石油成品油储罐充水沉降试验的分析

张 浩

〔中国石化陕西石油分公司 陕西西安 710003〕

在石油化工领域，大型储罐的应用非常广泛。因地形和选址限制，很多储罐建设在软土地基基础上。因地质条件限制及储罐基础、罐体等因素影响，储罐在运行过程中会产生各种沉降，这就可能对储罐的建设和后期安全带来隐患[1]。所以，对储罐建设项目而言，其在地质勘察、设计、建设施工工程中对储罐沉降量的检测、控制显得尤为重要。本文所举例的储罐地处西北沙漠地带，其地质条件具有许多不确定性因素，对储罐的施工质量和后期安全运营产生较大隐患。

1 储罐沉降形式及原因分析

1.1 储罐沉降形式

储罐充水沉降试验是储罐投运前的必备工序，它是检测储罐是否沉降或均匀沉降的重要手段。储罐沉降形式分为均匀沉降、平面倾斜和非平面沉降(不均匀沉降)。均匀沉降不会导致储罐结构内部的应力变化，但能对储罐附件、连接工艺管线、消防管线、仪器仪表连接套管等其它连接部位产生应力变形、断裂、断开等问题。平面倾斜引起液位升高，从而增大储罐罐壁内的环向应力，同时影响管线、储罐接管和连接件。非平面沉降导致储罐过量的倾斜会产生浮顶周向密封的约束和妨碍浮顶活动壁内的附加应力，表现在罐壁钢板被拉长或压弯，致使储罐顶部不圆，妨碍浮顶的正常功能，造成储罐罐壁出现扁平现象，损坏与管线连接的储罐接管。

1.2 原因分析

储罐地基产生不均匀沉降与倾斜的因素既有地质条件也有施工和使用不当等方面原因：一是建造储罐场地的好坏，包括土质的不均匀性、存在地质缺陷等；二是由于储罐内进油或进水速度过快也可能引起不均匀沉降，造成局部边缘剪切破坏[2]。为此，储罐在投用前必须做充水沉降试验。

2 充水沉降试验方法

2.1 试验前期的准备工作

储罐充水试验前须编制《储罐充水试验方案》并得到批准，储罐充水前，必须进行充水条件检查与确认，试验前期的准备工作如表1所示。

表1 储罐充水试验前期的准备工作

2.1.1 选取合适的沉降监测点

充水试验按照设计要求对每个储油罐基础进行沉降试验观测，沉降监测点的选取遵循以下原则[3]：①所布设的沉降基准观测点必须坚固、稳定且便于长期保存；②为了便于对沉降基准点进行相互检查，沉降基准点的数目应不少于3个，以保证沉降观测结果的正确性；③沉降基准点与观测点的距离不宜太远，以保证观测精度；④沉降基准点须埋设在建筑物的压力传播范围以外。同时，为了防止沉降基准点受到冻胀的影响，沉降基准点的埋设深度不小于1.5 m，以保证沉降基准点的稳定；如沉降观测基准点埋设在变形区以外，数量一般不少于3个。

2.1.2 布置安装储罐基础监测点

储罐充水沉降试验观测点的布置应在建设安装储罐基础之前，根据储罐的设计图纸安排好沉降试验观测点的布点方案等工作。编制沉降试验观测方案，也可委托有资质的第三方评估机构根据实际情况预设沉降试验观测点。为了能够反映出储罐基础的准确沉降试验情况，沉降试验观测点设置应在能够反映储罐沉降变化且便于观察的位置，例如，可设置在储罐基础上对称布置，在储油罐罐壁下部设置观测点，且相邻观测点之间的距离以10～20 m为好，点数的数量应为4的倍数，并均匀分布在储罐基础周围。沉降试验的观测点设置还要符合各安装施工阶段的观测要求，统筹考虑到防腐及形象标识装饰阶段的施工影响或掩盖沉降试验观测点情况的发生，防止产生不能连续观测而导致观测失效的情况。此外，可在沉降试验观测点的上方设置一定保护设施或装置，以避免观测点发生破坏从而得不到准确的沉降观测结果。

2.2 观测标准及方法

充水沉降试验观测一般按照国家二等水准测量的技术要求规范组织实施。对于储罐基础而言其整体倾斜沉降的允许最大值根据文献[4]规定，拱顶储罐为不超过其储罐直径的0.8%，固定顶储罐为不超过其直径的0.4%。对于储罐基础而言，其不均匀沉降的最大允许值按照文献[4]规定，其中浮顶储罐不超过沿罐壁圆周两点弧长的0.25%，固定顶储罐为不超过沿罐壁圆周两点弧长的0.4%。

储罐在施工完成经无损检测且质量合格后要进行充水沉降试验。在充水沉降试验前，应用水平仪测量储罐基础圆周围外突出的钢筋头观测点的实际标高，充水静置规定时间后再次测量，将几次的观测记录进行对比后方可得出充水试验的沉降量。储罐投用后，可找建设方或项目部索要沉降试验测量记录，用最后一次的观测记录与现在的测量数据进行对比，得出实际的沉降量。

