石油成品油儲罐充水沉降試驗的分析

張 浩

〔中國石化陜西石油分公司 陜西西安 710003〕

在石油化工領(lǐng)域，大型儲罐的應(yīng)用非常廣泛。因地形和選址限制，很多儲罐建設(shè)在軟土地基基礎(chǔ)上。因地質(zhì)條件限制及儲罐基礎(chǔ)、罐體等因素影響，儲罐在運行過程中會產(chǎn)生各種沉降，這就可能對儲罐的建設(shè)和后期安全帶來隱患[1]。所以，對儲罐建設(shè)項目而言，其在地質(zhì)勘察、設(shè)計、建設(shè)施工工程中對儲罐沉降量的檢測、控制顯得尤為重要。本文所舉例的儲罐地處西北沙漠地帶，其地質(zhì)條件具有許多不確定性因素，對儲罐的施工質(zhì)量和后期安全運營產(chǎn)生較大隱患。

1 儲罐沉降形式及原因分析

1.1 儲罐沉降形式

儲罐充水沉降試驗是儲罐投運前的必備工序，它是檢測儲罐是否沉降或均勻沉降的重要手段。儲罐沉降形式分為均勻沉降、平面傾斜和非平面沉降(不均勻沉降)。均勻沉降不會導(dǎo)致儲罐結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力變化，但能對儲罐附件、連接工藝管線、消防管線、儀器儀表連接套管等其它連接部位產(chǎn)生應(yīng)力變形、斷裂、斷開等問題。平面傾斜引起液位升高，從而增大儲罐罐壁內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力，同時影響管線、儲罐接管和連接件。非平面沉降導(dǎo)致儲罐過量的傾斜會產(chǎn)生浮頂周向密封的約束和妨礙浮頂活動壁內(nèi)的附加應(yīng)力，表現(xiàn)在罐壁鋼板被拉長或壓彎，致使儲罐頂部不圓，妨礙浮頂?shù)恼９δ?，造成儲罐罐壁出現(xiàn)扁平現(xiàn)象，損壞與管線連接的儲罐接管。

1.2 原因分析

儲罐地基產(chǎn)生不均勻沉降與傾斜的因素既有地質(zhì)條件也有施工和使用不當?shù)确矫嬖颍阂皇墙ㄔ靸迗龅氐暮脡?，包括土質(zhì)的不均勻性、存在地質(zhì)缺陷等；二是由于儲罐內(nèi)進油或進水速度過快也可能引起不均勻沉降，造成局部邊緣剪切破壞[2]。為此，儲罐在投用前必須做充水沉降試驗。

2 充水沉降試驗方法

2.1 試驗前期的準備工作

儲罐充水試驗前須編制《儲罐充水試驗方案》并得到批準，儲罐充水前，必須進行充水條件檢查與確認，試驗前期的準備工作如表1所示。

表1 儲罐充水試驗前期的準備工作

2.1.1 選取合適的沉降監(jiān)測點

充水試驗按照設(shè)計要求對每個儲油罐基礎(chǔ)進行沉降試驗觀測，沉降監(jiān)測點的選取遵循以下原則[3]：①所布設(shè)的沉降基準觀測點必須堅固、穩(wěn)定且便于長期保存；②為了便于對沉降基準點進行相互檢查，沉降基準點的數(shù)目應(yīng)不少于3個，以保證沉降觀測結(jié)果的正確性；③沉降基準點與觀測點的距離不宜太遠，以保證觀測精度；④沉降基準點須埋設(shè)在建筑物的壓力傳播范圍以外。同時，為了防止沉降基準點受到凍脹的影響，沉降基準點的埋設(shè)深度不小于1.5 m，以保證沉降基準點的穩(wěn)定；如沉降觀測基準點埋設(shè)在變形區(qū)以外，數(shù)量一般不少于3個。

2.1.2 布置安裝儲罐基礎(chǔ)監(jiān)測點

儲罐充水沉降試驗觀測點的布置應(yīng)在建設(shè)安裝儲罐基礎(chǔ)之前，根據(jù)儲罐的設(shè)計圖紙安排好沉降試驗觀測點的布點方案等工作。編制沉降試驗觀測方案，也可委托有資質(zhì)的第三方評估機構(gòu)根據(jù)實際情況預(yù)設(shè)沉降試驗觀測點。為了能夠反映出儲罐基礎(chǔ)的準確沉降試驗情況，沉降試驗觀測點設(shè)置應(yīng)在能夠反映儲罐沉降變化且便于觀察的位置，例如，可設(shè)置在儲罐基礎(chǔ)上對稱布置，在儲油罐罐壁下部設(shè)置觀測點，且相鄰觀測點之間的距離以10～20 m為好，點數(shù)的數(shù)量應(yīng)為4的倍數(shù)，并均勻分布在儲罐基礎(chǔ)周圍。沉降試驗的觀測點設(shè)置還要符合各安裝施工階段的觀測要求，統(tǒng)籌考慮到防腐及形象標識裝飾階段的施工影響或掩蓋沉降試驗觀測點情況的發(fā)生，防止產(chǎn)生不能連續(xù)觀測而導(dǎo)致觀測失效的情況。此外，可在沉降試驗觀測點的上方設(shè)置一定保護設(shè)施或裝置，以避免觀測點發(fā)生破壞從而得不到準確的沉降觀測結(jié)果。

