大型常壓儲罐罐壁沉降的諧波分析研究與應(yīng)用

張豪杰* 張子健 許 波,2 柴軍輝,2 張小龍 胡 健 吳蒙蒙

（1. 寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)公司 2. 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

常壓儲罐被廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)，作為國家石油戰(zhàn)略儲備計劃的重要設(shè)備，常壓儲罐大多建造于沿海軟土地區(qū)。受到地質(zhì)條件、建造地基、現(xiàn)場安裝條件等多種因素的影響，隨著儲罐使用年限增加，儲罐基礎(chǔ)會產(chǎn)生沉降，對儲罐的使用產(chǎn)生不良影響，甚至留下安全隱患。因此，在大型常壓儲罐的檢驗(yàn)檢測過程中，判定基礎(chǔ)沉降是否符合使用要求的方法就顯得尤為重要[1]。

1 儲罐的沉降類型

1.1 均勻沉降

儲罐整體均勻沉降通常對儲罐安全運(yùn)行的影響較小，雖然沉降會使儲罐罐壁接管處的局部附加應(yīng)力增大，但對儲罐的整體應(yīng)力水平和應(yīng)力分布影響很小，危害程度較低。然而過度的均勻沉降會使罐壁和接管的連接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生一定程度的損壞，使儲罐的安全運(yùn)行存在安全隱患。

1.2 整體平面傾斜沉降

儲罐罐壁整體平面傾斜沉降會導(dǎo)致其產(chǎn)生剛體旋轉(zhuǎn)位移，但儲罐基礎(chǔ)仍然保持原有的幾何形狀。儲罐建造初始，基礎(chǔ)一般是水平的，但其發(fā)生整體平面傾斜沉降后，儲罐底板會形成傾斜平面。相關(guān)研究資料表明：整體平面傾斜沉降對儲罐造成的安全威脅并不是沉降種類中最大的，其危害程度稍大于均勻沉降。

1.3 不均勻沉降

儲罐罐壁不均勻沉降的沉降量通常比均勻沉降、整體平面傾斜沉降更小，但對整體結(jié)構(gòu)的影響卻很大，不均勻沉降會使儲罐產(chǎn)生徑向變形，使罐壁產(chǎn)生超應(yīng)力現(xiàn)象。徑向變形又稱為橢圓化變形，過大的橢圓化變形會使固定頂儲罐罐頂產(chǎn)生較大的徑向位移，且會導(dǎo)致浮頂罐自由活動的浮頂失靈，甚至?xí)斐墒鹿省?/p>

1.4 底板沉降

由于承受儲存介質(zhì)的靜壓力，儲罐底板會產(chǎn)生較大變形，一般情況下最大沉降發(fā)生在底板中央，有時也會發(fā)生在中幅板和邊緣板之間的某一位置，而很少發(fā)生在底板的邊緣。底板的變形破壞程度主要受到沉降的形式和最大沉降量影響，在最大沉降量相同時，局部沉降最易造成底板變形[2]。

對上述4 種沉降類型進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，儲罐罐壁的不均勻沉降對儲罐的結(jié)構(gòu)影響最大。

2 沉降檢測

SY/T 6620—2014《油罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》[3]標(biāo)準(zhǔn)對油罐罐底沉降的評定規(guī)定如下：在儲罐沉降檢測中，沉降觀測點(diǎn)數(shù)不少于8 個，沉降點(diǎn)在圓周上的最大間距是9.8 m，且沉降點(diǎn)在油罐罐壁上應(yīng)是等距的。在滿足以上條件的前提下，選取合適的測定點(diǎn)數(shù)N，可以根據(jù)下式計算：

式中：N——沉降測量點(diǎn)的最低要求數(shù)值， 分?jǐn)?shù)值向上取整數(shù)；

D——儲罐直徑，m 。

圖1 所示為罐壁沉降測量的推薦位置，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算就能得出儲罐的實(shí)際沉降量。

