大型原油儲罐沉降觀測及其評價方法*

李宗偉，李 濤，胡 謙，王云峰，李振镈

(1.合肥通用機械研究院特種設(shè)備檢驗站有限公司，安徽 合肥 230031；2.中國石油四川石化有限責(zé)任公司，四川 成都 611930)

隨著國內(nèi)石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，用于原油儲備的10萬m3和15萬m3等大型原油儲罐逐漸出現(xiàn)在各大油庫。這些儲罐的安全狀況影響著下游石油煉化行業(yè)的平穩(wěn)運行。沉降觀測是大型原油儲罐年度檢查、在線檢測和開罐檢驗的重要手段，通過對觀測數(shù)據(jù)的分析，掌握已經(jīng)發(fā)生或最終發(fā)生的沉降能否滿足原油儲罐安全運行的最低要求，并及時確定在用儲罐及其基礎(chǔ)是否需要修理[1]。幾個標(biāo)準(zhǔn)對于沉降觀測及其評價方法的不統(tǒng)一，造成現(xiàn)場檢測人員選用并執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)難以抉擇，為此有必要對大型原油儲罐沉降觀測方法及其評價方法進行研究。

1 儲罐沉降分類

儲罐的沉降包括罐基礎(chǔ)的沉降和罐底部的沉降。罐底部的沉降分為罐壁底端沉降和罐底板的沉降。

2 罐基礎(chǔ)的沉降觀測

對罐基礎(chǔ)沉降觀測的闡述主要體現(xiàn)在：(1)檢測方法不統(tǒng)一；(2)沉降觀測點的設(shè)置不統(tǒng)一；(3)評價標(biāo)準(zhǔn)不一致。

(1)GB 50473—2008《鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》

進行儲罐沉降觀測時，需要沿罐基礎(chǔ)周邊均勻布置沉降觀測點，儲罐容積不同,設(shè)置的沉降觀測點也不一樣，見表1[2]。

表1 不同公稱容積儲罐沉降觀測點數(shù)(GB 50473—2008)

(2)SY/T 3528—2014《石油化工鋼儲罐地基與基礎(chǔ)施工及驗收規(guī)范》

罐基礎(chǔ)沉降觀測點應(yīng)沿圓周方向均勻設(shè)置，當(dāng)設(shè)計文件無要求時，觀測點數(shù)量設(shè)置見表2[3]。

表2 不同公稱容積儲罐沉降觀測點數(shù)(SY/T 3528—2014)

當(dāng)設(shè)計文件無要求時，儲罐基礎(chǔ)沉降觀測點可采用直埋或后植筋式(見圖1)或預(yù)埋件式(見圖2)。

圖1 直埋或后植筋式

圖2 預(yù)埋件式

罐基礎(chǔ)任意直徑方向的沉降差允許值見表3。

表3 罐基礎(chǔ)最終沉降差允許值(SY/T 3528—2014)

(3)GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》

不均勻沉降：沿罐壁周圍方向任意10 m弧長內(nèi)的沉降差不應(yīng)大于25 mm。

傾斜沉降：罐基礎(chǔ)直徑方向上的沉降差許可值見表4[4]。

表4 罐基礎(chǔ)徑向沉降差許可值(GB 50341—2014)

(4)GB 50128—2014《立式圓筒形焊接油罐施工及驗收規(guī)范》

關(guān)于罐基礎(chǔ)不均勻沉降和傾斜沉降(徑向沉降)差的許可值，與GB 50341—2014完全一樣。

(5)SY/T 5921—2017《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規(guī)范》

罐基礎(chǔ)的檢測包括：罐基礎(chǔ)標(biāo)高的檢測、罐區(qū)場地排水情況的檢測和罐基礎(chǔ)構(gòu)造的檢測[5]。罐基礎(chǔ)標(biāo)高的檢測包括：基頂標(biāo)高的檢測和散水表面標(biāo)高的檢測。

對于儲罐基頂標(biāo)高檢測操作，注意在罐底板外基礎(chǔ)頂面(距罐壁150 mm左右)，沿儲罐環(huán)向均勻布置永久性觀測點。測點間距和數(shù)量遵循：有環(huán)墻時測點間距不宜大于10 m，無環(huán)墻時測點間距不宜大于3 m。儲罐直徑D≥22 m時，測點數(shù)量不少于8個；儲罐直徑D≥60 m時，測點數(shù)量不少于24個。測量并記錄各測點及其相鄰場地面標(biāo)高，計算各測點與其相鄰場地面之間的標(biāo)高差、相鄰測點之間的高差、同一直徑上兩測點之間的高差，得到的高差值滿足下述要求：

①各測點與其相鄰場地地面之間的高差不小于300 mm。

②有環(huán)墻時：沿儲罐弧長每10 m內(nèi)，任意兩測點之間的高差不應(yīng)大于12 mm；無環(huán)墻時：沿儲罐弧長每3 m內(nèi)，任意兩測點之間的高差不應(yīng)大于12 mm。

