大型储罐基础沉降及罐体变形检验方法及应用

(中国石油 大连石化分公司， 辽宁 大连 116011)

石油和天然气存储及装卸场区是连接产、运、销各环节的纽带，其安全、高效运营尤为重要。场区内的储罐是原料储备、油品调合及成品油输转的重要设备，其内部储存着易燃、易爆、会对环境产生污染的介质，一旦发生安全事故后果严重[1]。因此，储罐的安全服役对于石油储运系统至关重要。大型储罐基础沉降及罐体变形是影响储罐安全服役的重要因素，也是评价储罐罐体安全性的重要指标。

大型储罐在服役过程中会发生一些沉降及变形，一般分为均匀沉降、整体平面倾斜沉降、不均匀沉降和底板沉降[2]。其中不均匀沉降对储罐的影响最大，主要会引起储罐的径向变形和罐壁的超应力。储罐的径向变形通常称为椭圆化变形，过大的椭圆化变形将引起无顶盖储罐罐顶产生很大的径向位移，对浮顶罐则会影响到浮顶的自由升降，使顶盖活动失灵[3]。同时，罐体周围的不均匀沉降会引起很大的罐底局部轴向压应力和檐梁周向应力，导致罐壁局部屈曲和檐梁屈服，使罐壁撕裂，储液溢出，甚至造成安全事故。

国内外大量储罐工程事故分析表明，地基不均匀沉降是导致储罐破坏的主要原因，因此应在储罐服役过程中监测储罐的不均匀沉降及罐体的椭圆化变形。文中简要介绍了储罐基础沉降及罐体变形检验方法，并以塔里木油田轮南储运站6#储罐为例加以说明。

1 储罐基础沉降及罐体变形检验方法

储罐基础沉降及罐体变形检验工作主要依据GB 50026—2007《工程测量规范》[4]、JGJ/T 8—2007《建筑物变形测量规程》[5]、SH 3068—2007《石油化工钢储罐地基与基础设计规范》[6]、SY/T 5921—2000《立式圆筒形钢制焊接原油罐修理规程》[7]、SH/T 3123—2001《石油化工钢储罐地基充水预压监测规程》[8]进行，采用高精度水准仪或全站仪对储罐进行测量。

采用独立高程系统，在场区内埋设3个以上高程基准点，基准点埋设在构筑物的压力传播范围以外。为防止基准点受到冻胀的影响，应使基准点的埋设深度超过冻土层，以保证基准点的稳定。基准点设计大样图见图1。

图1 基准点设计大样图

采用钢筋植入的方式，按圆周均匀分布的规律在储罐基础环墙混凝土外表面布置32个观测点(图2a)。采用粘贴反光片的方式在储罐外表面圆周均匀分布设置32个观测点(图2b)。

图2 储罐沉降及变形观测点布置分布

采用全站仪进行储罐沉降及变形各观测点的平面坐标测量和三角高程测量，定期测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化，获得任意测点的三位空间位置(包括平面坐标和高程)，然后进行近似平差，并按平差结果计算各种移动和变形值。储罐沉降及变形监测方法见图3，图中BM1～BM3为基准点，BK1～BK12为观测点。

图3 储罐沉降及变形测量工作示意图

2 储罐基础沉降及罐体变形检验实例

2.1 监测方案

塔里木油田轮南储运站6#储罐为双盘式浮顶油罐，公称体积50 000 m3，油罐内直径60 000 mm，油罐高度19 500 mm，储存介质为原油。对该储罐的基础环墙及罐体进行基础沉降及罐体变形监测。对基础环墙按圆周均匀分布的规律布置32个基础沉降观测点。对罐体按13.0 m、10.0 m、8.0 m、4.0 m、2.5 m和0.5 m共6个标高层位进行罐体变形监测，每个层位圆周均匀布置32个观测点。

2.2 基础沉降计算

根据SH 3068—2007《石油化工钢储罐地基与基础设计规范》的要求，用沿罐周相邻两测点的沉降差除以该两点间的罐周弧长计算储罐的不均匀沉降指标，即：

ΔS/l×100%≤δ

(1)

式中，ΔS为罐周相邻两测点的沉降差，l为两点间的罐周弧长，mm；δ为不均匀沉降度，%。

根据间隔3个月的2次现场监测数据，取两点间的罐周弧长l=5 919.939 mm，以EXCEL中的公式计算储罐基础不均匀沉降度，得到的部分计算结果见表1。

表1 储罐基础不均匀沉降度部分计算结果

可根据表1数据，按SH 3068—2007《石油化工钢储罐地基与基础设计规范》的要求分析储罐沉降差是否符合规范要求的允许值。

2.3 罐体椭圆度计算

采用最小二乘拟合法计算罐体各监测层位的椭圆度，最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，可简便求得未知数据，并使得这些数据与实际数据间误差的平方和为最小[9-11]。

椭圆的一般方程式为：

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

(2)

式中，A、B、C、D、E、F为椭圆方程中的常量，x、y为椭圆方程中的变量。

根据最小二乘法的偏差最小计算方法，可以将式(2)写为：

(3)

式中，i为测量样本数据的数量，储罐测量样本数据为每层32个。

令：

(4)

将式(4)转换为线性方程组：

(5)

将各层位的监测数据带入式(5)计算出A、B、C、D、E、F，再根据式(6)计算罐体椭圆度。

σ=a-b

(6)

(7)

(8)

式中，σ为椭圆度，a为椭圆长轴，b为椭圆短轴，mm。

计算得到的储罐罐体各层位椭圆度见表2。

表2 储罐罐体各层位椭圆度计算结果

3 结语

储罐基础不均匀沉降会引起罐体径向椭圆化变形及罐壁产生附加应力，导致罐壁局部屈曲和檐梁屈服，因此储罐的不均匀沉降观测在储罐服役过程中尤为重要[12-18]。可利用全站仪对储罐进行巡检测量，以监测储罐沉降及变形情况。该方法简单方便，适合储罐的日常监测及管理。可依据监测数据采用最小二乘法拟合计算储罐椭圆度，随时分析储罐的变形情况，指导储罐的运行管理。