用水準(zhǔn)網(wǎng)監(jiān)測(cè)大型臨海石油儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)沉降

曲洪謀

(中國石油廣西石化公司，廣西 欽州535008)

近年來，常壓儲(chǔ)罐的安全性和經(jīng)濟(jì)性越來越受到關(guān)注[1]。導(dǎo)致儲(chǔ)罐沉降的原因包括地理位置、地下土壤地質(zhì)特點(diǎn)、儲(chǔ)罐服役年限等[2]。為了分析判斷儲(chǔ)罐地基是否沉降，本文以實(shí)際儲(chǔ)罐地基為研究對(duì)象，并結(jié)合水準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)方法，監(jiān)測(cè)充油期間的儲(chǔ)罐地基變形及管墩沉降，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出儲(chǔ)罐的沉降，為儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)參考。

目前我國石油儲(chǔ)備基本都采用地上儲(chǔ)罐，考慮到海運(yùn)條件的優(yōu)越性和市場(chǎng)集中化等便利因素，我國的石油儲(chǔ)備基地多設(shè)在沿海地區(qū)。受到地基穩(wěn)定性、地表水下滲、不良地質(zhì)體等的影響，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)常會(huì)發(fā)生沉降，威脅到儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行，若儲(chǔ)罐局部應(yīng)力過大，會(huì)引發(fā)破裂、漏油等安全事故[3]。因此，臨海而建的大型油罐的沉降問題越來越受到油氣行業(yè)的關(guān)注。

1 水準(zhǔn)網(wǎng)理論

水準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)[4]是在已知點(diǎn)和待定點(diǎn)之間，以一定的路線進(jìn)行測(cè)量，由這些路線構(gòu)成的圖形叫水準(zhǔn)網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)，網(wǎng)中各條線路相匯的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)，已知點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間的路線稱為環(huán)節(jié)。起始數(shù)據(jù)是已知點(diǎn)的高程，直接觀察值是各水準(zhǔn)點(diǎn)間側(cè)段或路線的高差h及其路線長度l（或路線的測(cè)站數(shù)）。網(wǎng)中各水準(zhǔn)點(diǎn)的高程，由已知點(diǎn)的高程和高差計(jì)算而得。

2 儲(chǔ)罐概況

大型儲(chǔ)罐就是采用立式圓筒形鋼制焊接而成的油罐，通常容積大于5萬m3。大型儲(chǔ)罐一般采用外浮頂結(jié)構(gòu)，底板均帶有環(huán)形邊緣板，考慮到罐內(nèi)排水、地基沉降等因素，底板有一定的錐度，常用的設(shè)計(jì)是中間高、四周低的儲(chǔ)罐底板。

某碼頭油庫位于我國西南沿海，瀕臨北部灣，建設(shè)規(guī)模為320萬m3原油儲(chǔ)罐（單罐容量10萬m3），以及為新建儲(chǔ)罐配套的儲(chǔ)運(yùn)工藝、消防、給排水、電器、儀表、通信、建筑等設(shè)備和設(shè)施工程。由于該儲(chǔ)罐建設(shè)用地為填海造地，現(xiàn)儲(chǔ)罐已運(yùn)行10年之久，地基沉降的概率很大。本文在油罐的充油時(shí)段進(jìn)行了油罐的沉降監(jiān)測(cè)，包括基準(zhǔn)網(wǎng)沉降監(jiān)測(cè)、罐基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)及管墩沉降監(jiān)測(cè)，完成的工作量見表1。

表1儲(chǔ)罐地基變形監(jiān)測(cè)工作量表

3 監(jiān)測(cè)方法

3.1 儲(chǔ)罐內(nèi)油位

充油階段，儲(chǔ)罐油位在盤梯頂端的浮船導(dǎo)向管處用量油尺直接量取。充油前，盤梯頂端的浮船導(dǎo)向管已經(jīng)密封，所以油位高度直接在庫區(qū)中控室內(nèi)查詢。

3.2 環(huán)墻垂直位移

3.2.1 水準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)與觀測(cè)

每隔15d 檢查1次水準(zhǔn)儀的i角和水準(zhǔn)尺的基輔分劃讀數(shù)差。水準(zhǔn)儀的i角應(yīng)不大于10″，水準(zhǔn)尺基輔分劃的讀數(shù)差不大于0.5mm。遇到觀測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，在排除偶然誤差的前提下，應(yīng)檢查水準(zhǔn)儀的i角，以便查明原因。水準(zhǔn)網(wǎng)的觀測(cè)周期，應(yīng)根據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)位的穩(wěn)定情況來確定。

