大型原油储罐的沉降观测及结果评价

司刚强

(中国石化管道储运有限公司，江苏 徐州 221008)

大型原油储罐是原油储备和运输的关键设备，常用于国家原油储备基地和商业油库[1]。受各种因素影响，大型原油储罐在投用一定时间后，往往会发生沉降甚至倾斜[2-8]。按照一定周期对大型原油储罐进行沉降观测是常压储罐检测的主要内容之一。储罐沉降观测的目的，在于分析储罐已经发生或最终发生的沉降是否符合储罐正常运行的可靠性最低要求，以便确定在用储罐及其基础是否需要修理，储罐是否可以继续运行。SY/T 5921—2017《立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护修理规范》[9]中指出，有环墙时每10 m弧长内任意两测点的高程差不应大于12 mm。但在实际检验检测中发现，大型原油储罐相邻观测点之间的高程差经常会大于12 mm。SY/T 5921—2017中虽然指出可通过绘制沉降曲线对储罐沉降观测结果进行评价，但是并没有详细阐述沉降曲线的绘制方法。本文以某10万m3大型原油储罐为例进行沉降观测，并依据美国石油协会标准API 653—2014《Tank Inspection，Repair，Alteration，and Reconstruction》[10]对沉降观测结果进行评价，以期为大型原油储罐的沉降观测及其结果评价提供借鉴。

1 常压储罐沉降类型

不同标准对常压储罐沉降的定义也不尽相同[11-15]，总体而言，储罐沉降可分为储罐基础的沉降和储罐底部的沉降。储罐基础的沉降分为不均匀沉降和倾斜沉降(整体倾斜)，见图1。储罐底部的沉降分为罐壁底端沉降和罐底板沉降。罐壁底端沉降包括罐壁均匀沉降、罐壁刚性体倾斜、罐壁不均匀沉降和罐壁边缘沉降，罐底板沉降包括整体均匀沉降和局部凹陷沉降。

实际工程应用中，储罐沉降观测的内容主要是测量储罐基础的不均匀沉降和倾斜沉降(整体倾斜)，文中主要针对这2种沉降进行沉降观测及结果评价。

图1 储罐基础沉降类型

2 储罐基础沉降观测

2.1 储罐基本信息

某油库10万m3双盘式外浮顶大型原油储罐于2006-11投用，该罐按照API 650—1995《Welded Tanks for Oil Storage》[16]设计，按照GBJ 128—90《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》[17]进行施工。

储罐内径80 m，高21.8 m。罐底边缘板材质为12MnNiVR，厚20 mm；罐底中幅板材质为Q235-B，厚11 mm。自下而上，储罐第1～第6圈罐壁板材质为12MnNiVR，第7圈罐壁板材质为16MnR，第8～第9圈罐壁板材质为Q235-B。第1～第9圈罐壁板厚度依次为32 mm、27 mm、21.5 mm、18.5 mm、15 mm、12 mm、12 mm、12 mm、12 mm。

储罐基础结构示意见图2。储罐基础自上而下依次为40 mm厚沥青砂垫层、80 mm厚沥青混凝土、580 mm厚中粗砂垫层。

图2 储罐基础结构示图

2.2 沉降观测点布置

采用苏州一光仪器公司制造的DSZ2型水准仪，观测储罐基础一周24个沉降观测点的高程，观测点平面布置见图3。其中观测点1、24之间为原油的进出口管，相邻观测点间弧长约为10 m。

2.3 沉降观测结果

储罐基础沉降观测结果见表1。表中第i个观测点的相邻点高程差Hi为第i个观测点的实测高程hi与第i-1个观测点的实测高程hi-1之差，即Hi=hi-hi-1(i=1～23)；第24个观测点的相邻点高程差H24为第24个观测点的实测高程h24与第1个观测点实测高程h1之差；第i个观测点的对称点高程差HSi为第i个观测点的实测高程hi与第i+12个观测点的实测高程之差(i=1～12)。

