大型原油儲(chǔ)罐的沉降觀測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)

司剛強(qiáng)

(中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221008)

大型原油儲(chǔ)罐是原油儲(chǔ)備和運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，常用于國(guó)家原油儲(chǔ)備基地和商業(yè)油庫(kù)[1]。受各種因素影響，大型原油儲(chǔ)罐在投用一定時(shí)間后，往往會(huì)發(fā)生沉降甚至傾斜[2-8]。按照一定周期對(duì)大型原油儲(chǔ)罐進(jìn)行沉降觀測(cè)是常壓儲(chǔ)罐檢測(cè)的主要內(nèi)容之一。儲(chǔ)罐沉降觀測(cè)的目的，在于分析儲(chǔ)罐已經(jīng)發(fā)生或最終發(fā)生的沉降是否符合儲(chǔ)罐正常運(yùn)行的可靠性最低要求，以便確定在用儲(chǔ)罐及其基礎(chǔ)是否需要修理，儲(chǔ)罐是否可以繼續(xù)運(yùn)行。SY/T 5921—2017《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)范》[9]中指出，有環(huán)墻時(shí)每10 m弧長(zhǎng)內(nèi)任意兩測(cè)點(diǎn)的高程差不應(yīng)大于12 mm。但在實(shí)際檢驗(yàn)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，大型原油儲(chǔ)罐相鄰觀測(cè)點(diǎn)之間的高程差經(jīng)常會(huì)大于12 mm。SY/T 5921—2017中雖然指出可通過(guò)繪制沉降曲線對(duì)儲(chǔ)罐沉降觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是并沒(méi)有詳細(xì)闡述沉降曲線的繪制方法。本文以某10萬(wàn)m3大型原油儲(chǔ)罐為例進(jìn)行沉降觀測(cè)，并依據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 653—2014《Tank Inspection，Repair，Alteration，and Reconstruction》[10]對(duì)沉降觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為大型原油儲(chǔ)罐的沉降觀測(cè)及其結(jié)果評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 常壓儲(chǔ)罐沉降類型

不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)常壓儲(chǔ)罐沉降的定義也不盡相同[11-15]，總體而言，儲(chǔ)罐沉降可分為儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的沉降和儲(chǔ)罐底部的沉降。儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的沉降分為不均勻沉降和傾斜沉降(整體傾斜)，見(jiàn)圖1。儲(chǔ)罐底部的沉降分為罐壁底端沉降和罐底板沉降。罐壁底端沉降包括罐壁均勻沉降、罐壁剛性體傾斜、罐壁不均勻沉降和罐壁邊緣沉降，罐底板沉降包括整體均勻沉降和局部凹陷沉降。

實(shí)際工程應(yīng)用中，儲(chǔ)罐沉降觀測(cè)的內(nèi)容主要是測(cè)量?jī)?chǔ)罐基礎(chǔ)的不均勻沉降和傾斜沉降(整體傾斜)，文中主要針對(duì)這2種沉降進(jìn)行沉降觀測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)。

圖1 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降類型

2 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降觀測(cè)

2.1 儲(chǔ)罐基本信息

某油庫(kù)10萬(wàn)m3雙盤式外浮頂大型原油儲(chǔ)罐于2006-11投用，該罐按照API 650—1995《Welded Tanks for Oil Storage》[16]設(shè)計(jì)，按照GBJ 128—90《立式圓筒形鋼制焊接油罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》[17]進(jìn)行施工。

儲(chǔ)罐內(nèi)徑80 m，高21.8 m。罐底邊緣板材質(zhì)為12MnNiVR，厚20 mm；罐底中幅板材質(zhì)為Q235-B，厚11 mm。自下而上，儲(chǔ)罐第1～第6圈罐壁板材質(zhì)為12MnNiVR，第7圈罐壁板材質(zhì)為16MnR，第8～第9圈罐壁板材質(zhì)為Q235-B。第1～第9圈罐壁板厚度依次為32 mm、27 mm、21.5 mm、18.5 mm、15 mm、12 mm、12 mm、12 mm、12 mm。

儲(chǔ)罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。儲(chǔ)罐基礎(chǔ)自上而下依次為40 mm厚瀝青砂墊層、80 mm厚瀝青混凝土、580 mm厚中粗砂墊層。

圖2 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示圖

2.2 沉降觀測(cè)點(diǎn)布置

采用蘇州一光儀器公司制造的DSZ2型水準(zhǔn)儀，觀測(cè)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)一周24個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程，觀測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖3。其中觀測(cè)點(diǎn)1、24之間為原油的進(jìn)出口管，相鄰觀測(cè)點(diǎn)間弧長(zhǎng)約為10 m。

2.3 沉降觀測(cè)結(jié)果

儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。表中第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的相鄰點(diǎn)高程差Hi為第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程hi與第i-1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程hi-1之差，即Hi=hi-hi-1(i=1～23)；第24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的相鄰點(diǎn)高程差H24為第24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程h24與第1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)高程h1之差；第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的對(duì)稱點(diǎn)高程差HSi為第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程hi與第i+12個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程之差(i=1～12)。

