大型原油儲罐沉降評價方法研究*

孫成德,盧 蕾,程 偉

(1.國家管網集團東部原油儲運有限公司，江蘇 徐州 221008；2.合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

大型原油儲罐是國家戰略石油儲備、商業石油儲備的關鍵設備，主要由罐本體、罐基礎、附屬設施及安全附件組成，對于投用時間久以及處于填海造地或臺風多發區域的大型原油儲罐，罐基礎沉降是影響大型原油儲罐安全運行的重要因素，因此需要定期開展罐基礎的沉降觀測[1]。罐基礎沉降根據形態可分3類，分別為整體沉降、傾斜沉降與不均勻沉降。由于整體沉降一般不會導致儲罐發生傾斜、應力集中甚至坍塌，且整體沉降往往發生在新投用儲罐上，所以儲罐的沉降觀測主要是檢測傾斜沉降和不均勻沉降[2-4]。然而國內外標準對常壓儲罐沉降觀測評價方法各不相同，給儲罐使用單位、管理機構以及檢驗檢測機構帶來了困擾[5-6]。為此有必要開展大型原油儲罐沉降觀測評價方法研究，結合大型原油儲罐實際情況，提出適合中國國情的大型原油儲罐沉降觀測評價方法，為科學制定儲罐檢修周期、保障儲罐安全長周期運行提供依據。

1 國內外沉降觀測評價方法

1.1 均勻傾斜沉降評價方法

國內外標準關于均勻傾斜沉降的評價方法基本一致，均是評價對稱點高程差，儲罐直徑或罐壁高度不同，對稱點高程差允許值不同。不同之處在于給出的指標控制范圍不大相同[7-13]。以10萬立方米大型儲罐為例，儲罐直徑80 m，罐壁高度20 m，GB 50341—2014和SH/T 3528—2014對稱點高程差指標控制范圍為0.003 5D(即280 mm)，而GB 50128—2014,SY/T 5921—2017和API 653—2014指標控制范圍是0.003D(即240 mm)，英國儲罐檢維修標準EEMUA159允許值最大，0.2H(即400 mm)。國內外標準有關均勻傾斜沉降的評價方法見表1。

表1 國內外標準均勻傾斜沉降評價方法

1.2 不均勻沉降評價方法

國內外標準均指出可以通過相鄰點高程差或者繪制沉降曲線來進行評價[14-15]。各國研究者在相鄰點高程差允許值上做了很多工作，DE BEER認為儲罐不均勻沉降允許值ΔSmax≤L/450，其中L是相鄰兩個觀測點間弧長，取10 m[16]。這一指標被國內儲罐設計、施工標準修正并采納，所以 GB 50341—2014和GB 50218—2014給出的相鄰點高程差允許值是25 mm，而國內儲罐檢維修標準SYT 5921—2017給出的相鄰點高程差允許值是12 mm，英國儲罐檢維修標準EEMUA159—2014則指出相鄰點高程差不應超過100 mm或弧長的1%，不同標準給出的相鄰點高程差允許值差別較大。國內外標準不均勻沉降評價方法見表2。

表2 國內外標準不均勻沉降評價方法

2 國內儲罐實際沉降檢測數據

對17家油庫共計189臺10萬立方米在役大型原油儲罐實際沉降檢測數據進行匯總、統計，研究大型儲罐實際沉降狀況，為提出適合中國國情的沉降評價方法提供數據支撐。

2.1 相鄰點高程差

189臺儲罐相鄰點高程差實測數據見圖1，分布區間統計見表3。由圖1和表3可以看出：只有19.05%的10萬立方米儲罐相鄰點高程差在SY/T 5921推薦的允許值12 mm范圍以內，63.49%的10萬立方米儲罐相鄰點高程差在GB 50341推薦的允許值25 mm范圍內，但這些儲罐均處于正常服役狀態且經全面檢驗后仍可以繼續運行，也就是說：常壓儲罐相鄰點高程差12 mm或者25 mm 的允許值對于大型儲罐而言過于保守，存在優化空間。依據帕累托法則，80%儲罐不均勻沉降風險集中在20%不均勻沉降相對嚴重的儲罐上。此次參與數據統計的189臺儲罐中，79.89%的儲罐相鄰點高程差不超過38 mm，80.95%的儲罐相鄰點高程差不超過39 mm，基于此建議將大型儲罐相鄰點高程差允許值定為38 mm。

