原油儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降在線監(jiān)測(cè)與安全性研究*

趙永濤 張金池，2 張昱涵 關(guān)國(guó)偉

(1.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院 北京 102206； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 北京 102249)

0 引言

我國(guó)大量的原油儲(chǔ)庫(kù)及各類(lèi)儲(chǔ)存、周轉(zhuǎn)原油的企業(yè)將其儲(chǔ)罐建立在軟土、濕陷性黃土和其他不良地質(zhì)條件的區(qū)域。雖然在儲(chǔ)罐建設(shè)期間會(huì)對(duì)地基進(jìn)行加固并在投產(chǎn)后3年內(nèi)多次進(jìn)行基礎(chǔ)沉降檢測(cè)，但隨著儲(chǔ)罐服役年數(shù)的增加，地基仍會(huì)發(fā)生沉降。儲(chǔ)罐的沉降包含罐壁板沉降和罐底板沉降，其中罐壁板沉降又分為平面沉降與不均勻沉降[1]。根據(jù)大量的儲(chǔ)罐安全事故案例分析可知，儲(chǔ)罐的不均勻沉降是最容易發(fā)生的類(lèi)型，同時(shí)也是影響儲(chǔ)罐安全的主要因素之一。通常情況下，浮頂原油儲(chǔ)罐罐周的不均勻沉降會(huì)使儲(chǔ)罐罐壁于徑向產(chǎn)生位移，而后儲(chǔ)罐頂部形狀逐步趨向橢圓化，若徑向位移數(shù)值過(guò)大，浮盤(pán)的正常工作將大受影響，嚴(yán)重的會(huì)使儲(chǔ)罐罐壁破裂，產(chǎn)生介質(zhì)泄漏，造成重大安全事故[2]。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)儲(chǔ)罐服役年限過(guò)久后，由于罐壁變形導(dǎo)致浮盤(pán)不能正常升降，為安全性考慮，儲(chǔ)罐內(nèi)原油將不再充滿(mǎn)。據(jù)此現(xiàn)象，本文基于某輸油站30 000 m3非錨固外浮頂原油儲(chǔ)罐的實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸，利用有限元軟件ANSYS建立分析模型，由傅里葉展開(kāi)的方法處理實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，并于模型中加載地基與罐底的相互作用，以此分析儲(chǔ)罐的變形、結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在罐壁已經(jīng)出現(xiàn)明顯變形的情況下，給出儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行液位。

1 有限元模型

某輸油站外浮頂原油儲(chǔ)罐于2010年10月投產(chǎn)，容積為30 000 m3，直徑為46.7 m，罐體高度為19.72 m，儲(chǔ)罐底部地基基礎(chǔ)部分距油庫(kù)地面高度為1 m，儲(chǔ)罐地基沉降數(shù)據(jù)由人工利用全站儀進(jìn)行檢測(cè)。

罐體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，根據(jù)該表參數(shù)建立變壁厚儲(chǔ)罐有限元模型。罐壁采用shell181殼單元，選用鋼材的彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比定為0.3，鋼材密度為7 850 kg/m3。該儲(chǔ)罐設(shè)置1道抗風(fēng)圈、2道加強(qiáng)圈，從罐頂向下各抗風(fēng)圈與加強(qiáng)圈之間的距離依次為1.0、1.621、3.823 m?？癸L(fēng)圈與儲(chǔ)罐罐壁之間的支撐梁轉(zhuǎn)化為固定約束施加在有限元模型中。

表1 儲(chǔ)罐板材鋼參數(shù)

在得到現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)實(shí)際參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立有限元模型如圖1所示，地基采用實(shí)體單元solid185，彈性模量取1.06×1010Pa。加強(qiáng)圈、抗風(fēng)圈及包邊角鋼等罐體附件采用與罐壁材料相同的參數(shù)設(shè)置。運(yùn)行載荷包括罐體沉降位移、罐體及附件的自重、罐內(nèi)油品的液壓。該原油儲(chǔ)罐為非錨固外浮頂儲(chǔ)罐，故罐壁方向上為自由邊界不施加約束，地基與底板通過(guò)接觸單元連接，即地基接觸面施加沉降位移，其余地基面施加全約束。

圖1 儲(chǔ)罐有限元模型

2 沉降數(shù)據(jù)的傅里葉分解

目前已有諸多學(xué)者利用在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的沉降數(shù)據(jù)，研究沉降曲線的分布規(guī)律，進(jìn)而分析地基沉降對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)性能的影響。KAMYAB H等[3]在1989年首次利用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法將實(shí)測(cè)的各個(gè)離散沉降數(shù)據(jù)擬合為多階諧波組合的形式，此后該方法得到了最為廣泛的應(yīng)用，其表達(dá)式如下：

(1)

式中，u0為儲(chǔ)罐的整體均勻沉降量；un為各階諧波沉降的幅值；n為諧波沉降的階數(shù)；θ為罐周各點(diǎn)所處的角度；φn為各階諧波沉降的初始相位角。

按照等分布點(diǎn)的原則，在某輸油站30 000 m3外浮頂原油儲(chǔ)罐罐周基礎(chǔ)外側(cè)設(shè)置22個(gè)水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)。儲(chǔ)罐在較高液位下的沉降量較大，故當(dāng)儲(chǔ)罐液位為13.5 m時(shí)，經(jīng)人工利用全站儀測(cè)量得出該儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)沉降數(shù)值，如表2所示[4]。