每次水準(zhǔn)網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)采集完成，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查校對(duì)。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求后，計(jì)算出各點(diǎn)間的高差，用“測(cè)量平差計(jì)算”程序進(jìn)行嚴(yán)密平差，計(jì)算出各點(diǎn)高程值，并進(jìn)行精度評(píng)定。

圖1水準(zhǔn)網(wǎng)平面位置示意圖

3.2.2 環(huán)墻垂直位移監(jiān)測(cè)

1）儲(chǔ)罐上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在充油期間已布置完成，本期沉降監(jiān)測(cè)沿用充油期間的觀測(cè)點(diǎn)。

2）觀測(cè)環(huán)墻沉降時(shí)，每個(gè)測(cè)站采集多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),采用閉合水準(zhǔn)路線，環(huán)線閉合差不大于(n為測(cè)站數(shù))，觀測(cè)條件較差時(shí)可放寬至觀測(cè)時(shí)應(yīng)固定儀器、固定路線、固定水準(zhǔn)尺，以削弱系統(tǒng)誤差。

3）對(duì)地基穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和油罐安全控制等指標(biāo)，按設(shè)計(jì)要求確定。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有豎向位移速率、環(huán)墻對(duì)徑點(diǎn)最大沉降差、罐周邊相鄰點(diǎn)最大沉降差等。監(jiān)測(cè)過程中若有異常情況，要及時(shí)通知業(yè)主、監(jiān)理等單位，盡早采取處理措施。

4）外觀測(cè)結(jié)束，經(jīng)檢查符合限差要求后，再進(jìn)行平差。計(jì)算采用電算程序，計(jì)算出每個(gè)沉降點(diǎn)的高程、本次沉降量和累計(jì)沉降量，以及對(duì)徑點(diǎn)的最大沉降差、相鄰點(diǎn)的最大沉降差、平均沉降量、沉降速率等。如計(jì)算結(jié)果不滿足技術(shù)要求，要進(jìn)行重測(cè)。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.3.1 全場(chǎng)水準(zhǔn)觀測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的布置

以場(chǎng)區(qū)西門門口的K3為基準(zhǔn)點(diǎn)，在罐區(qū)工作范圍內(nèi)布置7個(gè)工作基點(diǎn)，串聯(lián)成網(wǎng)。其中K3和S1互相檢查校正。

圖2基準(zhǔn)點(diǎn)示意圖

3.3.2 儲(chǔ)罐環(huán)墻垂直位移

按照設(shè)計(jì)圖紙要求，環(huán)墻施工單位在環(huán)墻上均勻布置了32 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，建北方向?yàn)? 號(hào)點(diǎn)，順時(shí)針增大。儲(chǔ)罐環(huán)墻垂直位移觀測(cè)點(diǎn)平面示意圖見圖3。

圖3垂直位移觀測(cè)點(diǎn)平面示意圖

3.4 基準(zhǔn)網(wǎng)監(jiān)測(cè)匯總表

基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量結(jié)果日期匯總表見表2，基準(zhǔn)網(wǎng)沉降結(jié)果匯總表見表3，管墩測(cè)量結(jié)果分析見表4。從表2、表3可以看出，基準(zhǔn)網(wǎng)中S2 點(diǎn)在第二次測(cè)量時(shí)遭到破壞，又重新啟用新的工作基點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，此后的測(cè)量數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)異常情況。其余各工作基點(diǎn)沉降基本均勻，未出現(xiàn)有較大的沉降。

表2基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量結(jié)果日期匯總表

表3 基準(zhǔn)網(wǎng)沉降結(jié)果匯總表/m

表4 管墩測(cè)量結(jié)果分析

3.5 儲(chǔ)罐監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

環(huán)墻的垂直位移結(jié)果匯總見表5，儲(chǔ)罐環(huán)墻平均沉降速率曲線見圖4，沿環(huán)墻圓周的各點(diǎn)沉降曲線(S-P)曲線見圖5，環(huán)墻沉降差(傾斜)隨油位的發(fā)展曲線見圖6，管墩平均累計(jì)沉降與對(duì)應(yīng)儲(chǔ)罐點(diǎn)累計(jì)沉降發(fā)展曲線見圖7。

