大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降及罐體變形檢驗(yàn)方法及應(yīng)用

(中國(guó)石油 大連石化分公司， 遼寧 大連 116011)

石油和天然氣存儲(chǔ)及裝卸場(chǎng)區(qū)是連接產(chǎn)、運(yùn)、銷各環(huán)節(jié)的紐帶，其安全、高效運(yùn)營(yíng)尤為重要。場(chǎng)區(qū)內(nèi)的儲(chǔ)罐是原料儲(chǔ)備、油品調(diào)合及成品油輸轉(zhuǎn)的重要設(shè)備，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存著易燃、易爆、會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的介質(zhì)，一旦發(fā)生安全事故后果嚴(yán)重[1]。因此，儲(chǔ)罐的安全服役對(duì)于石油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)至關(guān)重要。大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降及罐體變形是影響儲(chǔ)罐安全服役的重要因素，也是評(píng)價(jià)儲(chǔ)罐罐體安全性的重要指標(biāo)。

大型儲(chǔ)罐在服役過程中會(huì)發(fā)生一些沉降及變形，一般分為均勻沉降、整體平面傾斜沉降、不均勻沉降和底板沉降[2]。其中不均勻沉降對(duì)儲(chǔ)罐的影響最大，主要會(huì)引起儲(chǔ)罐的徑向變形和罐壁的超應(yīng)力。儲(chǔ)罐的徑向變形通常稱為橢圓化變形，過大的橢圓化變形將引起無頂蓋儲(chǔ)罐罐頂產(chǎn)生很大的徑向位移，對(duì)浮頂罐則會(huì)影響到浮頂?shù)淖杂缮担鬼斏w活動(dòng)失靈[3]。同時(shí)，罐體周圍的不均勻沉降會(huì)引起很大的罐底局部軸向壓應(yīng)力和檐梁周向應(yīng)力，導(dǎo)致罐壁局部屈曲和檐梁屈服，使罐壁撕裂，儲(chǔ)液溢出，甚至造成安全事故。

國(guó)內(nèi)外大量?jī)?chǔ)罐工程事故分析表明，地基不均勻沉降是導(dǎo)致儲(chǔ)罐破壞的主要原因，因此應(yīng)在儲(chǔ)罐服役過程中監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐的不均勻沉降及罐體的橢圓化變形。文中簡(jiǎn)要介紹了儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降及罐體變形檢驗(yàn)方法，并以塔里木油田輪南儲(chǔ)運(yùn)站6#儲(chǔ)罐為例加以說明。

1 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降及罐體變形檢驗(yàn)方法

儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降及罐體變形檢驗(yàn)工作主要依據(jù)GB 50026—2007《工程測(cè)量規(guī)范》[4]、JGJ/T 8—2007《建筑物變形測(cè)量規(guī)程》[5]、SH 3068—2007《石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]、SY/T 5921—2000《立式圓筒形鋼制焊接原油罐修理規(guī)程》[7]、SH/T 3123—2001《石油化工鋼儲(chǔ)罐地基充水預(yù)壓監(jiān)測(cè)規(guī)程》[8]進(jìn)行，采用高精度水準(zhǔn)儀或全站儀對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行測(cè)量。

采用獨(dú)立高程系統(tǒng)，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)埋設(shè)3個(gè)以上高程基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在構(gòu)筑物的壓力傳播范圍以外。為防止基準(zhǔn)點(diǎn)受到凍脹的影響，應(yīng)使基準(zhǔn)點(diǎn)的埋設(shè)深度超過凍土層，以保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定。基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)大樣圖見圖1。

圖1 基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)大樣圖

采用鋼筋植入的方式，按圓周均勻分布的規(guī)律在儲(chǔ)罐基礎(chǔ)環(huán)墻混凝土外表面布置32個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(圖2a)。采用粘貼反光片的方式在儲(chǔ)罐外表面圓周均勻分布設(shè)置32個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(圖2b)。

圖2 儲(chǔ)罐沉降及變形觀測(cè)點(diǎn)布置分布

采用全站儀進(jìn)行儲(chǔ)罐沉降及變形各觀測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)測(cè)量和三角高程測(cè)量，定期測(cè)定觀測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期內(nèi)空間位置的變化，獲得任意測(cè)點(diǎn)的三位空間位置(包括平面坐標(biāo)和高程)，然后進(jìn)行近似平差，并按平差結(jié)果計(jì)算各種移動(dòng)和變形值。儲(chǔ)罐沉降及變形監(jiān)測(cè)方法見圖3，圖中BM1～BM3為基準(zhǔn)點(diǎn)，BK1～BK12為觀測(cè)點(diǎn)。