2.2 觀測標準及方法

充水沉降試驗觀測一般按照國家二等水準測量的技術(shù)要求規(guī)范組織實施。對于儲罐基礎(chǔ)而言其整體傾斜沉降的允許最大值根據(jù)文獻[4]規(guī)定，拱頂儲罐為不超過其儲罐直徑的0.8%，固定頂儲罐為不超過其直徑的0.4%。對于儲罐基礎(chǔ)而言，其不均勻沉降的最大允許值按照文獻[4]規(guī)定，其中浮頂儲罐不超過沿罐壁圓周兩點弧長的0.25%，固定頂儲罐為不超過沿罐壁圓周兩點弧長的0.4%。

儲罐在施工完成經(jīng)無損檢測且質(zhì)量合格后要進行充水沉降試驗。在充水沉降試驗前，應(yīng)用水平儀測量儲罐基礎(chǔ)圓周圍外突出的鋼筋頭觀測點的實際標高，充水靜置規(guī)定時間后再次測量，將幾次的觀測記錄進行對比后方可得出充水試驗的沉降量。儲罐投用后，可找建設(shè)方或項目部索要沉降試驗測量記錄，用最后一次的觀測記錄與現(xiàn)在的測量數(shù)據(jù)進行對比，得出實際的沉降量。

如果設(shè)計文件沒有具體要求時，可參照如下進行觀測：

(1)新建罐充水前，每座油罐均應(yīng)按照要求進行觀測。

(2)對于堅實的地基基礎(chǔ)，如預(yù)測沉降量較小時，首座儲罐可以較快的速度充水至儲罐高度的1/2后進行觀測，并與充水前記錄的數(shù)據(jù)進行對照，計算出真實的不均勻沉降數(shù)值；當沉降量沒有超過允許最大標準時，可以繼續(xù)充水至儲罐高度的3/4后進行觀測，如還沒有超過允許的最大不均勻沉降量，可繼續(xù)充水到最高液面并保持48 h后進行觀測；當不均勻沉降量沒有明顯變化即可排水；數(shù)值有明顯變化則繼續(xù)保持最高液面，并每天進行定期觀測，直至數(shù)值穩(wěn)定。

如首座儲罐沉降量符合規(guī)定要求且其它儲罐的基礎(chǔ)建造和施工工藝與首座一致時，對其它儲罐的充水試驗可根據(jù)實際情況適當簡化1/2和3/4液面高度的充水和觀測步驟。

(3)對于軟性地基基礎(chǔ)，預(yù)測沉降量可能大于300 mm或有發(fā)生滑移現(xiàn)象可能性時，應(yīng)以0.6 m/d的速度充水，當液面高度達到3 m時，應(yīng)停止充水，并每天定期觀測數(shù)值的變化情況，根據(jù)數(shù)值變化繪制沉降曲線作為參考和留存；當沉降數(shù)值減少時，可持續(xù)充水，但應(yīng)減少每天的充水高度，以保證載荷增加后每日沉降數(shù)值仍保持在降低趨勢。當儲罐內(nèi)的液面接近最高液位時，應(yīng)每天早晨先做一次觀測后再開始充水試驗，并在當晚再做一次沉降觀測。如發(fā)現(xiàn)數(shù)值增加，立即放掉當天充水量，并按照較小的日充水量重新實施上述試驗，直到數(shù)值無明顯變化為止。

2.3 試驗過程

儲罐的基礎(chǔ)充水沉降試驗設(shè)置專人進行定期觀測。儲罐充水開始后，每天觀測不少于2次并認真做好觀測記錄，充水沉降試驗觀測記錄數(shù)據(jù)包括：儲罐基礎(chǔ)完工后、儲罐充水前、儲罐充水過程中、儲罐分3次注滿水后以及儲罐放水后的全過程。儲罐沉降觀測宜采用精密的水準儀、鋼尺或精密的工程水準儀(帶有復(fù)合不準器)和刻度精準的水準尺等進行。

