大型原油储罐沉降观测及其评价方法*

李宗伟，李 涛，胡 谦，王云峰，李振镈

(1.合肥通用机械研究院特种设备检验站有限公司，安徽 合肥 230031；2.中国石油四川石化有限责任公司，四川 成都 611930)

随着国内石油化工行业的蓬勃发展，用于原油储备的10万m3和15万m3等大型原油储罐逐渐出现在各大油库。这些储罐的安全状况影响着下游石油炼化行业的平稳运行。沉降观测是大型原油储罐年度检查、在线检测和开罐检验的重要手段，通过对观测数据的分析，掌握已经发生或最终发生的沉降能否满足原油储罐安全运行的最低要求，并及时确定在用储罐及其基础是否需要修理[1]。几个标准对于沉降观测及其评价方法的不统一，造成现场检测人员选用并执行标准难以抉择，为此有必要对大型原油储罐沉降观测方法及其评价方法进行研究。

1 储罐沉降分类

储罐的沉降包括罐基础的沉降和罐底部的沉降。罐底部的沉降分为罐壁底端沉降和罐底板的沉降。

2 罐基础的沉降观测

对罐基础沉降观测的阐述主要体现在：(1)检测方法不统一；(2)沉降观测点的设置不统一；(3)评价标准不一致。

(1)GB 50473—2008《钢制储罐地基基础设计规范》

进行储罐沉降观测时，需要沿罐基础周边均匀布置沉降观测点，储罐容积不同,设置的沉降观测点也不一样，见表1[2]。

表1 不同公称容积储罐沉降观测点数(GB 50473—2008)

(2)SY/T 3528—2014《石油化工钢储罐地基与基础施工及验收规范》

罐基础沉降观测点应沿圆周方向均匀设置，当设计文件无要求时，观测点数量设置见表2[3]。

表2 不同公称容积储罐沉降观测点数(SY/T 3528—2014)

当设计文件无要求时，储罐基础沉降观测点可采用直埋或后植筋式(见图1)或预埋件式(见图2)。

图1 直埋或后植筋式

图2 预埋件式

罐基础任意直径方向的沉降差允许值见表3。

表3 罐基础最终沉降差允许值(SY/T 3528—2014)

(3)GB 50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》

不均匀沉降：沿罐壁周围方向任意10 m弧长内的沉降差不应大于25 mm。

倾斜沉降：罐基础直径方向上的沉降差许可值见表4[4]。

表4 罐基础径向沉降差许可值(GB 50341—2014)

(4)GB 50128—2014《立式圆筒形焊接油罐施工及验收规范》

关于罐基础不均匀沉降和倾斜沉降(径向沉降)差的许可值，与GB 50341—2014完全一样。

(5)SY/T 5921—2017《立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护修理规范》

罐基础的检测包括：罐基础标高的检测、罐区场地排水情况的检测和罐基础构造的检测[5]。罐基础标高的检测包括：基顶标高的检测和散水表面标高的检测。

对于储罐基顶标高检测操作，注意在罐底板外基础顶面(距罐壁150 mm左右)，沿储罐环向均匀布置永久性观测点。测点间距和数量遵循：有环墙时测点间距不宜大于10 m，无环墙时测点间距不宜大于3 m。储罐直径D≥22 m时，测点数量不少于8个；储罐直径D≥60 m时，测点数量不少于24个。测量并记录各测点及其相邻场地面标高，计算各测点与其相邻场地面之间的标高差、相邻测点之间的高差、同一直径上两测点之间的高差，得到的高差值满足下述要求：

①各测点与其相邻场地地面之间的高差不小于300 mm。

②有环墙时：沿储罐弧长每10 m内，任意两测点之间的高差不应大于12 mm；无环墙时：沿储罐弧长每3 m内，任意两测点之间的高差不应大于12 mm。

③对于不同内径储罐，在同一直径上的两测点高差许可值见表5。

表5 罐基础均匀倾斜沉降差许可值(SY/T 5921—2017)

