錐底儲罐底板泄漏事故原因淺析

張方勤

（東華工程科技股份有限公司，安徽合肥230022）

目前，我國的化工品倉儲項目儲罐基本分為平底罐及錐底罐，錐底罐又分為倒錐底儲罐（基礎頂面中間低，周圍高,底板呈倒錐形）及正錐底儲罐（中間高，周圍低,底板呈正錐形）。與普通平底罐相比，錐底罐在不增加造價的情況下，能較大幅度改善儲運狀態，其主要優點是：消除微生物的滋生環境，便于業主更換貯存產品時的排凈和洗罐作業，減少電化學腐蝕等。當然，錐底罐對底板焊接和基礎處理都有相當高的要求。

1 問題描述

某化工品庫區共22 臺儲罐，均為倒錐底罐，全部儲罐施工完成并經水壓試驗、基礎沉降等各項驗收合格后，開始投用以發揮經濟效益。在儲罐進石腦油后第二天，發現TK2307 儲罐從基礎處往外泄漏石腦油，第三天，發現TK2204 儲罐也從基礎處往外滲石腦油。經過排空、放水置換，打開TK2307 儲罐人孔進行罐內清洗處理。入TK2307 罐檢查發現，靠近集液坑處中幅板的一條徑向對接焊縫邊產生了約50～100 mm 長的裂紋，中心集液槽傾斜并向上拱起，該裂紋位于傾斜的中心集液槽向上拱起的最高點附近，詳細測量數據見圖1。

之后，為確保其他儲罐安全和查清問題根源，我們又先后對剩余倒錐底罐進行開罐檢查，發現TK2201、TK2205 二個儲罐底板存在上述類似問題，即底板變形較大，中心集液槽不均勻，向上拱起（有排液管的一側向上拱起的幅度小），但未發現泄漏現象。其余儲罐底板變形較小，且在規范允許范圍內，未發現泄漏。

圖1

整個庫區22 臺錐底罐共有4 臺儲罐底板變形偏大，中心集液槽不均勻向上拱起，其中最先發現的TK2307、TK2204 二臺儲罐變形最大，導致TK2307 分別出現1 條裂紋，TK2204 出現3 條裂紋并導致泄漏；同時檢修罐時發現，TK2201、TK2205 未泄漏的儲罐集液槽和基礎貼合非常緊密，無拱起、松動、懸空現象，變形量也較小，其變形應該是施工后形成，而不是投料過程中新形成的。

2 原因分析

從打開泄漏的TK2307、TK2204 儲罐底板并經實測的數據分析，事故調查小組一致認為，產生上述現象的原因有兩方面：一是焊接施工質量存在問題；二是儲罐基礎回填部分沉降偏大，即罐底板錐形中心處存在一定缺陷的焊縫，在儲罐充水試驗和裝卸介質時產生的交變載荷的作用下產生了裂紋；基礎回填砂石部分沉降量偏大，環墻沉降小造成的罐底板超量的彈塑性變形加速了這一過程。以下逐項分析這些原因：

2.1 從罐底板受力的理論分析角度探討其形成機理

從受力情況上分析，倒錐形儲罐底板軸向（垂直）為壓應力，徑向（水平）和切向兩個方向都是拉應力。具體來說，集液槽拱起、懸空肯定是某種向上作用力作用的結果。我們分析在集液槽上作用著五種力——介質向下的重力、中幅板處介質的重力在錐型底板上向下的分力、空鼓的中幅板在介質作用下產生下陷變形傳導到集液槽從而產生的鋼板向上的力、集液槽和基礎瀝青砂石產生的摩擦力（摩擦力隨著前三種力合力方向而改變方向）、基礎的反作用力。如果底板平整并且和基礎面完全貼合，則第三種力不存在，集液槽僅受向下的力，并與摩擦力和底板的反作用力相平衡，從而決定著集液槽永遠不會上拱而是存在著向下的趨勢。但各種現象表明，“空鼓的中幅板在介質作用下產生下陷變形傳導到集液槽，從而產生鋼板向上的彈性變形力”產生了決定性的作用。

2.2 基礎不均勻沉降情況

不可否認，在基礎設計上面的確存在“強(圈梁)——弱(級配砂)——強(集液槽底部)——弱(級配砂)——強(圈梁)”現象，但我們認為不足以引起“嚴重變形為W形狀”。本項目基礎設計基依據地質條件為：地面至基巖深度8.2 m，為強夯地面，強夯地面和施工的基礎部分為可沉降部分，總深度約為9 m，產生不均勻沉降的部分應該為圈梁墊層以上部分。依據SH 3068-2007《石油化工企業鋼儲罐地基與基礎設計規范》，在考慮合格的強夯基礎上，按照實際施工情況計算的第1 臺儲罐基礎周邊砂石與集液槽中心處的沉降量差為1.3 mm。按照設計圖紙，其混凝土環梁基礎的計算沉降量為5.6 mm，離罐壁3.5 m 處級配砂的墊層基礎的計算沉降量為9.5 mm；假設罐中心集液槽直接座落在強夯基礎上，則中心基礎的計算沉降量為8.2 mm，環梁基礎與其他基礎處的沉降量差為3.9 mm。也就是說，從設計計算來看，基礎各部分的沉降偏差不大，能滿足要求。其他罐情況類似。

當然，實際施工過程中，尤其在基礎砂石層出現施工質量問題時，不均勻沉降量將會遠大于設計量，從而引起不均勻沉降變形。在實際檢修的過程中，我們采取多種方式對此進行了觀察和測量。結果如下：

