定。

工程設計案例

基于文中的設計方法，以某工程中2000m³的LPG覆土罐的設計參數為例，對罐體結構進行設計。

（1）設計參數，如下表2所示：

（2）載荷分析，如下表3所示：

（3）有限元模型和邊界條件的施加：

在ANSYS Workbench中，分別對LPG覆土罐進行設計工況、耐壓試驗工況、地震工況以及覆土工況的有限元分析計算，并對罐體的應力集中部位進行線性化操作處理，判斷計算結果是否滿足設計要求。建立1/2對稱全模型，設定材料參數，采用20節點的Solid 186單元劃分網格，網格數總計197820，節點數總計1011886，厚度方向劃分3層，分別考慮了“middle hard”或“middle soft”兩種形式的沙床基礎的計算。有限元模型如下圖5所示，邊界條件施加如下圖6所示：

（4）數值計算結果，設計工況、耐壓試驗工況、地震工況、覆土工況計算結果分別如下圖7~14所示：

（5）覆土工況有限元特征值屈曲計算：

覆土工況罐體處于“middle hard”和“middle soft”兩種支撐情況下，分別對其進行特征值屈曲分析，其計算結果如下圖15所示。經過對比計算，罐體的失穩部位均為靠近軟硬基礎過渡面區域的殼板。計算還表明，“middle hard”與“middle soft”兩種沙床基礎形式均能夠對罐體結構產生一定的剪切作用，導致周圍覆土對罐體結構產生彎矩。因此，必須有效地控制沙床基礎的不均勻沉降量，防止過大的不均勻沉降破壞罐體結構。

（6）強度及屈曲評定：

強度評定結果如下表4所示：

屈曲評定結果如下表5所示：

全文完……文章內容來源于期刊論文，因筆者沒有類似覆土罐的設計經驗，筆者對文中的內容持學習交流的態度，感謝論文作者提供的工程設計案例供同行交流學習。

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