储罐建成投产3 a内(含3 a)，应每年进行一次沉降检测；储罐投用3 a之后，结合储罐大修进行检测。

综上所述,罐基础沉降观测主要有两种检测方法,对罐基础沉降观测点或罐基础顶面的标高进行测定。在对罐基础沉降观测结果进行评价时，主要考虑两种沉降类型：不均匀沉降和倾斜沉降。对于不均匀沉降，沿罐壁周围方向任意10 m弧长内沉降差不应大于25 mm。对于倾斜沉降，不同的标准中沉降差许可值的描述略有不同，以10万m3外浮顶原油储罐为例：SH/T 3528—2014,GB 50341—2014和GB 50128—2014均要求均匀倾斜沉降差不大于0.003D(240 mm)，而SY/T 5921—2017则要求均匀倾斜沉降差应小于0.002 5D(200 mm)。

3 罐底部的沉降观测

罐底部的沉降，主要是SY/T 5921和SY/T 6620对其进行了阐述，而这两个标准均参考了美国石油化工协会标准API 653。

(1)SY/T 5921—2017《立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护修理规范》

罐底部沉降包括：罐壁底端的沉降和底板沉降。

罐壁底端的沉降可分解为平面沉降(整体均匀下沉或倾斜)与非平面沉降(罐壁底端局部沉陷或不均匀沉降)；底板沉降可分解为整体均匀凹陷和局部凹陷沉降。

罐壁底端的整体均匀下沉，是指油罐作为一刚性整体向地下平移了一段距离。这种沉降形式不会引起罐体结构内力明显变化，但沉降过大会影响进出口油管线及其罐体连接部位的可靠性。

①罐底板的整体均匀凹陷量(底板中心与边缘沉降差)，不应大于锥形基顶的设计矢高与罐排污所需的底板中心的最小矢高之差。

②罐底板的局部凹陷(或凸起)量应满足：B≤0.03R，式中，B为罐底板的局部凹陷或凸起的最大值，m；R为罐底板局部凹陷或凸起区域的内切圆半径，m。

③罐壁的整体均匀下沉量不大于进出口油管线或柔性接头的允许下沉量；罐壁的整体均匀下沉量不超出罐壁基顶标高与场地标高之差的 0.3 m 以上。

④罐壁的整体均匀倾斜量限值见表5。

⑤罐壁的局部沉陷或不均匀沉降量Ui应满足公式1和2的要求。

Si≤ 11×L2Y/(2EH)

(1)

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

(2)

式中：Si为罐壁测点i的相对竖向变形量，m；Ui为罐壁测点i局部沉陷量，m；Ui-1为罐壁测点i-1局部沉陷量，m；Ui+1为罐壁测点i+1局部沉陷量，m；i为测点号；L为测点之间的弧长，m；Y为钢材的屈服强度，kPa；E为钢材的弹性模量，kPa；H为油罐高度，m。

罐壁底端沉降量测量方法：沿罐壁环向按不大于10 m的间距均匀布置观测点，且每罐不少于8个测点。Ui等沉陷量，需通过绘制沉降曲线进行获取，沉降曲线如图3所示。

图3 沉降曲线

(2)SY/T 6620—2014《油罐的检验、修理、改建及翻建》(等同于API 653—2009)

罐底部沉降包括：罐壁沉降(含均匀沉降、刚性体倾斜、不均匀沉降)、边缘沉降、靠近油罐壁的罐底沉降和远离油罐壁的局部罐底沉降[6]。

①罐壁的均匀沉降：与SY/T 5921中罐壁的整体均匀下沉一致。

②罐壁的刚性体倾斜(平面倾斜)：与SY/T 5921中罐壁的整体均匀倾斜一致。

③罐壁的非平面沉降(不均匀沉降)：与 SY/T 5921 中罐壁的不均匀沉降一致，不同之处在于SY/T 6620—2014给出了最佳余弦曲线的确定方法：

求解常数a,b,c，作出余弦曲线Elevpred=a+bcos(θ+c)，且只有R2=(Syy-SSE)/Syy≥0.9时，才认为余弦曲线有效。式中：Elevpred为余弦曲线上角度为θ时的预测高度值；Syy为测量高度平均值与测量高度差值的平方和；SSE为测量高度与预测高度差值的平方和。