③對于不同內(nèi)徑儲罐，在同一直徑上的兩測點高差許可值見表5。

表5 罐基礎(chǔ)均勻傾斜沉降差許可值(SY/T 5921—2017)

儲罐建成投產(chǎn)3 a內(nèi)(含3 a)，應(yīng)每年進行一次沉降檢測；儲罐投用3 a之后，結(jié)合儲罐大修進行檢測。

綜上所述,罐基礎(chǔ)沉降觀測主要有兩種檢測方法,對罐基礎(chǔ)沉降觀測點或罐基礎(chǔ)頂面的標(biāo)高進行測定。在對罐基礎(chǔ)沉降觀測結(jié)果進行評價時，主要考慮兩種沉降類型：不均勻沉降和傾斜沉降。對于不均勻沉降，沿罐壁周圍方向任意10 m弧長內(nèi)沉降差不應(yīng)大于25 mm。對于傾斜沉降，不同的標(biāo)準(zhǔn)中沉降差許可值的描述略有不同，以10萬m3外浮頂原油儲罐為例：SH/T 3528—2014,GB 50341—2014和GB 50128—2014均要求均勻傾斜沉降差不大于0.003D(240 mm)，而SY/T 5921—2017則要求均勻傾斜沉降差應(yīng)小于0.002 5D(200 mm)。

3 罐底部的沉降觀測

罐底部的沉降，主要是SY/T 5921和SY/T 6620對其進行了闡述，而這兩個標(biāo)準(zhǔn)均參考了美國石油化工協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API 653。

(1)SY/T 5921—2017《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規(guī)范》

罐底部沉降包括：罐壁底端的沉降和底板沉降。

罐壁底端的沉降可分解為平面沉降(整體均勻下沉或傾斜)與非平面沉降(罐壁底端局部沉陷或不均勻沉降)；底板沉降可分解為整體均勻凹陷和局部凹陷沉降。

罐壁底端的整體均勻下沉，是指油罐作為一剛性整體向地下平移了一段距離。這種沉降形式不會引起罐體結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯變化，但沉降過大會影響進出口油管線及其罐體連接部位的可靠性。

①罐底板的整體均勻凹陷量(底板中心與邊緣沉降差)，不應(yīng)大于錐形基頂?shù)脑O(shè)計矢高與罐排污所需的底板中心的最小矢高之差。

②罐底板的局部凹陷(或凸起)量應(yīng)滿足：B≤0.03R，式中，B為罐底板的局部凹陷或凸起的最大值，m；R為罐底板局部凹陷或凸起區(qū)域的內(nèi)切圓半徑，m。

③罐壁的整體均勻下沉量不大于進出口油管線或柔性接頭的允許下沉量；罐壁的整體均勻下沉量不超出罐壁基頂標(biāo)高與場地標(biāo)高之差的 0.3 m 以上。

④罐壁的整體均勻傾斜量限值見表5。

⑤罐壁的局部沉陷或不均勻沉降量Ui應(yīng)滿足公式1和2的要求。

Si≤ 11×L2Y/(2EH)

(1)

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

(2)

式中：Si為罐壁測點i的相對豎向變形量，m；Ui為罐壁測點i局部沉陷量，m；Ui-1為罐壁測點i-1局部沉陷量，m；Ui+1為罐壁測點i+1局部沉陷量，m；i為測點號；L為測點之間的弧長，m；Y為鋼材的屈服強度，kPa；E為鋼材的彈性模量，kPa；H為油罐高度，m。

罐壁底端沉降量測量方法：沿罐壁環(huán)向按不大于10 m的間距均勻布置觀測點，且每罐不少于8個測點。Ui等沉陷量，需通過繪制沉降曲線進行獲取，沉降曲線如圖3所示。

圖3 沉降曲線

(2)SY/T 6620—2014《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》(等同于API 653—2009)

罐底部沉降包括：罐壁沉降(含均勻沉降、剛性體傾斜、不均勻沉降)、邊緣沉降、靠近油罐壁的罐底沉降和遠(yuǎn)離油罐壁的局部罐底沉降[6]。

①罐壁的均勻沉降：與SY/T 5921中罐壁的整體均勻下沉一致。

②罐壁的剛性體傾斜(平面傾斜)：與SY/T 5921中罐壁的整體均勻傾斜一致。

③罐壁的非平面沉降(不均勻沉降)：與 SY/T 5921 中罐壁的不均勻沉降一致，不同之處在于SY/T 6620—2014給出了最佳余弦曲線的確定方法：

求解常數(shù)a,b,c，作出余弦曲線Elevpred=a+bcos(θ+c)，且只有R2=(Syy-SSE)/Syy≥0.9時，才認(rèn)為余弦曲線有效。式中：Elevpred為余弦曲線上角度為θ時的預(yù)測高度值；Syy為測量高度平均值與測量高度差值的平方和；SSE為測量高度與預(yù)測高度差值的平方和。