（1）2 臺泄漏儲罐在集液槽拆除后，底板未能全部復位，從集液槽基礎坑順著懸空的底板向下觀察基礎面，觀察直徑可達3～4 m，基礎面保持平整，無明顯的凹陷變形。

（2）其他未泄漏的儲罐集液槽拆除后，底板復位情況良好的儲罐，集液槽基礎坑的深度均約為620 mm，底板坡度尺寸和設計值相吻合，說明集液槽基礎和圈梁無明顯的相對沉降，否則底板坡度尺寸和設計值將出現較大的偏差。

（3）在進行注漿開孔時，我們測量了部分儲罐瀝青砂基礎面對壁板角焊縫的尺寸，見表1～表4。

根據以上統計表，實際數值和設計值平均偏差為21 mm，最大正偏差為22 mm（該處基礎面低于設計值），最大負偏差為-20 mm（該處基礎面低于設計值）。根據以上數據可以得出基礎面沒有在施工過程中出現標準以外的不均勻沉降的結論。

按照原先的分析推論，底板為W 形狀，基礎面的形狀亦應為W 形狀，集液槽被強夯地面托起，沉降量小或不沉降，“強的圈梁”被強夯地面托起，沉降量小或不沉降，則中幅板位置瀝青砂石基礎應該凹陷下去，深度應為約80～100 mm。但是若要符合變形后底板的實際尺寸，則壁板角焊縫和集液槽邊緣應該基本水平甚至集液槽邊緣高出壁板角焊縫，那么“強的圈梁”也應該沉降80～100 mm，這將是一個可以明顯觀察的沉降量，但基礎沉降觀測數據表明從沒有出現如此大的沉降，明顯和原先的分析推論相矛盾，實際的檢查測量否定了W 型基礎面的存在。

表1 TK2201 基礎面測量數據

表2 TK2205 基礎面測量數據

表3 TK2204 基礎面測量數據

表4 TK2307 基礎面測量數據

2.3 從實際施工情況分析各施工因素產生的影響

（1）焊接變形的影響

儲罐底板在焊接后均不可避免地產生一定的變形，造成罐底板與罐基礎面之間不完全貼合。按GB 50128-2014《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工及驗收規范》6.3.2條款規定“罐底焊接后，其局部凹凸變形深度，不應大于變形長度的2%，且不大于50 mm”。因此，焊接后罐底的變形量小于50 mm 屬于正常。經查閱有關資料，該儲罐施工完成后，對其進行幾何尺寸檢查時的記錄顯示，其罐底板局部凹凸變形深度最大為25 mm，符合規范要求，但凹凸度測量的是底板高點和低點之差，尚無法真實反映底板空鼓的情況，但可以肯定地說，底板空鼓量大于凹凸度測量的數據。

（2）焊接質量的影響

現場實際檢查表明，泄漏的TK2307、TK2204 焊接質量確實不符合標準規范，分述如下：

①焊縫外觀質量缺陷：從圖片上看，焊縫表面質量存在缺陷，焊縫低于母材，有咬邊、飛濺等表面缺陷。

②焊縫內部質量存在夾渣、未焊透或未溶合現象。底板焊縫的檢測主要是靠焊縫外觀檢查和真空試驗。這兩種檢查方法只能檢查焊縫的表面質量，不能檢查其內部缺陷。

③當時施工作業處于雨季，焊接作業中，受環境影響，因水汽或空氣濕度過大可能導致焊縫產生氣孔等缺陷，或剛焊接的焊縫受雨水淋，冷卻速度過快，產生延遲裂紋等。

④焊接過程中個別焊接作業人員可能違反焊接工藝規程，未按已經審核的焊接工藝評定方案作業。從照片上看，所出現裂縫的焊縫屬于補焊的，導致焊接工作完成后，焊接應力過大。

2.4 集液槽基礎坑的施工影響

設計要求集液槽基礎坑應和集液槽緊密貼合，有空隙的必須搗實，但檢修中發現，凡是拱起嚴重的集液槽和基礎坑均貼合不緊密（拆除容易），減小了集液槽的穩定性，在底板變形過程中較容易被抬起，即由于集液槽在集液坑中相對松弛，較小的變形力就足以使其拱起。比較TK2201、TK2205 罐及其他各罐集液槽的拆除情況可見，集液槽基礎的施工存在著較大的差異。未出現底板泄漏的儲罐是施工后集液槽和基礎坑均貼合緊密的，摩擦力大，能夠較大地抵抗底板變形產生的向上的彈性變形力，不產生變形。

2.5 空鼓的作用過程

首先我們考慮在中幅板中間存在一處空鼓，比如說40 mm，在加載過程中，受到介質的重力，向下產生變形，其原先存在的內應力和變形要向外傳導，原則應是向最容易傳導的方向傳導。在壁板方向，有地腳螺栓限定著其變形，在中幅板處，由于中幅板焊縫（強度高于母材）以及對接板墊焊的墊板，同樣阻止變形的傳導，比較容易傳導的方向就是集液槽的方向。變形量在中幅板處僅僅存在，比如說40 mm 的空鼓，傳導到集液槽出現100 mm 多的變形，主要是杠桿原理的結果，造成傾斜的原因是空鼓量的不一致。

綜上，該工程項目錐底儲罐變形的原因是：焊縫質量問題產生裂紋及底板空鼓造成集液槽拱起，而底板空鼓的原因又是：焊接變形是主要原因，基礎不均勻沉降是次要原因。