圖1 相鄰點高程差實測數據統計

表3 189臺儲罐相鄰點高程差分布區間統計

2.2 對稱點高程差

189臺10萬立方米大型儲罐對稱點高程差實測數據統計見圖2。由圖2可以看出：99.59%儲罐對稱點高程差在SY/T 5921推薦的允許值240 mm以內，僅有1臺儲罐對稱點高程差為253 mm，超過了240 mm，但也位于GB 50341推薦的允許值 280 mm 以內。79.92%儲罐對稱點高程差不超過74 mm，見表4。

圖2 對稱點高程差實測數據統計

表4 189臺儲罐對稱點高程差分布區間統計

3 提出大型原油儲罐沉降評價方法

結合GB 50341—2014,SYT 5921—2017,API 653—2014和EEMUA 159—2014等國內外儲罐標準，基于189臺10萬立方米大型原油儲罐實際沉降檢測數據及多年的儲罐檢驗檢測經驗，提出10萬立方米大型原油儲罐三步沉降評價方法。

(1)允許值比較：沿罐壁周圍方向任意10 m弧長內的高程差不應大于38 mm；對稱點高程差不應大于0.003D即240 mm。

(2)當相鄰點高程差超過38 mm且對稱點高程差不大于240 mm時則需繪制沉降曲線，見圖3。罐壁的局部沉陷或不均勻沉降量Ui應滿足公式(1)和(2)的要求。

圖3 沉降曲線示意

Si≤11L2Y/(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。

使用origin或matlab解出常數a,b,c，作出余弦曲線Elevpred=a+bcos(θ+c)，且只有R2=(Syy-SSE)/Syy須大于或等于0.9，才認為余弦曲線有效。其中：Elevpred為余弦曲線上角度為θ時的預測高度；Syy是平均測量高度與測量高度的差的平方和；SSE為測量高度與預測高度的差的平方和。

(3)當對稱點高程差大于240 mm,或相鄰點高程差大于38 mm且對稱點高程差不超過 240 mm 但繪制沉降曲線罐壁的局部沉陷或不均勻沉降量Ui不滿足公式(1)和(2)的要求時，則需要利用有限元分析軟件進行數值分析，并將數值分析所得理論最大應力與材料許用應力進行比較、所得最大變形量與標準規定的允許值進行比較，進而判斷儲罐在沉降狀況下是否可以繼續使用。具體步驟如下：

①參照儲罐竣工圖紙建立儲罐模型，包括頂部抗風圈結構。儲罐建模及數值分析采用Ansys workbench完成，建模與網格劃分結果見圖4和圖5。

圖4 儲罐幾何模型

圖5 儲罐網格劃分情況

②考慮儲罐在實測液位、最大液位情況下內部液壓、外部風載對儲罐結構響應的影響，利用ANSYS軟件進行數值分析，將計算所得最大應力與材料許用應力進行比較，將計算所得最大變形量與GB 50341—2014所允許的最大變形量進行比較，進而判斷沉降是否會影響儲罐結構安全及浮盤功能完整性。

③當對稱點高程差大于240 mm,或相鄰點高程差大于38 mm且對稱點高程差不大于240 mm但繪制沉降曲線罐壁的局部沉陷或不均勻沉降量Ui不滿足公式(1)和(2)的要求時，則需要利用有限元分析軟件進行數值分析，并將數值分析所得理論最大應力與材料許用應力進行比較、所得最大變形量與標準規定的允許值進行比較，進而判斷儲罐在沉降狀況下是否可以繼續使用。

4 實際沉降案例及評價方法應用

4.1 實際沉降檢測數據

某商業原油庫于2008年建成投產，建有在役10萬立方米大型原油儲罐16座，2019年對G6儲罐進行沉降檢測，檢測結果見表5。

表5 G6罐沉降檢測結果

由表5可以看出：相鄰點高程差最大值為 38 mm，G6罐存在不均勻沉降；對稱點高程差為253 mm，G6罐存在由北向南方向的均勻傾斜。

4.2 與允許值比較

與本文提出的10萬立方米大型原油儲罐沉降評價方法允許值相比較，G6罐相鄰點高程差未超過38 mm允許值，但對稱點高程差253 mm超過了對稱點高程差允許值240 mm。

