錐底儲罐底板泄漏事故原因淺析

張方勤

（東華工程科技股份有限公司，安徽合肥230022）

目前，我國的化工品倉儲項目儲罐基本分為平底罐及錐底罐，錐底罐又分為倒錐底儲罐（基礎(chǔ)頂面中間低，周圍高,底板呈倒錐形）及正錐底儲罐（中間高，周圍低,底板呈正錐形）。與普通平底罐相比，錐底罐在不增加造價的情況下，能較大幅度改善儲運狀態(tài)，其主要優(yōu)點是：消除微生物的滋生環(huán)境，便于業(yè)主更換貯存產(chǎn)品時的排凈和洗罐作業(yè)，減少電化學(xué)腐蝕等。當(dāng)然，錐底罐對底板焊接和基礎(chǔ)處理都有相當(dāng)高的要求。

1 問題描述

某化工品庫區(qū)共22 臺儲罐，均為倒錐底罐，全部儲罐施工完成并經(jīng)水壓試驗、基礎(chǔ)沉降等各項驗收合格后，開始投用以發(fā)揮經(jīng)濟效益。在儲罐進石腦油后第二天，發(fā)現(xiàn)TK2307 儲罐從基礎(chǔ)處往外泄漏石腦油，第三天，發(fā)現(xiàn)TK2204 儲罐也從基礎(chǔ)處往外滲石腦油。經(jīng)過排空、放水置換，打開TK2307 儲罐人孔進行罐內(nèi)清洗處理。入TK2307 罐檢查發(fā)現(xiàn)，靠近集液坑處中幅板的一條徑向?qū)雍缚p邊產(chǎn)生了約50～100 mm 長的裂紋，中心集液槽傾斜并向上拱起，該裂紋位于傾斜的中心集液槽向上拱起的最高點附近，詳細測量數(shù)據(jù)見圖1。

之后，為確保其他儲罐安全和查清問題根源，我們又先后對剩余倒錐底罐進行開罐檢查，發(fā)現(xiàn)TK2201、TK2205 二個儲罐底板存在上述類似問題，即底板變形較大，中心集液槽不均勻，向上拱起（有排液管的一側(cè)向上拱起的幅度?。?，但未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。其余儲罐底板變形較小，且在規(guī)范允許范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)泄漏。

圖1

整個庫區(qū)22 臺錐底罐共有4 臺儲罐底板變形偏大，中心集液槽不均勻向上拱起，其中最先發(fā)現(xiàn)的TK2307、TK2204 二臺儲罐變形最大，導(dǎo)致TK2307 分別出現(xiàn)1 條裂紋，TK2204 出現(xiàn)3 條裂紋并導(dǎo)致泄漏；同時檢修罐時發(fā)現(xiàn)，TK2201、TK2205 未泄漏的儲罐集液槽和基礎(chǔ)貼合非常緊密，無拱起、松動、懸空現(xiàn)象，變形量也較小，其變形應(yīng)該是施工后形成，而不是投料過程中新形成的。

2 原因分析

從打開泄漏的TK2307、TK2204 儲罐底板并經(jīng)實測的數(shù)據(jù)分析，事故調(diào)查小組一致認為，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因有兩方面：一是焊接施工質(zhì)量存在問題；二是儲罐基礎(chǔ)回填部分沉降偏大，即罐底板錐形中心處存在一定缺陷的焊縫，在儲罐充水試驗和裝卸介質(zhì)時產(chǎn)生的交變載荷的作用下產(chǎn)生了裂紋；基礎(chǔ)回填砂石部分沉降量偏大，環(huán)墻沉降小造成的罐底板超量的彈塑性變形加速了這一過程。以下逐項分析這些原因：

2.1 從罐底板受力的理論分析角度探討其形成機理

從受力情況上分析，倒錐形儲罐底板軸向（垂直）為壓應(yīng)力，徑向（水平）和切向兩個方向都是拉應(yīng)力。具體來說，集液槽拱起、懸空肯定是某種向上作用力作用的結(jié)果。我們分析在集液槽上作用著五種力——介質(zhì)向下的重力、中幅板處介質(zhì)的重力在錐型底板上向下的分力、空鼓的中幅板在介質(zhì)作用下產(chǎn)生下陷變形傳導(dǎo)到集液槽從而產(chǎn)生的鋼板向上的力、集液槽和基礎(chǔ)瀝青砂石產(chǎn)生的摩擦力（摩擦力隨著前三種力合力方向而改變方向）、基礎(chǔ)的反作用力。如果底板平整并且和基礎(chǔ)面完全貼合，則第三種力不存在，集液槽僅受向下的力，并與摩擦力和底板的反作用力相平衡，從而決定著集液槽永遠不會上拱而是存在著向下的趨勢。但各種現(xiàn)象表明，“空鼓的中幅板在介質(zhì)作用下產(chǎn)生下陷變形傳導(dǎo)到集液槽，從而產(chǎn)生鋼板向上的彈性變形力”產(chǎn)生了決定性的作用。