④罐壁的邊緣沉降：當(dāng)油罐壁沿著周邊急劇沉降時，就會發(fā)生邊緣沉降，在靠近大角焊縫處產(chǎn)生罐底板的變形，如圖4所示。SY/T 5921沒有這部分內(nèi)容。

圖4 罐壁邊緣沉降

⑤靠近油罐壁的罐底沉降：SY/T 5921沒有這部分內(nèi)容。在靠近油罐壁的部位產(chǎn)生不規(guī)則形狀的凹陷或凸起，如圖5所示。罐底板的局部凹陷(或凸起)量應(yīng)滿足：B≤0.37R，式中B為罐底板的局部凹陷或凸起的最大值，inch；R為罐底板局部凹陷或凸起區(qū)域的內(nèi)切圓半徑，ft。

圖5 靠近油罐壁的罐底沉降

⑥遠(yuǎn)離油罐壁的局部罐底沉降：在遠(yuǎn)離油罐罐壁的部位產(chǎn)生不規(guī)則形狀的凹陷或凸起，如圖6所示。遠(yuǎn)離油罐壁的罐底板的局部凹陷(或凸起)與靠近油罐壁的罐底沉降限值相同。SY/T 5921也對這部分內(nèi)容進行了闡述，但是允許值公式不同。

圖6 遠(yuǎn)離油罐壁的罐底沉降

4 大型原油儲罐沉降觀測及評價方法

對于罐基礎(chǔ)的沉降和罐底部的沉降而言，沉降主體不同，對于施工階段的罐基礎(chǔ)，此時尚未建造儲罐本體，測量的肯定是罐基礎(chǔ)的沉降，但當(dāng)儲罐建成之后，罐基礎(chǔ)的沉降和罐底部的沉降是同時存在且基本一致的，但有先后順序，有可能是罐基礎(chǔ)的沉降帶動罐底部的沉降，也有可能是罐底部的沉降造成罐基礎(chǔ)的沉降。

結(jié)合儲罐相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及工程實踐，提出更加科學(xué)的大型原油儲罐沉降觀測方法及評價方法。

(1)大型原油儲罐沉降類型：罐基礎(chǔ)的不均勻沉降、罐基礎(chǔ)的均勻傾斜、罐底板的局部凹陷；

(2)大型原油儲罐沉降觀測方法：

對于罐基礎(chǔ)的不均勻沉降和均勻傾斜，采用水準(zhǔn)儀對罐基礎(chǔ)沉降觀測點或罐基礎(chǔ)頂面的標(biāo)高進行測定。有環(huán)墻時測點間距不宜大于10 m，無環(huán)墻時測點間距不宜大于3 m。儲罐直徑D不小于22 m時，測點數(shù)不少于8個；儲罐直徑D不小于60 m時，測點數(shù)不少于24個。

對于罐底板的局部凹陷，用直尺對凹陷深度和直徑進行測量。

(3)大型原油儲罐沉降觀測評價方法

局部凹陷：罐底板的局部凹陷(或凸起)量應(yīng)滿足：B≤0.03R，式中B為罐底板的局部凹陷或凸起的最大值，m；R為罐底板局部凹陷或凸起區(qū)域的內(nèi)切圓半徑，m。

罐基礎(chǔ)的均勻傾斜：罐基礎(chǔ)均勻傾斜限值見表6。對于10萬m3原油儲罐，均勻傾斜沉降差不應(yīng)超過200 mm。

表6 罐基礎(chǔ)均勻傾斜沉降差許可值(SY/T 5921—2017)

罐基礎(chǔ)不均勻沉降：沿罐壁周圍方向任意 10 m 弧長內(nèi)，兩測點沉降差不應(yīng)大于25 mm。若沉降差不滿足要求，則需繪制沉降曲線，罐壁的局部沉陷或不均勻沉降量Ui應(yīng)滿足公式(1)和(2)的要求。

5 結(jié) 論

(1)不同的標(biāo)準(zhǔn)，對儲罐沉降及其評價方法有不同的闡述，結(jié)合中外儲罐相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及工程實踐，可以將大型原油儲罐的沉降分為三類：罐基礎(chǔ)的不均勻沉降、罐基礎(chǔ)的均勻傾斜、罐底板的局部凹陷；針對不同的沉降，需要采取相應(yīng)的沉降檢測及評價方法。

(2)對于罐基礎(chǔ)的不均勻沉降和均勻傾斜，須采用水準(zhǔn)儀對罐基礎(chǔ)沉降觀測點或罐基礎(chǔ)頂面的標(biāo)高進行測定。對于罐底板的局部凹陷，須用直尺對凹陷深度和直徑進行測量。

(3)罐底板的局部凹陷(或凸起)量應(yīng)滿足：B≤0.03R；罐基礎(chǔ)均勻傾斜須滿足表6限值要求；罐基礎(chǔ)的不均勻沉降：沿罐壁周圍方向任意10 m弧長內(nèi)的沉降差不應(yīng)大于25 mm,若大于25 mm，則需繪制沉降曲線。