表2 各測(cè)點(diǎn)沉降量

有限元模型中的位移邊界條件，要利用上表中22個(gè)觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉展開(kāi)的方法，疊加若干階諧波沉降作為沉降函數(shù)。本次建立的有限元模型取前8階，如表3所示。

表3 各階諧波沉降參數(shù)

3 諧波沉降下的儲(chǔ)罐強(qiáng)度分析

經(jīng)有限元數(shù)值分析后，儲(chǔ)罐各層壁板應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)罐Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)儲(chǔ)罐罐壁應(yīng)力在高度上的變化可以看出，儲(chǔ)罐罐壁的下方是應(yīng)力集中區(qū)域，且在儲(chǔ)罐最大沉降點(diǎn)處兩側(cè)沿豎直方向呈對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象；底層壁板應(yīng)力較大，在到達(dá)第六層壁板處時(shí)，由于加強(qiáng)圈的存在，使得壁板應(yīng)力快速減小。綜合而言，儲(chǔ)罐壁板的下方第一層壁板、第二層壁板、大角焊縫處以及儲(chǔ)罐的頂部是儲(chǔ)罐的應(yīng)力變形敏感區(qū)域[5]。

在大沉降量區(qū)域儲(chǔ)罐壁板的第一、二層，尤其是這兩層壁板間的焊縫位置，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，較為危險(xiǎn)，若焊縫處壁板應(yīng)力屈服將會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐壁板破裂引起儲(chǔ)罐泄漏。根據(jù)儲(chǔ)罐壁板設(shè)計(jì)參數(shù)，在儲(chǔ)罐頂部壁板應(yīng)力達(dá)到另一個(gè)極大值[6]。

此次分析的某30 000 m3儲(chǔ)罐，服役年限較久，且發(fā)生的不均勻沉降數(shù)值過(guò)大，因此儲(chǔ)罐頂部產(chǎn)生的應(yīng)力較大，遠(yuǎn)大于材料屈服應(yīng)力的2/3，十分危險(xiǎn)。該儲(chǔ)罐已經(jīng)明顯處于需要停產(chǎn)維修的階段，但受到新冠疫情影響，該儲(chǔ)罐始終處于低液位運(yùn)行，原油始終未充到13.5 m以上。

4 儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行液位

較大的地基沉降致使儲(chǔ)罐頂部產(chǎn)生橢圓化變形，當(dāng)橢圓度過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐浮盤(pán)卡阻。而儲(chǔ)罐頂部較大的徑向位移又會(huì)使浮盤(pán)與儲(chǔ)罐壁板之間密封不嚴(yán)引起油氣泄漏，造成安全事故[7]。

正在運(yùn)行的30 000 m3原油儲(chǔ)罐，考慮到罐壁的徑向變形，浮盤(pán)可能無(wú)法在較高的液位正常升降?，F(xiàn)根據(jù)有限元數(shù)值模擬的結(jié)果，給出儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行液位。儲(chǔ)罐的徑向位移云圖如圖3所示，可以看出，儲(chǔ)罐目前變形量較大，儲(chǔ)罐液位為14.6 m時(shí)的最大內(nèi)凹徑向位移為246 mm，為避免儲(chǔ)罐出現(xiàn)浮盤(pán)卡阻現(xiàn)象，該儲(chǔ)罐內(nèi)原油充裝液位不應(yīng)超過(guò)14.6 m。故現(xiàn)場(chǎng)操作人員控制儲(chǔ)罐內(nèi)原油充裝到13.5 m為最大限度，保證了儲(chǔ)罐的安全生產(chǎn)要求。

圖3 30 000 m3儲(chǔ)罐徑向應(yīng)變

5 結(jié)論

本文采用有限元仿真計(jì)算的方法對(duì)某輸油站30 000 m3原油儲(chǔ)罐進(jìn)行安全性分析，經(jīng)計(jì)算后得出以下結(jié)論：

(1)由計(jì)算和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用情況來(lái)看，本文中所建立的非錨固外浮頂儲(chǔ)罐有限元模型具有有效性，即在罐壁方向上為自由邊界不施加約束，地基與底板通過(guò)接觸單元連接，可為類(lèi)似儲(chǔ)罐有限元數(shù)值分析提供參考。

(2)文中所采用的傅里葉分解方法可以將沉降觀測(cè)得到的間斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)函數(shù)，并作為有限元的輸入條件，為數(shù)值分析提供依據(jù)。

(3)通過(guò)采用全站儀檢測(cè)以及有限元分析的儲(chǔ)罐徑向應(yīng)變計(jì)算結(jié)果來(lái)看，建議當(dāng)前儲(chǔ)罐的最高安全運(yùn)行液位為14.6 m。

(4)儲(chǔ)罐定期沉降觀測(cè)是確保儲(chǔ)罐安全生產(chǎn)的條件。《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》(SY/T 5921—2017)指出，在儲(chǔ)罐投用3年后，要結(jié)合儲(chǔ)罐大修進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)沉降量大的儲(chǔ)罐要采取相應(yīng)的措施，如降低充裝量、采取措施修正沉降量等。

(5)對(duì)沉降量大的儲(chǔ)罐還要進(jìn)行沉降在線監(jiān)測(cè)，并開(kāi)展相關(guān)的數(shù)值分析，在確保儲(chǔ)罐安全運(yùn)行的前提下，盡可能提升儲(chǔ)罐的充裝系數(shù)，達(dá)到設(shè)備運(yùn)行效率最大化。