2.2 基礎(chǔ)不均勻沉降情況

不可否認，在基礎(chǔ)設(shè)計上面的確存在“強(圈梁)——弱(級配砂)——強(集液槽底部)——弱(級配砂)——強(圈梁)”現(xiàn)象，但我們認為不足以引起“嚴重變形為W形狀”。本項目基礎(chǔ)設(shè)計基依據(jù)地質(zhì)條件為：地面至基巖深度8.2 m，為強夯地面，強夯地面和施工的基礎(chǔ)部分為可沉降部分，總深度約為9 m，產(chǎn)生不均勻沉降的部分應(yīng)該為圈梁墊層以上部分。依據(jù)SH 3068-2007《石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，在考慮合格的強夯基礎(chǔ)上，按照實際施工情況計算的第1 臺儲罐基礎(chǔ)周邊砂石與集液槽中心處的沉降量差為1.3 mm。按照設(shè)計圖紙，其混凝土環(huán)梁基礎(chǔ)的計算沉降量為5.6 mm，離罐壁3.5 m 處級配砂的墊層基礎(chǔ)的計算沉降量為9.5 mm；假設(shè)罐中心集液槽直接座落在強夯基礎(chǔ)上，則中心基礎(chǔ)的計算沉降量為8.2 mm，環(huán)梁基礎(chǔ)與其他基礎(chǔ)處的沉降量差為3.9 mm。也就是說，從設(shè)計計算來看，基礎(chǔ)各部分的沉降偏差不大，能滿足要求。其他罐情況類似。

當(dāng)然，實際施工過程中，尤其在基礎(chǔ)砂石層出現(xiàn)施工質(zhì)量問題時，不均勻沉降量將會遠大于設(shè)計量，從而引起不均勻沉降變形。在實際檢修的過程中，我們采取多種方式對此進行了觀察和測量。結(jié)果如下：

（1）2 臺泄漏儲罐在集液槽拆除后，底板未能全部復(fù)位，從集液槽基礎(chǔ)坑順著懸空的底板向下觀察基礎(chǔ)面，觀察直徑可達3～4 m，基礎(chǔ)面保持平整，無明顯的凹陷變形。

（2）其他未泄漏的儲罐集液槽拆除后，底板復(fù)位情況良好的儲罐，集液槽基礎(chǔ)坑的深度均約為620 mm，底板坡度尺寸和設(shè)計值相吻合，說明集液槽基礎(chǔ)和圈梁無明顯的相對沉降，否則底板坡度尺寸和設(shè)計值將出現(xiàn)較大的偏差。

（3）在進行注漿開孔時，我們測量了部分儲罐瀝青砂基礎(chǔ)面對壁板角焊縫的尺寸，見表1～表4。

根據(jù)以上統(tǒng)計表，實際數(shù)值和設(shè)計值平均偏差為21 mm，最大正偏差為22 mm（該處基礎(chǔ)面低于設(shè)計值），最大負偏差為-20 mm（該處基礎(chǔ)面低于設(shè)計值）。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出基礎(chǔ)面沒有在施工過程中出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)以外的不均勻沉降的結(jié)論。

按照原先的分析推論，底板為W 形狀，基礎(chǔ)面的形狀亦應(yīng)為W 形狀，集液槽被強夯地面托起，沉降量小或不沉降，“強的圈梁”被強夯地面托起，沉降量小或不沉降，則中幅板位置瀝青砂石基礎(chǔ)應(yīng)該凹陷下去，深度應(yīng)為約80～100 mm。但是若要符合變形后底板的實際尺寸，則壁板角焊縫和集液槽邊緣應(yīng)該基本水平甚至集液槽邊緣高出壁板角焊縫，那么“強的圈梁”也應(yīng)該沉降80～100 mm，這將是一個可以明顯觀察的沉降量，但基礎(chǔ)沉降觀測數(shù)據(jù)表明從沒有出現(xiàn)如此大的沉降，明顯和原先的分析推論相矛盾，實際的檢查測量否定了W 型基礎(chǔ)面的存在。

表1 TK2201 基礎(chǔ)面測量數(shù)據(jù)