圖3 儲(chǔ)罐沉降及變形測(cè)量工作示意圖

2 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降及罐體變形檢驗(yàn)實(shí)例

2.1 監(jiān)測(cè)方案

塔里木油田輪南儲(chǔ)運(yùn)站6#儲(chǔ)罐為雙盤式浮頂油罐，公稱體積50 000 m3，油罐內(nèi)直徑60 000 mm，油罐高度19 500 mm，儲(chǔ)存介質(zhì)為原油。對(duì)該儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)環(huán)墻及罐體進(jìn)行基礎(chǔ)沉降及罐體變形監(jiān)測(cè)。對(duì)基礎(chǔ)環(huán)墻按圓周均勻分布的規(guī)律布置32個(gè)基礎(chǔ)沉降觀測(cè)點(diǎn)。對(duì)罐體按13.0 m、10.0 m、8.0 m、4.0 m、2.5 m和0.5 m共6個(gè)標(biāo)高層位進(jìn)行罐體變形監(jiān)測(cè)，每個(gè)層位圓周均勻布置32個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

2.2 基礎(chǔ)沉降計(jì)算

根據(jù)SH 3068—2007《石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，用沿罐周相鄰兩測(cè)點(diǎn)的沉降差除以該兩點(diǎn)間的罐周弧長(zhǎng)計(jì)算儲(chǔ)罐的不均勻沉降指標(biāo)，即：

ΔS/l×100%≤δ

(1)

式中，ΔS為罐周相鄰兩測(cè)點(diǎn)的沉降差，l為兩點(diǎn)間的罐周弧長(zhǎng)，mm；δ為不均勻沉降度，%。

根據(jù)間隔3個(gè)月的2次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，取兩點(diǎn)間的罐周弧長(zhǎng)l=5 919.939 mm，以EXCEL中的公式計(jì)算儲(chǔ)罐基礎(chǔ)不均勻沉降度，得到的部分計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)不均勻沉降度部分計(jì)算結(jié)果

可根據(jù)表1數(shù)據(jù)，按SH 3068—2007《石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求分析儲(chǔ)罐沉降差是否符合規(guī)范要求的允許值。

2.3 罐體橢圓度計(jì)算

采用最小二乘擬合法計(jì)算罐體各監(jiān)測(cè)層位的橢圓度，最小二乘法通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，可簡(jiǎn)便求得未知數(shù)據(jù)，并使得這些數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)間誤差的平方和為最小[9-11]。

橢圓的一般方程式為：

Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0

(2)

式中，A、B、C、D、E、F為橢圓方程中的常量，x、y為橢圓方程中的變量。

根據(jù)最小二乘法的偏差最小計(jì)算方法，可以將式(2)寫為：

(3)

式中，i為測(cè)量樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量，儲(chǔ)罐測(cè)量樣本數(shù)據(jù)為每層32個(gè)。

令：

(4)

將式(4)轉(zhuǎn)換為線性方程組：

(5)

將各層位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)帶入式(5)計(jì)算出A、B、C、D、E、F，再根據(jù)式(6)計(jì)算罐體橢圓度。

σ=a-b

(6)

(7)

(8)

式中，σ為橢圓度，a為橢圓長(zhǎng)軸，b為橢圓短軸，mm。

計(jì)算得到的儲(chǔ)罐罐體各層位橢圓度見表2。

表2 儲(chǔ)罐罐體各層位橢圓度計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

儲(chǔ)罐基礎(chǔ)不均勻沉降會(huì)引起罐體徑向橢圓化變形及罐壁產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致罐壁局部屈曲和檐梁屈服，因此儲(chǔ)罐的不均勻沉降觀測(cè)在儲(chǔ)罐服役過程中尤為重要[12-18]。可利用全站儀對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行巡檢測(cè)量，以監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐沉降及變形情況。該方法簡(jiǎn)單方便，適合儲(chǔ)罐的日常監(jiān)測(cè)及管理。可依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合計(jì)算儲(chǔ)罐橢圓度，隨時(shí)分析儲(chǔ)罐的變形情況，指導(dǎo)儲(chǔ)罐的運(yùn)行管理。