圖 1 罐壁沉降的測量的推薦位置（外部）

3 儲罐沉降諧波分析

3.1 圖形法

為了確保儲罐罐壁和罐底的結(jié)構(gòu)完整性，對儲罐非平面沉降進(jìn)行重點(diǎn)評定。常用評定方法是確定油罐圓周上每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的均勻沉降和剛性體傾斜分量的數(shù)值，剛性體平面是測量非平面沉降數(shù)值的重要基準(zhǔn)。儲罐罐壁沉降分量影響曲線可按照下列各項(xiàng)來繪制：

（1）實(shí)際邊緣沉降（大多數(shù)情況下是不規(guī)則的）是以油罐整個圓周上的各點(diǎn)作為橫坐標(biāo)繪制的。

（2）橫坐標(biāo)和該曲線的最低點(diǎn)之間的垂直距離是最小沉降量，即為均勻沉降分量。通過這個點(diǎn)平行于橫坐標(biāo)的線可作為沉降測量的新基礎(chǔ)或基準(zhǔn)線，稱為“校準(zhǔn)沉降”。

（3）剛性體沉降的平面是由實(shí)際邊緣沉降的最大值和最小值之間的“最佳余弦曲線”來表示的。最簡單的方法是徒手繪制，可參考試算法將全部數(shù)據(jù)繪制成貼合的最佳余弦曲線；較好的方法是應(yīng)用計算機(jī)的數(shù)學(xué)和圖解性能來繪制。

（4）不規(guī)則曲線和余弦曲線之間的垂直距離代表非平面沉降的數(shù)值。

（5）通常使用和可接受的方法是使用計算機(jī)解出常數(shù)a，b 和c，根據(jù)下式計算得到最佳余弦曲線：

式中： ——余弦曲線上角度為 時的預(yù)測高度。

計算機(jī)最佳擬合余弦曲線的典型初始點(diǎn)是最小方差擬合，所選的參數(shù)a，b 和c 可將測量高度與預(yù)測高度差的平方和R2減到最小。只有當(dāng)R2的值小于或等于0.9 時，認(rèn)為該最佳余弦曲線是有效的。

式中：Syy——平均測量高度與測量高度差的平方和； SSE——測量高度與預(yù)測高度的差的平方和。

3.2 數(shù)值法

數(shù)值法計算不均勻沉降通常采用對罐周沉降u 進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開的方法：

或采用下式進(jìn)行計算：

4 在用罐壁沉降允許值判斷

4.1 根據(jù)GB 50473—2008判斷

根據(jù)GB 50473—2008《鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[5]，沉降允許值規(guī)定如表1 所示。

表 1 儲罐沉降允許值

4.2 根據(jù)SY/T 6620—2014判斷

根據(jù)實(shí)際測量值確定最大不均勻沉降量，可通過下式進(jìn)行計算：

式中：S——沉降(不均勻沉降) ，m ；

L——測量點(diǎn)之間弧長，m；

Y——屈服強(qiáng)度，MPa ；

E——楊氏模量，MPa

H——油罐高度，m。

5 應(yīng)用案例

某地區(qū)化工廠10 個儲罐的具體參數(shù)如表2 所示。

對10 個儲罐進(jìn)行沉降檢測，實(shí)測沉降情況如圖2 所示。

表 2 某化工廠內(nèi)10個儲罐具體參數(shù)

圖 2 10個儲罐沉降實(shí)測沉降情況

表 3 10個儲罐沉降諧波分析結(jié)果

將測得的實(shí)際沉降數(shù)值，通過基于3.2 章節(jié)編制的Matlab 諧波分析程序進(jìn)行計算，結(jié)果如表3 所示。

根據(jù)GB 50473—2008 標(biāo)準(zhǔn)可知，除了V109 罐不合格外，其余儲罐的沉降值均合格，而根據(jù)SY/T 6620—2014 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，則10 個儲罐的沉降值均合格。

6 結(jié)論

由上述分析可知，儲罐沉降檢測諧波法可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， SY/T 6620—2014 標(biāo)準(zhǔn)較GB 5043—2008標(biāo)準(zhǔn)更適用于在役儲罐沉降分析。