大型常壓儲罐罐壁沉降的諧波分析研究與應用

張豪杰* 張子健 許 波,2 柴軍輝,2 張小龍 胡 健 吳蒙蒙

（1. 寧波市勞動安全技術服務公司 2. 寧波市特種設備檢驗研究院）

常壓儲罐被廣泛應用于石油、化工等行業，作為國家石油戰略儲備計劃的重要設備，常壓儲罐大多建造于沿海軟土地區。受到地質條件、建造地基、現場安裝條件等多種因素的影響，隨著儲罐使用年限增加，儲罐基礎會產生沉降，對儲罐的使用產生不良影響，甚至留下安全隱患。因此，在大型常壓儲罐的檢驗檢測過程中，判定基礎沉降是否符合使用要求的方法就顯得尤為重要[1]。

1 儲罐的沉降類型

1.1 均勻沉降

儲罐整體均勻沉降通常對儲罐安全運行的影響較小，雖然沉降會使儲罐罐壁接管處的局部附加應力增大，但對儲罐的整體應力水平和應力分布影響很小，危害程度較低。然而過度的均勻沉降會使罐壁和接管的連接結構件產生一定程度的損壞，使儲罐的安全運行存在安全隱患。

1.2 整體平面傾斜沉降

儲罐罐壁整體平面傾斜沉降會導致其產生剛體旋轉位移，但儲罐基礎仍然保持原有的幾何形狀。儲罐建造初始，基礎一般是水平的，但其發生整體平面傾斜沉降后，儲罐底板會形成傾斜平面。相關研究資料表明：整體平面傾斜沉降對儲罐造成的安全威脅并不是沉降種類中最大的，其危害程度稍大于均勻沉降。

1.3 不均勻沉降

儲罐罐壁不均勻沉降的沉降量通常比均勻沉降、整體平面傾斜沉降更小，但對整體結構的影響卻很大，不均勻沉降會使儲罐產生徑向變形，使罐壁產生超應力現象。徑向變形又稱為橢圓化變形，過大的橢圓化變形會使固定頂儲罐罐頂產生較大的徑向位移，且會導致浮頂罐自由活動的浮頂失靈，甚至會造成事故。

1.4 底板沉降

由于承受儲存介質的靜壓力，儲罐底板會產生較大變形，一般情況下最大沉降發生在底板中央，有時也會發生在中幅板和邊緣板之間的某一位置，而很少發生在底板的邊緣。底板的變形破壞程度主要受到沉降的形式和最大沉降量影響，在最大沉降量相同時，局部沉降最易造成底板變形[2]。

對上述4 種沉降類型進行分析后發現，儲罐罐壁的不均勻沉降對儲罐的結構影響最大。

2 沉降檢測

SY/T 6620—2014《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》[3]標準對油罐罐底沉降的評定規定如下：在儲罐沉降檢測中，沉降觀測點數不少于8 個，沉降點在圓周上的最大間距是9.8 m，且沉降點在油罐罐壁上應是等距的。在滿足以上條件的前提下，選取合適的測定點數N，可以根據下式計算：

式中：N——沉降測量點的最低要求數值， 分數值向上取整數；

D——儲罐直徑，m 。

圖1 所示為罐壁沉降測量的推薦位置，根據測量得到的數據進行計算就能得出儲罐的實際沉降量。

圖 1 罐壁沉降的測量的推薦位置（外部）

3 儲罐沉降諧波分析

3.1 圖形法

為了確保儲罐罐壁和罐底的結構完整性，對儲罐非平面沉降進行重點評定。常用評定方法是確定油罐圓周上每個數據點的均勻沉降和剛性體傾斜分量的數值，剛性體平面是測量非平面沉降數值的重要基準。儲罐罐壁沉降分量影響曲線可按照下列各項來繪制：

（1）實際邊緣沉降（大多數情況下是不規則的）是以油罐整個圓周上的各點作為橫坐標繪制的。

（2）橫坐標和該曲線的最低點之間的垂直距離是最小沉降量，即為均勻沉降分量。通過這個點平行于橫坐標的線可作為沉降測量的新基礎或基準線，稱為“校準沉降”。

（3）剛性體沉降的平面是由實際邊緣沉降的最大值和最小值之間的“最佳余弦曲線”來表示的。最簡單的方法是徒手繪制，可參考試算法將全部數據繪制成貼合的最佳余弦曲線；較好的方法是應用計算機的數學和圖解性能來繪制。

（4）不規則曲線和余弦曲線之間的垂直距離代表非平面沉降的數值。

（5）通常使用和可接受的方法是使用計算機解出常數a，b 和c，根據下式計算得到最佳余弦曲線：

式中： ——余弦曲線上角度為 時的預測高度。

計算機最佳擬合余弦曲線的典型初始點是最小方差擬合，所選的參數a，b 和c 可將測量高度與預測高度差的平方和R2減到最小。只有當R2的值小于或等于0.9 時，認為該最佳余弦曲線是有效的。

式中：Syy——平均測量高度與測量高度差的平方和； SSE——測量高度與預測高度的差的平方和。

3.2 數值法

數值法計算不均勻沉降通常采用對罐周沉降u 進行傅里葉級數展開的方法：

或采用下式進行計算：

4 在用罐壁沉降允許值判斷

4.1 根據GB 50473—2008判斷

根據GB 50473—2008《鋼制儲罐地基基礎設計規范》[5]，沉降允許值規定如表1 所示。

表 1 儲罐沉降允許值

4.2 根據SY/T 6620—2014判斷

根據實際測量值確定最大不均勻沉降量，可通過下式進行計算：

式中：S——沉降(不均勻沉降) ，m ；

L——測量點之間弧長，m；

Y——屈服強度，MPa ；

E——楊氏模量，MPa

H——油罐高度，m。

5 應用案例

某地區化工廠10 個儲罐的具體參數如表2 所示。

對10 個儲罐進行沉降檢測，實測沉降情況如圖2 所示。

表 2 某化工廠內10個儲罐具體參數

圖 2 10個儲罐沉降實測沉降情況

表 3 10個儲罐沉降諧波分析結果

將測得的實際沉降數值，通過基于3.2 章節編制的Matlab 諧波分析程序進行計算，結果如表3 所示。

根據GB 50473—2008 標準可知，除了V109 罐不合格外，其余儲罐的沉降值均合格，而根據SY/T 6620—2014 標準進行判斷，則10 個儲罐的沉降值均合格。

6 結論

由上述分析可知，儲罐沉降檢測諧波法可對數據進行處理， SY/T 6620—2014 標準較GB 5043—2008標準更適用于在役儲罐沉降分析。