图3 储罐基础沉降观测点平面布置图

表1 储罐基础沉降观测结果 mm

由表1可以看出，相邻观测点高程差绝对值最小为0，最大为29 mm；对称观测点高程差绝对值最小为5 mm，最大为60 mm。

3 储罐基础沉降观测结果评价

3.1 沉降观测结果评价方法

3.1.1倾斜沉降

API 653—2014中明确指出，对不同类型的储罐，其基础直径方向上的沉降差不能超过表2中的许可值。

由表2可知，内径80 m的10万m3原油储罐的对称点高程差不能大于240 mm。

表2 API 653—2014中不同类型储罐基础倾斜沉降差许可值

3.1.2不均匀沉降

API 653—2014中指出，有环墙时每10 m弧长内任意两观测点的高程差不应大于12 mm。若高程差大于12 mm，则需绘制如图4所示的沉降曲线，储罐基础的不均匀沉降量Ui应满足式(1)和式(2)的要求。

Si≤11L2Y/(2EH)

(1)

Si=Ui-(Ui-1+Ui+1)/2

(2)

式中，Si为观测点i的相对竖向变形量，Ui、Ui-1、Ui+1分别为观测点i、观测点i-1、观测点i+1的局部沉降量，L为观测点之间的弧长，H为储罐高度，m；Y为底层罐壁板钢材的屈服强度，E为底层罐壁板钢材的弹性模量，kPa。

图4 常规储罐基础沉降曲线示图

沉降曲线的绘制方法：①根据实际观测数据绘制实测高程曲线，即图4中的实测沉降实线。②依据API 653—2014，利用软件工具Matlab或Origin进行拟合，得到余弦或者正弦曲线(图4中的拟合沉降曲线)，解出常数a、b、c，作出余弦曲线Elevpred=a+bcos(θ+c)或者正弦曲线Elevpred=a+bsin(θ+c)，其中Elevpred为余弦或正弦曲线上角度为θ时的预测高程。

当储罐基础的不均匀沉降量Ui满足式(1)和式(2)时，则认为储罐基础沉降符合油罐正常运行的最低可靠性要求，否则需对储罐基础进行修理。

3.2 沉降观测结果评价

3.2.1倾斜沉降

从表1看出，对称观测点高程差绝对值最大为60 mm，小于API 653—2014中所规定的沉降差许可值240 mm，即原油储罐的倾斜沉降符合储罐正常运行的最低可靠性要求。

3.2.2不均匀沉降

从表1看出，相邻观测点高程差绝对值最大为29 mm，不符合API 653—2014中所规定的每10 m弧长内任意2点的高程差不应大于12 mm的要求，因此需要绘制沉降曲线。根据实测值，利用Origin软件拟合得到沉降曲线Elevpred=1 634.66+17.1sin(0.018 7θ-2.986)，见图5。

图5 大型原油储罐实测及拟合沉降曲线

根据各观测点实测高程、拟合高程和式(2)进行计算，得到储罐基础沉降24个观测点的相对竖向变形量Si，见表3。

表3 储罐基础沉降观测点相对竖向变形量Si mm

由表3可知，Si最大值为15.10 mm。该储罐底层罐壁板钢材12MnNiVR的屈服强度Y=226 MPa、弹性模量E=206 GPa，相邻观测点间弧长L=10 m，储罐高度H=21.8 m。根据式(1)，有11L2Y/(2EH)=27 mm，即储罐基础的不均匀沉降量Ui满足式(1)和式(2)的要求。

综上所述，该大型原油储罐的倾斜沉降和不均匀沉降均未超出API 653—2014中所规定的沉降许可值，储罐基础沉降符合储罐正常运行的最低可靠性要求，无需进行维修，可以继续使用。

4 结语

大型原油储罐的沉降观测主要是检测储罐基础的不均匀沉降和倾斜沉降。利用水准仪观测了某10万m3大型原油储罐基础24个沉降观测点的高程，实测值和沉降曲线得到的数值说明，储罐基础的倾斜沉降和不均匀沉降均符合API 653—2014中有关储罐正常运行的最低可靠性要求，可继续使用。