孙成德,卢 蕾,程 伟
(1.国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏 徐州 221008；
2.合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)
大型原油储罐是国家战略石油储备、商业石油储备的关键设备，主要由罐本体、罐基础、附属设施及安全附件组成，对于投用时间久以及处于填海造地或台风多发区域的大型原油储罐，罐基础沉降是影响大型原油储罐安全运行的重要因素，因此需要定期开展罐基础的沉降观测[1]。罐基础沉降根据形态可分3类，分别为整体沉降、倾斜沉降与不均匀沉降。由于整体沉降一般不会导致储罐发生倾斜、应力集中甚至坍塌，且整体沉降往往发生在新投用储罐上，所以储罐的沉降观测主要是检测倾斜沉降和不均匀沉降[2-4]。然而国内外标准对常压储罐沉降观测评价方法各不相同，给储罐使用单位、管理机构以及检验检测机构带来了困扰[5-6]。为此有必要开展大型原油储罐沉降观测评价方法研究，结合大型原油储罐实际情况，提出适合中国国情的大型原油储罐沉降观测评价方法，为科学制定储罐检修周期、保障储罐安全长周期运行提供依据。
1.1 均匀倾斜沉降评价方法
国内外标准关于均匀倾斜沉降的评价方法基本一致，均是评价对称点高程差，储罐直径或罐壁高度不同，对称点高程差允许值不同。不同之处在于给出的指标控制范围不大相同[7-13]。以10万立方米大型储罐为例，储罐直径80 m，罐壁高度20 m，GB 50341—2014和SH/T 3528—2014对称点高程差指标控制范围为0.003 5D(即280 mm)，而GB 50128—2014,SY/T 5921—2017和API 653—2014指标控制范围是0.003D(即240 mm)，英国储罐检维修标准EEMUA159允许值最大，0.2H(即400 mm)。国内外标准有关均匀倾斜沉降的评价方法见表1。
表1 国内外标准均匀倾斜沉降评价方法
1.2 不均匀沉降评价方法
国内外标准均指出可以通过相邻点高程差或者绘制沉降曲线来进行评价[14-15]。各国研究者在相邻点高程差允许值上做了很多工作，DE BEER认为储罐不均匀沉降允许值ΔSmax≤L/450，其中L是相邻两个观测点间弧长，取10 m[16]。这一指标被国内储罐设计、施工标准修正并采纳，所以 GB 50341—2014和GB 50218—2014给出的相邻点高程差允许值是25 mm，而国内储罐检维修标准SYT 5921—2017给出的相邻点高程差允许值是12 mm，英国储罐检维修标准EEMUA159—2014则指出相邻点高程差不应超过100 mm或弧长的1%，不同标准给出的相邻点高程差允许值差别较大。国内外标准不均匀沉降评价方法见表2。
表2 国内外标准不均匀沉降评价方法
对17家油库共计189台10万立方米在役大型原油储罐实际沉降检测数据进行汇总、统计，研究大型储罐实际沉降状况，为提出适合中国国情的沉降评价方法提供数据支撑。
2.1 相邻点高程差
189台储罐相邻点高程差实测数据见图1，分布区间统计见表3。由图1和表3可以看出：只有19.05%的10万立方米储罐相邻点高程差在SY/T 5921推荐的允许值12 mm范围以内，63.49%的10万立方米储罐相邻点高程差在GB 50341推荐的允许值25 mm范围内，但这些储罐均处于正常服役状态且经全面检验后仍可以继续运行，也就是说：常压储罐相邻点高程差12 mm或者25 mm 的允许值对于大型储罐而言过于保守，存在优化空间。依据帕累托法则，80%储罐不均匀沉降风险集中在20%不均匀沉降相对严重的储罐上。此次参与数据统计的189台储罐中，79.89%的储罐相邻点高程差不超过38 mm，80.95%的储罐相邻点高程差不超过39 mm，基于此建议将大型储罐相邻点高程差允许值定为38 mm。
图1 相邻点高程差实测数据统计
表3 189台储罐相邻点高程差分布区间统计
2.2 对称点高程差
189台10万立方米大型储罐对称点高程差实测数据统计见图2。由图2可以看出：99.59%储罐对称点高程差在SY/T 5921推荐的允许值240 mm以内，仅有1台储罐对称点高程差为253 mm，超过了240 mm，但也位于GB 50341推荐的允许值 280 mm 以内。79.92%储罐对称点高程差不超过74 mm，见表4。
图2 对称点高程差实测数据统计
表4 189台储罐对称点高程差分布区间统计
结合GB 50341—2014,SYT 5921—2017,API 653—2014和EEMUA 159—2014等国内外储罐标准，基于189台10万立方米大型原油储罐实际沉降检测数据及多年的储罐检验检测经验，提出10万立方米大型原油储罐三步沉降评价方法。
(1)允许值比较：沿罐壁周围方向任意10 m弧长内的高程差不应大于38 mm；
对称点高程差不应大于0.003D即240 mm。
(2)当相邻点高程差超过38 mm且对称点高程差不大于240 mm时则需绘制沉降曲线，见图3。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。
图3 沉降曲线示意
Si≤11L2Y/(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。
使用origin或matlab解出常数a,b,c，作出余弦曲线Elevpred=a+bcos(θ+c)，且只有R2=(Syy-SSE)/Syy须大于或等于0.9，才认为余弦曲线有效。其中：Elevpred为余弦曲线上角度为θ时的预测高度；