如果设计文件没有具体要求时，可参照如下进行观测：

(1)新建罐充水前，每座油罐均应按照要求进行观测。

(2)对于坚实的地基基础，如预测沉降量较小时，首座储罐可以较快的速度充水至储罐高度的1/2后进行观测，并与充水前记录的数据进行对照，计算出真实的不均匀沉降数值；当沉降量没有超过允许最大标准时，可以继续充水至储罐高度的3/4后进行观测，如还没有超过允许的最大不均匀沉降量，可继续充水到最高液面并保持48 h后进行观测；当不均匀沉降量没有明显变化即可排水；数值有明显变化则继续保持最高液面，并每天进行定期观测，直至数值稳定。

如首座储罐沉降量符合规定要求且其它储罐的基础建造和施工工艺与首座一致时，对其它储罐的充水试验可根据实际情况适当简化1/2和3/4液面高度的充水和观测步骤。

(3)对于软性地基基础，预测沉降量可能大于300 mm或有发生滑移现象可能性时，应以0.6 m/d的速度充水，当液面高度达到3 m时，应停止充水，并每天定期观测数值的变化情况，根据数值变化绘制沉降曲线作为参考和留存；当沉降数值减少时，可持续充水，但应减少每天的充水高度，以保证载荷增加后每日沉降数值仍保持在降低趋势。当储罐内的液面接近最高液位时，应每天早晨先做一次观测后再开始充水试验，并在当晚再做一次沉降观测。如发现数值增加，立即放掉当天充水量，并按照较小的日充水量重新实施上述试验，直到数值无明显变化为止。

2.3 试验过程

储罐的基础充水沉降试验设置专人进行定期观测。储罐充水开始后，每天观测不少于2次并认真做好观测记录，充水沉降试验观测记录数据包括：储罐基础完工后、储罐充水前、储罐充水过程中、储罐分3次注满水后以及储罐放水后的全过程。储罐沉降观测宜采用精密的水准仪、钢尺或精密的工程水准仪(带有复合不准器)和刻度精准的水准尺等进行。

对于坚实地基基础，预计可能发生的沉降量很小时，充水试验可一次充水到1/2储罐高度进行沉降观测。如储罐不均匀沉降量小于5 mm/d，则可继续充水至储罐高度的3/4。如不均匀沉降量仍小于5 mm/d的允许值时，则可继续充水到最高水位(储罐安全高度)，待注满水并保持48 h后继续进行观测，储罐沉降量没有明显变化后即可逐步放水。当储罐沉降量有明显变化时，则应保持液面高度不变，并每天进行定期观测，直到沉降量稳定。在储罐沉降充水观测试验的全过程中，如发现罐基础异常等情况，应立即停止充水，待采取有效措施处理后方可继续进行充水试验。

2.4 试验数据及分析

某大型油库建设在西北沙漠地区，规划建设12座内浮顶储罐，储罐充水试验选取其中第D-01-050号储罐，该储罐容积为5 000 m3，规格型号为Φ20 000 mm，存储介质为柴油，储罐基础沉降观测记录见表2。《石油化工钢储罐地基与基础施工及验收规范》(SH/T 3528—2005)中7.4.3任意直径方向的沉降差允许值见表3。

表2 油库新建项目储罐基础沉降观测记录

表3 储罐基础沉降差允许值 mm

从表2可以看出，D-01-050储罐在1～8测量点测得的最终沉降量分别为9，11，11，12，12，10，9，8 mm，其中2～5测量点的沉降差较大。根据表3数据计算，D-01-050储罐在任意直径方向沉降差允许值为不大于140 mm。因此，D-01-050储罐满足石油化工钢储罐地基与基础施工标准中对沉降指标的要求。

2.5 处理措施及建议

(1)沉降量的观测包括基础完工后、储罐充水前、充水过程中、充满水后、放水过程中、放水后的全过程，且由专人进行详细记录。

(2)当沉降量有明显变化，则应保持最高操作液位，每天进行定期观测，直至沉降稳定为止。

(3)沉降观测过程中发现有不均匀沉降或均匀沉降时，应停止充、放水操作，并进行适当补救。根据实际情况，可参考以下补救措施：①均匀沉降时，可适当调整其它建筑物标高。工艺管线、罐区地面及其它涉及影响的建筑单元，根据具体沉降量调整相应标高；②不均匀沉降时，根据储罐沉降观察数据，在沉降变化严重一侧，采取增加桩基的措施补强加固，以提高储罐基础承载力；③非均匀沉降时，可将储罐采用机械平移技术，移至相邻基础上，根据储罐沉降观察数据和地质勘探报告，对基础松软土层新增桩基数量，提高储罐基础承载力。

3 结束语

在较松软的地质基础上建造大型储罐时，因为地基土质强度较低而储罐外荷载较大，往往容易出现较大的基础沉降和不均匀沉降，因此需要综合考虑多种因素并结合已有的案例，合理选择相应的地基处理方式。一般情况下，储罐在投产前要采用充水预压进行加固，这样可使各种沉降在短期内得以完成或大部分完成。提前做好储罐的基础沉降相关工作，并布置埋设好沉降基准点和沉降监测点，按照相关规范要求定期开展沉降监测点观测工作，做好数据的分析处理，防患于未然，如发现异常情况应采取有效手段立即妥善处理。此外，由于沉降是一个缓慢变化的过程，所以沉降量是某年某某日至某年某某日这一段时间以来的下沉量。对于已投入使用的油罐，在使用过程中如发生沉降，就需要查找到上次测量的数据，对比现在的测量数据才能确定下沉。测量的方法就是找个短时间不会变动的观测基准，然后测量储罐各个观测点的沉降量。