锥底储罐底板泄漏事故原因浅析

张方勤

（东华工程科技股份有限公司，安徽合肥230022）

目前，我国的化工品仓储项目储罐基本分为平底罐及锥底罐，锥底罐又分为倒锥底储罐（基础顶面中间低，周围高,底板呈倒锥形）及正锥底储罐（中间高，周围低,底板呈正锥形）。与普通平底罐相比，锥底罐在不增加造价的情况下，能较大幅度改善储运状态，其主要优点是：消除微生物的滋生环境，便于业主更换贮存产品时的排净和洗罐作业，减少电化学腐蚀等。当然，锥底罐对底板焊接和基础处理都有相当高的要求。

1 问题描述

某化工品库区共22 台储罐，均为倒锥底罐，全部储罐施工完成并经水压试验、基础沉降等各项验收合格后，开始投用以发挥经济效益。在储罐进石脑油后第二天，发现TK2307 储罐从基础处往外泄漏石脑油，第三天，发现TK2204 储罐也从基础处往外渗石脑油。经过排空、放水置换，打开TK2307 储罐人孔进行罐内清洗处理。入TK2307 罐检查发现，靠近集液坑处中幅板的一条径向对接焊缝边产生了约50～100 mm 长的裂纹，中心集液槽倾斜并向上拱起，该裂纹位于倾斜的中心集液槽向上拱起的最高点附近，详细测量数据见图1。

之后，为确保其他储罐安全和查清问题根源，我们又先后对剩余倒锥底罐进行开罐检查，发现TK2201、TK2205 二个储罐底板存在上述类似问题，即底板变形较大，中心集液槽不均匀，向上拱起（有排液管的一侧向上拱起的幅度小），但未发现泄漏现象。其余储罐底板变形较小，且在规范允许范围内，未发现泄漏。

图1

整个库区22 台锥底罐共有4 台储罐底板变形偏大，中心集液槽不均匀向上拱起，其中最先发现的TK2307、TK2204 二台储罐变形最大，导致TK2307 分别出现1 条裂纹，TK2204 出现3 条裂纹并导致泄漏；同时检修罐时发现，TK2201、TK2205 未泄漏的储罐集液槽和基础贴合非常紧密，无拱起、松动、悬空现象，变形量也较小，其变形应该是施工后形成，而不是投料过程中新形成的。

2 原因分析

从打开泄漏的TK2307、TK2204 储罐底板并经实测的数据分析，事故调查小组一致认为，产生上述现象的原因有两方面：一是焊接施工质量存在问题；二是储罐基础回填部分沉降偏大，即罐底板锥形中心处存在一定缺陷的焊缝，在储罐充水试验和装卸介质时产生的交变载荷的作用下产生了裂纹；基础回填砂石部分沉降量偏大，环墙沉降小造成的罐底板超量的弹塑性变形加速了这一过程。以下逐项分析这些原因：

2.1 从罐底板受力的理论分析角度探讨其形成机理

从受力情况上分析，倒锥形储罐底板轴向（垂直）为压应力，径向（水平）和切向两个方向都是拉应力。具体来说，集液槽拱起、悬空肯定是某种向上作用力作用的结果。我们分析在集液槽上作用着五种力——介质向下的重力、中幅板处介质的重力在锥型底板上向下的分力、空鼓的中幅板在介质作用下产生下陷变形传导到集液槽从而产生的钢板向上的力、集液槽和基础沥青砂石产生的摩擦力（摩擦力随着前三种力合力方向而改变方向）、基础的反作用力。如果底板平整并且和基础面完全贴合，则第三种力不存在，集液槽仅受向下的力，并与摩擦力和底板的反作用力相平衡，从而决定着集液槽永远不会上拱而是存在着向下的趋势。但各种现象表明，“空鼓的中幅板在介质作用下产生下陷变形传导到集液槽，从而产生钢板向上的弹性变形力”产生了决定性的作用。

2.2 基础不均匀沉降情况

不可否认，在基础设计上面的确存在“强(圈梁)——弱(级配砂)——强(集液槽底部)——弱(级配砂)——强(圈梁)”现象，但我们认为不足以引起“严重变形为W形状”。本项目基础设计基依据地质条件为：地面至基岩深度8.2 m，为强夯地面，强夯地面和施工的基础部分为可沉降部分，总深度约为9 m，产生不均匀沉降的部分应该为圈梁垫层以上部分。依据SH 3068-2007《石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范》，在考虑合格的强夯基础上，按照实际施工情况计算的第1 台储罐基础周边砂石与集液槽中心处的沉降量差为1.3 mm。按照设计图纸，其混凝土环梁基础的计算沉降量为5.6 mm，离罐壁3.5 m 处级配砂的垫层基础的计算沉降量为9.5 mm；假设罐中心集液槽直接座落在强夯基础上，则中心基础的计算沉降量为8.2 mm，环梁基础与其他基础处的沉降量差为3.9 mm。也就是说，从设计计算来看，基础各部分的沉降偏差不大，能满足要求。其他罐情况类似。

当然，实际施工过程中，尤其在基础砂石层出现施工质量问题时，不均匀沉降量将会远大于设计量，从而引起不均匀沉降变形。在实际检修的过程中，我们采取多种方式对此进行了观察和测量。结果如下：

