原油储罐基础沉降在线监测与安全性研究*

赵永涛 张金池，2 张昱涵 关国伟

(1.中国石油安全环保技术研究院 北京 102206； 2.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院 北京 102249)

0 引言

我国大量的原油储库及各类储存、周转原油的企业将其储罐建立在软土、湿陷性黄土和其他不良地质条件的区域。虽然在储罐建设期间会对地基进行加固并在投产后3年内多次进行基础沉降检测，但随着储罐服役年数的增加，地基仍会发生沉降。储罐的沉降包含罐壁板沉降和罐底板沉降，其中罐壁板沉降又分为平面沉降与不均匀沉降[1]。根据大量的储罐安全事故案例分析可知，储罐的不均匀沉降是最容易发生的类型，同时也是影响储罐安全的主要因素之一。通常情况下，浮顶原油储罐罐周的不均匀沉降会使储罐罐壁于径向产生位移，而后储罐顶部形状逐步趋向椭圆化，若径向位移数值过大，浮盘的正常工作将大受影响，严重的会使储罐罐壁破裂，产生介质泄漏，造成重大安全事故[2]。

现场调研发现，大多数储罐服役年限过久后，由于罐壁变形导致浮盘不能正常升降，为安全性考虑，储罐内原油将不再充满。据此现象，本文基于某输油站30 000 m3非锚固外浮顶原油储罐的实际结构、尺寸，利用有限元软件ANSYS建立分析模型，由傅里叶展开的方法处理实测沉降数据，并于模型中加载地基与罐底的相互作用，以此分析储罐的变形、结构响应，在罐壁已经出现明显变形的情况下，给出储罐的安全运行液位。

1 有限元模型

某输油站外浮顶原油储罐于2010年10月投产，容积为30 000 m3，直径为46.7 m，罐体高度为19.72 m，储罐底部地基基础部分距油库地面高度为1 m，储罐地基沉降数据由人工利用全站仪进行检测。

罐体结构参数如表1所示，根据该表参数建立变壁厚储罐有限元模型。罐壁采用shell181壳单元，选用钢材的弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比定为0.3，钢材密度为7 850 kg/m3。该储罐设置1道抗风圈、2道加强圈，从罐顶向下各抗风圈与加强圈之间的距离依次为1.0、1.621、3.823 m。抗风圈与储罐罐壁之间的支撑梁转化为固定约束施加在有限元模型中。

表1 储罐板材钢参数

在得到现场储罐结构实际参数的基础上，建立有限元模型如图1所示，地基采用实体单元solid185，弹性模量取1.06×1010Pa。加强圈、抗风圈及包边角钢等罐体附件采用与罐壁材料相同的参数设置。运行载荷包括罐体沉降位移、罐体及附件的自重、罐内油品的液压。该原油储罐为非锚固外浮顶储罐，故罐壁方向上为自由边界不施加约束，地基与底板通过接触单元连接，即地基接触面施加沉降位移，其余地基面施加全约束。

图1 储罐有限元模型

2 沉降数据的傅里叶分解

目前已有诸多学者利用在现场实际测量的沉降数据，研究沉降曲线的分布规律，进而分析地基沉降对储罐结构性能的影响。KAMYAB H等[3]在1989年首次利用傅里叶级数展开的方法将实测的各个离散沉降数据拟合为多阶谐波组合的形式，此后该方法得到了最为广泛的应用，其表达式如下：

(1)

式中，u0为储罐的整体均匀沉降量；un为各阶谐波沉降的幅值；n为谐波沉降的阶数；θ为罐周各点所处的角度；φn为各阶谐波沉降的初始相位角。

按照等分布点的原则，在某输油站30 000 m3外浮顶原油储罐罐周基础外侧设置22个水准观测点。储罐在较高液位下的沉降量较大，故当储罐液位为13.5 m时，经人工利用全站仪测量得出该储罐的基础沉降数值，如表2所示[4]。

表2 各测点沉降量

有限元模型中的位移边界条件，要利用上表中22个观测点实测的基础沉降数据经傅里叶展开的方法，叠加若干阶谐波沉降作为沉降函数。本次建立的有限元模型取前8阶，如表3所示。

表3 各阶谐波沉降参数

3 谐波沉降下的储罐强度分析

经有限元数值分析后，储罐各层壁板应力分布如图2所示。

图2 储罐Mises应力云图

根据储罐罐壁应力在高度上的变化可以看出，储罐罐壁的下方是应力集中区域，且在储罐最大沉降点处两侧沿竖直方向呈对称现象；底层壁板应力较大，在到达第六层壁板处时，由于加强圈的存在，使得壁板应力快速减小。综合而言，储罐壁板的下方第一层壁板、第二层壁板、大角焊缝处以及储罐的顶部是储罐的应力变形敏感区域[5]。

在大沉降量区域储罐壁板的第一、二层，尤其是这两层壁板间的焊缝位置，产生了较大的应力集中，较为危险，若焊缝处壁板应力屈服将会导致储罐壁板破裂引起储罐泄漏。根据储罐壁板设计参数，在储罐顶部壁板应力达到另一个极大值[6]。

此次分析的某30 000 m3储罐，服役年限较久，且发生的不均匀沉降数值过大，因此储罐顶部产生的应力较大，远大于材料屈服应力的2/3，十分危险。该储罐已经明显处于需要停产维修的阶段，但受到新冠疫情影响，该储罐始终处于低液位运行，原油始终未充到13.5 m以上。

4 储罐的安全运行液位

较大的地基沉降致使储罐顶部产生椭圆化变形，当椭圆度过大时会导致储罐浮盘卡阻。而储罐顶部较大的径向位移又会使浮盘与储罐壁板之间密封不严引起油气泄漏，造成安全事故[7]。

正在运行的30 000 m3原油储罐，考虑到罐壁的径向变形，浮盘可能无法在较高的液位正常升降。现根据有限元数值模拟的结果，给出储罐的安全运行液位。储罐的径向位移云图如图3所示，可以看出，储罐目前变形量较大，储罐液位为14.6 m时的最大内凹径向位移为246 mm，为避免储罐出现浮盘卡阻现象，该储罐内原油充装液位不应超过14.6 m。故现场操作人员控制储罐内原油充装到13.5 m为最大限度，保证了储罐的安全生产要求。

图3 30 000 m3储罐径向应变

5 结论

本文采用有限元仿真计算的方法对某输油站30 000 m3原油储罐进行安全性分析，经计算后得出以下结论：

(1)由计算和实际生产应用情况来看，本文中所建立的非锚固外浮顶储罐有限元模型具有有效性，即在罐壁方向上为自由边界不施加约束，地基与底板通过接触单元连接，可为类似储罐有限元数值分析提供参考。

(2)文中所采用的傅里叶分解方法可以将沉降观测得到的间断数据转化为连续函数，并作为有限元的输入条件，为数值分析提供依据。

(3)通过采用全站仪检测以及有限元分析的储罐径向应变计算结果来看，建议当前储罐的最高安全运行液位为14.6 m。

(4)储罐定期沉降观测是确保储罐安全生产的条件。《立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护修理规程》(SY/T 5921—2017)指出，在储罐投用3年后，要结合储罐大修进行检测，对沉降量大的储罐要采取相应的措施，如降低充装量、采取措施修正沉降量等。

(5)对沉降量大的储罐还要进行沉降在线监测，并开展相关的数值分析，在确保储罐安全运行的前提下，尽可能提升储罐的充装系数，达到设备运行效率最大化。