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(wǎng)集團(tuán)東部原油儲運有限公司，江蘇 徐州 221008；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

大型原油儲罐是國家戰(zhàn)略石油儲備、商業(yè)石油儲備的關(guān)鍵設(shè)備，主要由罐本體、罐基礎(chǔ)、附屬設(shè)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(fēng)多發(fā)區(qū)域的大型原油儲罐，罐基礎(chǔ)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(chǔ)的沉降觀測[1]。罐基礎(chǔ)沉降根據(jù)形態(tài)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(dǎo)致儲罐發(fā)生傾斜、應(yīng)力集中甚至坍塌，且整體沉降往往發(fā)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(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)以及檢驗檢測機(jī)構(gòu)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(jié)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(xué)制定儲罐檢修周期、保障儲罐安全長周期運行提供依據(jù)。

1 國內(nèi)外沉降觀測評價方法

1.1 均勻傾斜沉降評價方法

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)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(biāo)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(biāo)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(biāo)控制范圍是0.003D(即240 mm)，英國儲罐檢維修標(biāo)準(zhǔn)EEMUA159允許值最大，0.2H(即400 mm)。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)均勻傾斜沉降的評價方法見表1。

表1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均勻傾斜沉降評價方法

1.2 不均勻沉降評價方法

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均指出可以通過相鄰點高程差或者繪制沉降曲線來進(jìn)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(rèn)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(biāo)被國內(nèi)儲罐設(shè)計、施工標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)儲罐檢維修標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)EEMUA159—2014則指出相鄰點高程差不應(yīng)超過100 mm或弧長的1%，不同標(biāo)準(zhǔn)給出的相鄰點高程差允許值差別較大。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)不均勻沉降評價方法見表2。

表2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)不均勻沉降評價方法

2 國內(nèi)儲罐實際沉降檢測數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)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(shù)據(jù)支撐。

2.1 相鄰點高程差

189臺儲罐相鄰點高程差實測數(shù)據(jù)見圖1，分布區(qū)間統(tǒng)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(nèi)，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(nèi)，但這些儲罐均處于正常服役狀態(tài)且經(jīng)全面檢驗后仍可以繼續(xù)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(yōu)化空間。依據(jù)帕累托法則，80%儲罐不均勻沉降風(fēng)險集中在20%不均勻沉降相對嚴(yán)重的儲罐上。此次參與數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)據(jù)統(tǒng)計

表3 189臺儲罐相鄰點高程差分布區(qū)間統(tǒng)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(nèi)，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(nèi)。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(shù)據(jù)統(tǒng)計

表4 189臺儲罐對稱點高程差分布區(qū)間統(tǒng)計

3 提出大型原油儲罐沉降評價方法

結(jié)合GB 50341—2014,SYT 5921—2017,API 653—2014和EEMUA 159—2014等國內(nèi)外儲罐標(biāo)準(zhǔn)，基于189臺10萬立方米大型原油儲罐實際沉降檢測數(shù)據(jù)及多年的儲罐檢驗檢測經(jīng)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(nèi)的高程差不應(yīng)大于38 mm；對稱點高程差不應(yīng)大于0.003D即240 mm。

(2)當(dāng)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(yīng)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(qiáng)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(shù)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(rèn)為余弦曲線有效。其中：Elevpred為余弦曲線上角度為θ時的預(yù)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(yù)測高度的差的平方和。

(3)當(dāng)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(jìn)行數(shù)值分析，并將數(shù)值分析所得理論最大應(yīng)力與材料許用應(yīng)力進(jìn)行比較、所得最大變形量與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷儲罐在沉降狀況下是否可以繼續(xù)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(fēng)圈結(jié)構(gòu)。儲罐建模及數(shù)值分析采用Ansys workbench完成，建模與網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 儲罐幾何模型

圖5 儲罐網(wǎng)格劃分情況

②考慮儲罐在實測液位、最大液位情況下內(nèi)部液壓、外部風(fēng)載對儲罐結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值分析，將計算所得最大應(yīng)力與材料許用應(yīng)力進(jìn)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(jìn)行比較，進(jìn)而判斷沉降是否會影響儲罐結(jié)構(gòu)安全及浮盤功能完整性。

③當(dāng)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(jìn)行數(shù)值分析，并將數(shù)值分析所得理論最大應(yīng)力與材料許用應(yīng)力進(jìn)行比較、所得最大變形量與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷儲罐在沉降狀況下是否可以繼續(xù)使用。

4 實際沉降案例及評價方法應(yīng)用

4.1 實際沉降檢測數(shù)據(jù)

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

表5 G6罐沉降檢測結(jié)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(jù)G6罐允許值比較結(jié)果，可以看出G6罐應(yīng)進(jìn)行數(shù)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(jù)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(qiáng)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(nèi)。

4.4 數(shù)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(jìn)行數(shù)值分析。儲罐所儲存介質(zhì)為巴林原油，密度為880 kg/m3，檢測時儲罐液位為10 m?；谝陨蠑?shù)據(jù)采用有限元方法展開數(shù)值模擬，約束儲罐底部的徑向、環(huán)向位移，軸向施加沉降載荷，內(nèi)部施加靜液壓力，于是得到儲罐在實測沉降條件下的應(yīng)力強(qiáng)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(yīng)力強(qiáng)度最高達(dá)101 MPa，位于第1和2層底板間。此處材質(zhì)為12MnNiVR，許用應(yīng)力值226 MPa，數(shù)值分析結(jié)果低于許用應(yīng)力，儲罐結(jié)構(gòu)安全性有充分保障；儲罐最大變形約68 mm，發(fā)生在罐頂位置，低于GB 50341—2014規(guī)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(jié)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(nèi)；進(jìn)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(jìn)一步說明G6罐的不均勻沉降在可接受范圍內(nèi)，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(jìn)而采用數(shù)值分析G6罐最大應(yīng)力和最大變形，結(jié)果顯示G6罐最大應(yīng)力未超出材料的許用應(yīng)力、最大變形也未超出標(biāo)準(zhǔn)限制，G6罐可以繼續(xù)使用。

5 結(jié) 論

(1)國內(nèi)外不同標(biāo)準(zhǔn)提出的儲罐沉降評價方法思路相同、內(nèi)容各異。在相鄰點高程差允許值上，不同標(biāo)準(zhǔn)給出的推薦值差別較大，且與國內(nèi)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(jié)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(shù)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(jìn)行快速分類評價，該方法可操作性強(qiáng)，具有很高的實際應(yīng)用價值。

(3)G6罐相鄰點高程差為38 mm，繪制沉降曲線發(fā)現(xiàn)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(nèi)，數(shù)值分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力和最大變形均在可接受范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗證了相鄰點高程差允許值設(shè)為38 mm的安全性和可靠性。