圖4 儲(chǔ)罐環(huán)墻平均沉降速率曲線

圖5沿環(huán)墻圓周的各點(diǎn)沉降曲線(S-P)曲線

圖6環(huán)墻沉降差(傾斜)隨油位的發(fā)展曲線

圖7 管墩平均累計(jì)沉降與對(duì)應(yīng)儲(chǔ)罐點(diǎn)累計(jì)沉降發(fā)展曲線

3.6 充油期間環(huán)墻和管墩的垂直位移數(shù)據(jù)匯總

儲(chǔ)罐在充油期間的環(huán)墻垂直位移詳細(xì)數(shù)據(jù)匯總見表6，管墩的垂直位移詳細(xì)數(shù)據(jù)匯總見表7。

表5 儲(chǔ)罐充油期間的沉降觀測(cè)結(jié)果匯總表

表6環(huán)墻垂直位移詳細(xì)數(shù)據(jù)匯總

表7 管墩的垂直位移詳細(xì)數(shù)據(jù)匯總/m

4 分析

1）儲(chǔ)罐的充油過程與充水過程不同，并非按照充水期間設(shè)計(jì)要求分級(jí)充油，由圖4 可以看出，沉降速率雖然有時(shí)較大，但基本在可控范圍內(nèi)。由儲(chǔ)罐沉降數(shù)據(jù)（表5）可見，隨時(shí)間的推移和油位的變化，總沉降值越來越大，但沉降均勻且發(fā)展緩慢，說明儲(chǔ)罐處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2）由表6和圖6可以看出，投產(chǎn)以來，對(duì)徑點(diǎn)的沉降差雖然在逐漸變大，但發(fā)展趨勢(shì)緩慢。由圖5可以看出，環(huán)墻出現(xiàn)一個(gè)較大波谷，出現(xiàn)了不均勻沉降，但對(duì)徑點(diǎn)沉降差的最終值為13.2mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的280mm。環(huán)墻展開圖（圖5）為一條較光滑的曲線，說明相鄰點(diǎn)未出現(xiàn)較大的沉降差異。由圖6和表6 可以看出，從充油開始至最高液面，相鄰點(diǎn)沉降差雖然在逐漸變大，但最終值為2.9mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的19.6mm。對(duì)徑點(diǎn)和相鄰點(diǎn)的發(fā)展趨勢(shì)可以說明，環(huán)墻扭曲處于一個(gè)穩(wěn)定形態(tài)。

3）油罐管墩對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)罐位置為9號(hào)點(diǎn)，累計(jì)沉降值為40.7mm，由管墩測(cè)量結(jié)果分析可知，管墩沉降值在47.4～54.4mm 之間（表7）。由圖7 可以看出，管墩沉降量大于相應(yīng)位置的儲(chǔ)罐沉降量，說明管墩與儲(chǔ)罐存在沉降差，且有繼續(xù)發(fā)展變大的趨勢(shì)。

5 結(jié)果及結(jié)論

以上數(shù)據(jù)說明，充油至11.092m 又回落至2.682m后，至監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)的18.553m，儲(chǔ)罐累計(jì)沉降量為34.5mm，在此期間，對(duì)徑點(diǎn)沉降差的最終值為13.2mm，相鄰點(diǎn)沉降差的最終值為2.9mm，各項(xiàng)傾斜指標(biāo)均未超標(biāo)，滿足規(guī)范要求。從2013-08-15至2015-01-30，11個(gè)管墩測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量在47.4～54.4mm 之間，管墩10 點(diǎn)與儲(chǔ)罐9號(hào)點(diǎn)的累積沉降差異達(dá)到13.7mm，建議后期應(yīng)對(duì)此位置加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并采取相應(yīng)的措施加以處理。

綜上所述，大型儲(chǔ)油罐作為石油化工行業(yè)重要的存儲(chǔ)設(shè)備，其安全隱患問題不容忽視。儲(chǔ)罐不均勻沉降所帶來的影響巨大，隨著時(shí)間的推移，可能會(huì)導(dǎo)致油罐產(chǎn)生泄漏問題，嚴(yán)重的話可能導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的二次災(zāi)害。采用可靠度方法對(duì)儲(chǔ)罐底板沉降進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，運(yùn)用水準(zhǔn)網(wǎng)理論，對(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)周邊的不均勻沉降進(jìn)行測(cè)量，采用指數(shù)曲線法分析沉降，具有積極的實(shí)際價(jià)值。此外，主觀因素的影響，以及各個(gè)技術(shù)規(guī)范的參考不同，可能會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成偏差。