（1）2 台泄漏储罐在集液槽拆除后，底板未能全部复位，从集液槽基础坑顺着悬空的底板向下观察基础面，观察直径可达3～4 m，基础面保持平整，无明显的凹陷变形。

（2）其他未泄漏的储罐集液槽拆除后，底板复位情况良好的储罐，集液槽基础坑的深度均约为620 mm，底板坡度尺寸和设计值相吻合，说明集液槽基础和圈梁无明显的相对沉降，否则底板坡度尺寸和设计值将出现较大的偏差。

（3）在进行注浆开孔时，我们测量了部分储罐沥青砂基础面对壁板角焊缝的尺寸，见表1～表4。

根据以上统计表，实际数值和设计值平均偏差为21 mm，最大正偏差为22 mm（该处基础面低于设计值），最大负偏差为-20 mm（该处基础面低于设计值）。根据以上数据可以得出基础面没有在施工过程中出现标准以外的不均匀沉降的结论。

按照原先的分析推论，底板为W 形状，基础面的形状亦应为W 形状，集液槽被强夯地面托起，沉降量小或不沉降，“强的圈梁”被强夯地面托起，沉降量小或不沉降，则中幅板位置沥青砂石基础应该凹陷下去，深度应为约80～100 mm。但是若要符合变形后底板的实际尺寸，则壁板角焊缝和集液槽边缘应该基本水平甚至集液槽边缘高出壁板角焊缝，那么“强的圈梁”也应该沉降80～100 mm，这将是一个可以明显观察的沉降量，但基础沉降观测数据表明从没有出现如此大的沉降，明显和原先的分析推论相矛盾，实际的检查测量否定了W 型基础面的存在。

表1 TK2201 基础面测量数据

表2 TK2205 基础面测量数据

表3 TK2204 基础面测量数据

表4 TK2307 基础面测量数据

2.3 从实际施工情况分析各施工因素产生的影响

（1）焊接变形的影响

储罐底板在焊接后均不可避免地产生一定的变形，造成罐底板与罐基础面之间不完全贴合。按GB 50128-2014《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》6.3.2条款规定“罐底焊接后，其局部凹凸变形深度，不应大于变形长度的2%，且不大于50 mm”。因此，焊接后罐底的变形量小于50 mm 属于正常。经查阅有关资料，该储罐施工完成后，对其进行几何尺寸检查时的记录显示，其罐底板局部凹凸变形深度最大为25 mm，符合规范要求，但凹凸度测量的是底板高点和低点之差，尚无法真实反映底板空鼓的情况，但可以肯定地说，底板空鼓量大于凹凸度测量的数据。

（2）焊接质量的影响

现场实际检查表明，泄漏的TK2307、TK2204 焊接质量确实不符合标准规范，分述如下：

①焊缝外观质量缺陷：从图片上看，焊缝表面质量存在缺陷，焊缝低于母材，有咬边、飞溅等表面缺陷。

②焊缝内部质量存在夹渣、未焊透或未溶合现象。底板焊缝的检测主要是靠焊缝外观检查和真空试验。这两种检查方法只能检查焊缝的表面质量，不能检查其内部缺陷。

③当时施工作业处于雨季，焊接作业中，受环境影响，因水汽或空气湿度过大可能导致焊缝产生气孔等缺陷，或刚焊接的焊缝受雨水淋，冷却速度过快，产生延迟裂纹等。

④焊接过程中个别焊接作业人员可能违反焊接工艺规程，未按已经审核的焊接工艺评定方案作业。从照片上看，所出现裂缝的焊缝属于补焊的，导致焊接工作完成后，焊接应力过大。

2.4 集液槽基础坑的施工影响

设计要求集液槽基础坑应和集液槽紧密贴合，有空隙的必须捣实，但检修中发现，凡是拱起严重的集液槽和基础坑均贴合不紧密（拆除容易），减小了集液槽的稳定性，在底板变形过程中较容易被抬起，即由于集液槽在集液坑中相对松弛，较小的变形力就足以使其拱起。比较TK2201、TK2205 罐及其他各罐集液槽的拆除情况可见，集液槽基础的施工存在着较大的差异。未出现底板泄漏的储罐是施工后集液槽和基础坑均贴合紧密的，摩擦力大，能够较大地抵抗底板变形产生的向上的弹性变形力，不产生变形。

2.5 空鼓的作用过程

首先我们考虑在中幅板中间存在一处空鼓，比如说40 mm，在加载过程中，受到介质的重力，向下产生变形，其原先存在的内应力和变形要向外传导，原则应是向最容易传导的方向传导。在壁板方向，有地脚螺栓限定着其变形，在中幅板处，由于中幅板焊缝（强度高于母材）以及对接板垫焊的垫板，同样阻止变形的传导，比较容易传导的方向就是集液槽的方向。变形量在中幅板处仅仅存在，比如说40 mm 的空鼓，传导到集液槽出现100 mm 多的变形，主要是杠杆原理的结果，造成倾斜的原因是空鼓量的不一致。

综上，该工程项目锥底储罐变形的原因是：焊缝质量问题产生裂纹及底板空鼓造成集液槽拱起，而底板空鼓的原因又是：焊接变形是主要原因，基础不均匀沉降是次要原因。