表2 TK2205 基礎(chǔ)面測量數(shù)據(jù)

表3 TK2204 基礎(chǔ)面測量數(shù)據(jù)

表4 TK2307 基礎(chǔ)面測量數(shù)據(jù)

2.3 從實際施工情況分析各施工因素產(chǎn)生的影響

（1）焊接變形的影響

儲罐底板在焊接后均不可避免地產(chǎn)生一定的變形，造成罐底板與罐基礎(chǔ)面之間不完全貼合。按GB 50128-2014《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工及驗收規(guī)范》6.3.2條款規(guī)定“罐底焊接后，其局部凹凸變形深度，不應(yīng)大于變形長度的2%，且不大于50 mm”。因此，焊接后罐底的變形量小于50 mm 屬于正常。經(jīng)查閱有關(guān)資料，該儲罐施工完成后，對其進行幾何尺寸檢查時的記錄顯示，其罐底板局部凹凸變形深度最大為25 mm，符合規(guī)范要求，但凹凸度測量的是底板高點和低點之差，尚無法真實反映底板空鼓的情況，但可以肯定地說，底板空鼓量大于凹凸度測量的數(shù)據(jù)。

（2）焊接質(zhì)量的影響

現(xiàn)場實際檢查表明，泄漏的TK2307、TK2204 焊接質(zhì)量確實不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，分述如下：

①焊縫外觀質(zhì)量缺陷：從圖片上看，焊縫表面質(zhì)量存在缺陷，焊縫低于母材，有咬邊、飛濺等表面缺陷。

②焊縫內(nèi)部質(zhì)量存在夾渣、未焊透或未溶合現(xiàn)象。底板焊縫的檢測主要是靠焊縫外觀檢查和真空試驗。這兩種檢查方法只能檢查焊縫的表面質(zhì)量，不能檢查其內(nèi)部缺陷。

③當(dāng)時施工作業(yè)處于雨季，焊接作業(yè)中，受環(huán)境影響，因水汽或空氣濕度過大可能導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔等缺陷，或剛焊接的焊縫受雨水淋，冷卻速度過快，產(chǎn)生延遲裂紋等。

④焊接過程中個別焊接作業(yè)人員可能違反焊接工藝規(guī)程，未按已經(jīng)審核的焊接工藝評定方案作業(yè)。從照片上看，所出現(xiàn)裂縫的焊縫屬于補焊的，導(dǎo)致焊接工作完成后，焊接應(yīng)力過大。

2.4 集液槽基礎(chǔ)坑的施工影響

設(shè)計要求集液槽基礎(chǔ)坑應(yīng)和集液槽緊密貼合，有空隙的必須搗實，但檢修中發(fā)現(xiàn)，凡是拱起嚴重的集液槽和基礎(chǔ)坑均貼合不緊密（拆除容易），減小了集液槽的穩(wěn)定性，在底板變形過程中較容易被抬起，即由于集液槽在集液坑中相對松弛，較小的變形力就足以使其拱起。比較TK2201、TK2205 罐及其他各罐集液槽的拆除情況可見，集液槽基礎(chǔ)的施工存在著較大的差異。未出現(xiàn)底板泄漏的儲罐是施工后集液槽和基礎(chǔ)坑均貼合緊密的，摩擦力大，能夠較大地抵抗底板變形產(chǎn)生的向上的彈性變形力，不產(chǎn)生變形。

2.5 空鼓的作用過程

首先我們考慮在中幅板中間存在一處空鼓，比如說40 mm，在加載過程中，受到介質(zhì)的重力，向下產(chǎn)生變形，其原先存在的內(nèi)應(yīng)力和變形要向外傳導(dǎo)，原則應(yīng)是向最容易傳導(dǎo)的方向傳導(dǎo)。在壁板方向，有地腳螺栓限定著其變形，在中幅板處，由于中幅板焊縫（強度高于母材）以及對接板墊焊的墊板，同樣阻止變形的傳導(dǎo)，比較容易傳導(dǎo)的方向就是集液槽的方向。變形量在中幅板處僅僅存在，比如說40 mm 的空鼓，傳導(dǎo)到集液槽出現(xiàn)100 mm 多的變形，主要是杠桿原理的結(jié)果，造成傾斜的原因是空鼓量的不一致。

綜上，該工程項目錐底儲罐變形的原因是：焊縫質(zhì)量問題產(chǎn)生裂紋及底板空鼓造成集液槽拱起，而底板空鼓的原因又是：焊接變形是主要原因，基礎(chǔ)不均勻沉降是次要原因。