Syy是平均测量高度与测量高度的差的平方和；
SSE为测量高度与预测高度的差的平方和。
(3)当对称点高程差大于240 mm,或相邻点高程差大于38 mm且对称点高程差不超过 240 mm 但绘制沉降曲线罐壁的局部沉陷或不均匀沉降量Ui不满足公式(1)和(2)的要求时，则需要利用有限元分析软件进行数值分析，并将数值分析所得理论最大应力与材料许用应力进行比较、所得最大变形量与标准规定的允许值进行比较，进而判断储罐在沉降状况下是否可以继续使用。具体步骤如下：
①参照储罐竣工图纸建立储罐模型，包括顶部抗风圈结构。储罐建模及数值分析采用Ansys workbench完成，建模与网格划分结果见图4和图5。
图4 储罐几何模型
图5 储罐网格划分情况
②考虑储罐在实测液位、最大液位情况下内部液压、外部风载对储罐结构响应的影响，利用ANSYS软件进行数值分析，将计算所得最大应力与材料许用应力进行比较，将计算所得最大变形量与GB 50341—2014所允许的最大变形量进行比较，进而判断沉降是否会影响储罐结构安全及浮盘功能完整性。
③当对称点高程差大于240 mm,或相邻点高程差大于38 mm且对称点高程差不大于240 mm但绘制沉降曲线罐壁的局部沉陷或不均匀沉降量Ui不满足公式(1)和(2)的要求时，则需要利用有限元分析软件进行数值分析，并将数值分析所得理论最大应力与材料许用应力进行比较、所得最大变形量与标准规定的允许值进行比较，进而判断储罐在沉降状况下是否可以继续使用。
4.1 实际沉降检测数据
某商业原油库于2008年建成投产，建有在役10万立方米大型原油储罐16座，2019年对G6储罐进行沉降检测，检测结果见表5。
表5 G6罐沉降检测结果
由表5可以看出：相邻点高程差最大值为 38 mm，G6罐存在不均匀沉降；
对称点高程差为253 mm，G6罐存在由北向南方向的均匀倾斜。
4.2 与允许值比较
与本文提出的10万立方米大型原油储罐沉降评价方法允许值相比较，G6罐相邻点高程差未超过38 mm允许值，但对称点高程差253 mm超过了对称点高程差允许值240 mm。
4.3 绘制沉降曲线
根据G6罐允许值比较结果，可以看出G6罐应进行数值分析。但为了更好地阐述本文所提出的储罐沉降评价方法，仍然绘制沉降曲线。根据实测值，利用origin拟合得到沉降曲线，见图6。
图6 沉降曲线
底层壁板钢材12MnNiVR的屈服强度Y为226 MPa；
相邻观测点间弧长L为8.97 m；
底层壁板钢材的弹性模量E为206 GPa；
罐高H为 21.8 m，则11L2Y/(2EH)=58.8 mm。储罐G6相对竖向变形量见表6。
表6 储罐相对竖向变形量
可以看出，储罐G6相对竖向变形量Si最大为29 mm，小于11L2Y/(2EH)即58.8 mm，也就是说储罐G6的不均匀沉降仍然在可接受范围内。
4.4 数值分析
由于G6罐对称点高程差253 mm大于240 mm，故需要利用ANSYS软件进行数值分析。储罐所储存介质为巴林原油，密度为880 kg/m3，检测时储罐液位为10 m。基于以上数据采用有限元方法展开数值模拟，约束储罐底部的径向、环向位移，轴向施加沉降载荷，内部施加静液压力，于是得到储罐在实测沉降条件下的应力强度和径向变形，见图7和图8。由图7和图8可以看出，储罐应力强度最高达101 MPa，位于第1和2层底板间。此处材质为12MnNiVR，许用应力值226 MPa，数值分析结果低于许用应力，储罐结构安全性有充分保障；
储罐最大变形约68 mm，发生在罐顶位置，低于GB 50341—2014规定要求的±100 mm，储罐浮盘升降基本也不会受到影响。
图8 储罐径向变形
4.5 沉降评价结果
(1)G6罐相邻点高程差为38 mm，未超出本文提出的沉降评价方法允许值38 mm，不均匀沉降在允许范围之内；
进一步绘制沉降曲线，G6罐相对竖向变形量Si最大为29 mm，小于11L2Y/(2EH)即58.8 mm，进一步说明G6罐的不均匀沉降在可接受范围内，这也验证了本文提出允许值38 mm的可靠性。
(2)G6罐对称点高程差为253 mm，超出本文提出的沉降评价方法允许值240 mm，进而采用数值分析G6罐最大应力和最大变形，结果显示G6罐最大应力未超出材料的许用应力、最大变形也未超出标准限制，G6罐可以继续使用。
(1)国内外不同标准提出的储罐沉降评价方法思路相同、内容各异。在相邻点高程差允许值上，不同标准给出的推荐值差别较大，且与国内大型储罐实际沉降情况存在偏差。189台大型储罐实际沉降观测结果显示，仅有19.05%大型储罐相邻点高程差不大于12 mm，63.49%大型储罐相邻点高程差不大于25 mm，79.89%大型储罐相邻点高程差不大于38 mm；
79.92%大型储罐对称点高程差不大于74 mm，99.59%大型储罐对称点高程差不大于240 mm。
(2)提出大型储罐三步沉降评价方法：允许值比较、绘制沉降曲线、数值分析。推荐大型储罐相邻点高程差允许值为38 mm，对称点高程差允许值为240 mm。针对不同类型的储罐沉降，可以利用此三步沉降评价方法进行快速分类评价，该方法可操作性强，具有很高的实际应用价值。
(3)G6罐相邻点高程差为38 mm，绘制沉降曲线发现相对竖向变形量Si满足Si≤11L2Y/(2EH)，不均匀沉降在可接受范围内，数值分析结果显示最大应力和最大变形均在可接受范围内，进一步验证了相邻点高程差允许值设为38 mm的安全性和可靠性。
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