4.3 繪制沉降曲線

根據G6罐允許值比較結果，可以看出G6罐應進行數值分析。但為了更好地闡述本文所提出的儲罐沉降評價方法，仍然繪制沉降曲線。根據實測值，利用origin擬合得到沉降曲線，見圖6。

圖6 沉降曲線

底層壁板鋼材12MnNiVR的屈服強度Y為226 MPa；相鄰觀測點間弧長L為8.97 m；底層壁板鋼材的彈性模量E為206 GPa；罐高H為 21.8 m，則11L2Y/(2EH)=58.8 mm。儲罐G6相對豎向變形量見表6。

表6 儲罐相對豎向變形量

可以看出，儲罐G6相對豎向變形量Si最大為29 mm，小于11L2Y/(2EH)即58.8 mm，也就是說儲罐G6的不均勻沉降仍然在可接受范圍內。

4.4 數值分析

由于G6罐對稱點高程差253 mm大于240 mm，故需要利用ANSYS軟件進行數值分析。儲罐所儲存介質為巴林原油，密度為880 kg/m3，檢測時儲罐液位為10 m。基于以上數據采用有限元方法展開數值模擬，約束儲罐底部的徑向、環向位移，軸向施加沉降載荷，內部施加靜液壓力，于是得到儲罐在實測沉降條件下的應力強度和徑向變形，見圖7和圖8。由圖7和圖8可以看出，儲罐應力強度最高達101 MPa，位于第1和2層底板間。此處材質為12MnNiVR，許用應力值226 MPa，數值分析結果低于許用應力，儲罐結構安全性有充分保障；儲罐最大變形約68 mm，發生在罐頂位置，低于GB 50341—2014規定要求的±100 mm，儲罐浮盤升降基本也不會受到影響。

圖8 儲罐徑向變形

4.5 沉降評價結果

(1)G6罐相鄰點高程差為38 mm，未超出本文提出的沉降評價方法允許值38 mm，不均勻沉降在允許范圍之內；進一步繪制沉降曲線，G6罐相對豎向變形量Si最大為29 mm，小于11L2Y/(2EH)即58.8 mm，進一步說明G6罐的不均勻沉降在可接受范圍內，這也驗證了本文提出允許值38 mm的可靠性。

(2)G6罐對稱點高程差為253 mm，超出本文提出的沉降評價方法允許值240 mm，進而采用數值分析G6罐最大應力和最大變形，結果顯示G6罐最大應力未超出材料的許用應力、最大變形也未超出標準限制，G6罐可以繼續使用。

5 結 論

(1)國內外不同標準提出的儲罐沉降評價方法思路相同、內容各異。在相鄰點高程差允許值上，不同標準給出的推薦值差別較大，且與國內大型儲罐實際沉降情況存在偏差。189臺大型儲罐實際沉降觀測結果顯示，僅有19.05%大型儲罐相鄰點高程差不大于12 mm，63.49%大型儲罐相鄰點高程差不大于25 mm，79.89%大型儲罐相鄰點高程差不大于38 mm；79.92%大型儲罐對稱點高程差不大于74 mm，99.59%大型儲罐對稱點高程差不大于240 mm。

(2)提出大型儲罐三步沉降評價方法：允許值比較、繪制沉降曲線、數值分析。推薦大型儲罐相鄰點高程差允許值為38 mm，對稱點高程差允許值為240 mm。針對不同類型的儲罐沉降，可以利用此三步沉降評價方法進行快速分類評價，該方法可操作性強，具有很高的實際應用價值。

(3)G6罐相鄰點高程差為38 mm，繪制沉降曲線發現相對豎向變形量Si滿足Si≤11L2Y/(2EH)，不均勻沉降在可接受范圍內，數值分析結果顯示最大應力和最大變形均在可接受范圍內，進一步驗證了相鄰點高程差允許值設為38 mm的安全性和可靠性。