圖3 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降觀測(cè)點(diǎn)平面布置圖

表1 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降觀測(cè)結(jié)果 mm

由表1可以看出，相鄰觀測(cè)點(diǎn)高程差絕對(duì)值最小為0，最大為29 mm；對(duì)稱觀測(cè)點(diǎn)高程差絕對(duì)值最小為5 mm，最大為60 mm。

3 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降觀測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

3.1 沉降觀測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)方法

3.1.1傾斜沉降

API 653—2014中明確指出，對(duì)不同類型的儲(chǔ)罐，其基礎(chǔ)直徑方向上的沉降差不能超過(guò)表2中的許可值。

由表2可知，內(nèi)徑80 m的10萬(wàn)m3原油儲(chǔ)罐的對(duì)稱點(diǎn)高程差不能大于240 mm。

表2 API 653—2014中不同類型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)傾斜沉降差許可值

3.1.2不均勻沉降

API 653—2014中指出，有環(huán)墻時(shí)每10 m弧長(zhǎng)內(nèi)任意兩觀測(cè)點(diǎn)的高程差不應(yīng)大于12 mm。若高程差大于12 mm，則需繪制如圖4所示的沉降曲線，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的不均勻沉降量Ui應(yīng)滿足式(1)和式(2)的要求。

Si≤11L2Y/(2EH)

(1)

Si=Ui-(Ui-1+Ui+1)/2

(2)

式中，Si為觀測(cè)點(diǎn)i的相對(duì)豎向變形量，Ui、Ui-1、Ui+1分別為觀測(cè)點(diǎn)i、觀測(cè)點(diǎn)i-1、觀測(cè)點(diǎn)i+1的局部沉降量，L為觀測(cè)點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)，H為儲(chǔ)罐高度，m；Y為底層罐壁板鋼材的屈服強(qiáng)度，E為底層罐壁板鋼材的彈性模量，kPa。

圖4 常規(guī)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降曲線示圖

沉降曲線的繪制方法：①根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制實(shí)測(cè)高程曲線，即圖4中的實(shí)測(cè)沉降實(shí)線。②依據(jù)API 653—2014，利用軟件工具M(jìn)atlab或Origin進(jìn)行擬合，得到余弦或者正弦曲線(圖4中的擬合沉降曲線)，解出常數(shù)a、b、c，作出余弦曲線Elevpred=a+bcos(θ+c)或者正弦曲線Elevpred=a+bsin(θ+c)，其中Elevpred為余弦或正弦曲線上角度為θ時(shí)的預(yù)測(cè)高程。

當(dāng)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的不均勻沉降量Ui滿足式(1)和式(2)時(shí)，則認(rèn)為儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降符合油罐正常運(yùn)行的最低可靠性要求，否則需對(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)進(jìn)行修理。

3.2 沉降觀測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

3.2.1傾斜沉降

從表1看出，對(duì)稱觀測(cè)點(diǎn)高程差絕對(duì)值最大為60 mm，小于API 653—2014中所規(guī)定的沉降差許可值240 mm，即原油儲(chǔ)罐的傾斜沉降符合儲(chǔ)罐正常運(yùn)行的最低可靠性要求。

3.2.2不均勻沉降

從表1看出，相鄰觀測(cè)點(diǎn)高程差絕對(duì)值最大為29 mm，不符合API 653—2014中所規(guī)定的每10 m弧長(zhǎng)內(nèi)任意2點(diǎn)的高程差不應(yīng)大于12 mm的要求，因此需要繪制沉降曲線。根據(jù)實(shí)測(cè)值，利用Origin軟件擬合得到沉降曲線Elevpred=1 634.66+17.1sin(0.018 7θ-2.986)，見(jiàn)圖5。

圖5 大型原油儲(chǔ)罐實(shí)測(cè)及擬合沉降曲線

根據(jù)各觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)高程、擬合高程和式(2)進(jìn)行計(jì)算，得到儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)豎向變形量Si，見(jiàn)表3。

表3 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)豎向變形量Si mm

由表3可知，Si最大值為15.10 mm。該儲(chǔ)罐底層罐壁板鋼材12MnNiVR的屈服強(qiáng)度Y=226 MPa、彈性模量E=206 GPa，相鄰觀測(cè)點(diǎn)間弧長(zhǎng)L=10 m，儲(chǔ)罐高度H=21.8 m。根據(jù)式(1)，有11L2Y/(2EH)=27 mm，即儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的不均勻沉降量Ui滿足式(1)和式(2)的要求。

綜上所述，該大型原油儲(chǔ)罐的傾斜沉降和不均勻沉降均未超出API 653—2014中所規(guī)定的沉降許可值，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降符合儲(chǔ)罐正常運(yùn)行的最低可靠性要求，無(wú)需進(jìn)行維修，可以繼續(xù)使用。

4 結(jié)語(yǔ)

大型原油儲(chǔ)罐的沉降觀測(cè)主要是檢測(cè)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的不均勻沉降和傾斜沉降。利用水準(zhǔn)儀觀測(cè)了某10萬(wàn)m3大型原油儲(chǔ)罐基礎(chǔ)24個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程，實(shí)測(cè)值和沉降曲線得到的數(shù)值說(shuō)明，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的傾斜沉降和不均勻沉降均符合API 653—2014中有關(guān)儲(chǔ)罐正常運(yùn)行的最低可靠性要求，可繼續(xù)使用。