④罐壁的边缘沉降：当油罐壁沿着周边急剧沉降时，就会发生边缘沉降，在靠近大角焊缝处产生罐底板的变形，如图4所示。SY/T 5921没有这部分内容。

图4 罐壁边缘沉降

⑤靠近油罐壁的罐底沉降：SY/T 5921没有这部分内容。在靠近油罐壁的部位产生不规则形状的凹陷或凸起，如图5所示。罐底板的局部凹陷(或凸起)量应满足：B≤0.37R，式中B为罐底板的局部凹陷或凸起的最大值，inch；R为罐底板局部凹陷或凸起区域的内切圆半径，ft。

图5 靠近油罐壁的罐底沉降

⑥远离油罐壁的局部罐底沉降：在远离油罐罐壁的部位产生不规则形状的凹陷或凸起，如图6所示。远离油罐壁的罐底板的局部凹陷(或凸起)与靠近油罐壁的罐底沉降限值相同。SY/T 5921也对这部分内容进行了阐述，但是允许值公式不同。

图6 远离油罐壁的罐底沉降

4 大型原油储罐沉降观测及评价方法

对于罐基础的沉降和罐底部的沉降而言，沉降主体不同，对于施工阶段的罐基础，此时尚未建造储罐本体，测量的肯定是罐基础的沉降，但当储罐建成之后，罐基础的沉降和罐底部的沉降是同时存在且基本一致的，但有先后顺序，有可能是罐基础的沉降带动罐底部的沉降，也有可能是罐底部的沉降造成罐基础的沉降。

结合储罐相关标准以及工程实践，提出更加科学的大型原油储罐沉降观测方法及评价方法。

(1)大型原油储罐沉降类型：罐基础的不均匀沉降、罐基础的均匀倾斜、罐底板的局部凹陷；

(2)大型原油储罐沉降观测方法：

对于罐基础的不均匀沉降和均匀倾斜，采用水准仪对罐基础沉降观测点或罐基础顶面的标高进行测定。有环墙时测点间距不宜大于10 m，无环墙时测点间距不宜大于3 m。储罐直径D不小于22 m时，测点数不少于8个；储罐直径D不小于60 m时，测点数不少于24个。

对于罐底板的局部凹陷，用直尺对凹陷深度和直径进行测量。

(3)大型原油储罐沉降观测评价方法

局部凹陷：罐底板的局部凹陷(或凸起)量应满足：B≤0.03R，式中B为罐底板的局部凹陷或凸起的最大值，m；R为罐底板局部凹陷或凸起区域的内切圆半径，m。

罐基础的均匀倾斜：罐基础均匀倾斜限值见表6。对于10万m3原油储罐，均匀倾斜沉降差不应超过200 mm。

表6 罐基础均匀倾斜沉降差许可值(SY/T 5921—2017)

罐基础不均匀沉降：沿罐壁周围方向任意 10 m 弧长内，两测点沉降差不应大于25 mm。若沉降差不满足要求，则需绘制沉降曲线，罐壁的局部沉陷或不均匀沉降量Ui应满足公式(1)和(2)的要求。

5 结 论

(1)不同的标准，对储罐沉降及其评价方法有不同的阐述，结合中外储罐相关标准以及工程实践，可以将大型原油储罐的沉降分为三类：罐基础的不均匀沉降、罐基础的均匀倾斜、罐底板的局部凹陷；针对不同的沉降，需要采取相应的沉降检测及评价方法。

(2)对于罐基础的不均匀沉降和均匀倾斜，须采用水准仪对罐基础沉降观测点或罐基础顶面的标高进行测定。对于罐底板的局部凹陷，须用直尺对凹陷深度和直径进行测量。

(3)罐底板的局部凹陷(或凸起)量应满足：B≤0.03R；罐基础均匀倾斜须满足表6限值要求；罐基础的不均匀沉降：沿罐壁周围方向任意10 m弧长内的沉降差不应大于25 mm,若大于25 mm，则需绘制沉降曲线。