對于堅實地基基礎(chǔ)，預(yù)計可能發(fā)生的沉降量很小時，充水試驗可一次充水到1/2儲罐高度進行沉降觀測。如儲罐不均勻沉降量小于5 mm/d，則可繼續(xù)充水至儲罐高度的3/4。如不均勻沉降量仍小于5 mm/d的允許值時，則可繼續(xù)充水到最高水位(儲罐安全高度)，待注滿水并保持48 h后繼續(xù)進行觀測，儲罐沉降量沒有明顯變化后即可逐步放水。當儲罐沉降量有明顯變化時，則應(yīng)保持液面高度不變，并每天進行定期觀測，直到沉降量穩(wěn)定。在儲罐沉降充水觀測試驗的全過程中，如發(fā)現(xiàn)罐基礎(chǔ)異常等情況，應(yīng)立即停止充水，待采取有效措施處理后方可繼續(xù)進行充水試驗。

2.4 試驗數(shù)據(jù)及分析

某大型油庫建設(shè)在西北沙漠地區(qū)，規(guī)劃建設(shè)12座內(nèi)浮頂儲罐，儲罐充水試驗選取其中第D-01-050號儲罐，該儲罐容積為5 000 m3，規(guī)格型號為Φ20 000 mm，存儲介質(zhì)為柴油，儲罐基礎(chǔ)沉降觀測記錄見表2?！妒突や搩薜鼗c基礎(chǔ)施工及驗收規(guī)范》(SH/T 3528—2005)中7.4.3任意直徑方向的沉降差允許值見表3。

表2 油庫新建項目儲罐基礎(chǔ)沉降觀測記錄

表3 儲罐基礎(chǔ)沉降差允許值 mm

從表2可以看出，D-01-050儲罐在1～8測量點測得的最終沉降量分別為9，11，11，12，12，10，9，8 mm，其中2～5測量點的沉降差較大。根據(jù)表3數(shù)據(jù)計算，D-01-050儲罐在任意直徑方向沉降差允許值為不大于140 mm。因此，D-01-050儲罐滿足石油化工鋼儲罐地基與基礎(chǔ)施工標準中對沉降指標的要求。

2.5 處理措施及建議

(1)沉降量的觀測包括基礎(chǔ)完工后、儲罐充水前、充水過程中、充滿水后、放水過程中、放水后的全過程，且由專人進行詳細記錄。

(2)當沉降量有明顯變化，則應(yīng)保持最高操作液位，每天進行定期觀測，直至沉降穩(wěn)定為止。

(3)沉降觀測過程中發(fā)現(xiàn)有不均勻沉降或均勻沉降時，應(yīng)停止充、放水操作，并進行適當補救。根據(jù)實際情況，可參考以下補救措施：①均勻沉降時，可適當調(diào)整其它建筑物標高。工藝管線、罐區(qū)地面及其它涉及影響的建筑單元，根據(jù)具體沉降量調(diào)整相應(yīng)標高；②不均勻沉降時，根據(jù)儲罐沉降觀察數(shù)據(jù)，在沉降變化嚴重一側(cè)，采取增加樁基的措施補強加固，以提高儲罐基礎(chǔ)承載力；③非均勻沉降時，可將儲罐采用機械平移技術(shù)，移至相鄰基礎(chǔ)上，根據(jù)儲罐沉降觀察數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘探報告，對基礎(chǔ)松軟土層新增樁基數(shù)量，提高儲罐基礎(chǔ)承載力。

3 結(jié)束語

在較松軟的地質(zhì)基礎(chǔ)上建造大型儲罐時，因為地基土質(zhì)強度較低而儲罐外荷載較大，往往容易出現(xiàn)較大的基礎(chǔ)沉降和不均勻沉降，因此需要綜合考慮多種因素并結(jié)合已有的案例，合理選擇相應(yīng)的地基處理方式。一般情況下，儲罐在投產(chǎn)前要采用充水預(yù)壓進行加固，這樣可使各種沉降在短期內(nèi)得以完成或大部分完成。提前做好儲罐的基礎(chǔ)沉降相關(guān)工作，并布置埋設(shè)好沉降基準點和沉降監(jiān)測點，按照相關(guān)規(guī)范要求定期開展沉降監(jiān)測點觀測工作，做好數(shù)據(jù)的分析處理，防患于未然，如發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)采取有效手段立即妥善處理。此外，由于沉降是一個緩慢變化的過程，所以沉降量是某年某某日至某年某某日這一段時間以來的下沉量。對于已投入使用的油罐，在使用過程中如發(fā)生沉降，就需要查找到上次測量的數(shù)據(jù)，對比現(xiàn)在的測量數(shù)據(jù)才能確定下沉。測量的方法就是找個短時間不會變動的觀測基準，然后測量儲罐各個觀測點的沉降量。