阿布扎比16×104m3原油储罐基础施工概述

高飞 (中国石油工程建设公司阿布扎比原油管线项目部)

张敏 (大庆油田电力集团电力工程设计院信息管理室)

阿布扎比16×104m3原油储罐基础施工概述

高飞 (中国石油工程建设公司阿布扎比原油管线项目部)

张敏 (大庆油田电力集团电力工程设计院信息管理室)

通过构建的二维 Plaxis储罐基础沉降模型,对阿布扎比原油管线项目位于沙漠地区的两座容积16×104m3的浮顶钢结构原油储罐基础的沉降进行模拟计算,得出罐底部沉降曲线,制定了采用预压法和强夯法相结合的罐基础施工方案,并通过现场试夯确定强夯参数。对施工程序的详细介绍和对施工过程中遇到的问题、改进方法、注意事项进行的总结,对类似工程施工有一定的参考价值。

钢结构储罐 Plaxis模型构造沉降计算 强夯法

1 背景

阿布扎比原油管线项目为阿拉伯联合酋长国国际石油投资公司 (IPIC)投资控股,中国石油工程建设公司与中石油管道局联合总承包,原油输送设计能力为每天150×104bbl(1 bbl=0.159 m3),主要工程量有管径48 in(1 in=25.4 mm)、全长371 km的管道,首站、中间站、末站3个站场和末站海上终端系统。该项目的建成将减少阿联酋对阿拉伯湾原油终端的依赖,减少需要通过霍尔木兹海峡的船舶运输,提高阿联酋东部沿海的出口能力。项目合同总额近33亿美元,是集团公司迄今为止最大的国际总承包项目,也是中石油与阿联酋开展的第一个大型石油合作项目,对进一步参与阿联酋能源市场开发具有重要意义。

在位于哈伯善油田的首站将建设2座直径110 m、容积16×104m3的浮顶原油储罐。因为哈伯善油田位于沙漠地带,且位于板块交界处,地质情况复杂,加上储罐自身荷载大,罐基础的设计施工工作非常困难。

2 沉降计算及施工方案的确定

2.1 沉降标准

根据美国石油协会标准 (API 650)的相关规定和同储罐分包商协商,最后确定如下沉降标准(图 1)[1]。

标准1:罐壁底部最大沉降:100 mm;

标准2:罐壁底部任意两点间最大沉降:50 mm;

标准3:罐壁底部任意两点间10 m距离最大沉降:13 mm;

标准4:罐底中心距罐壁最大沉降:100 mm。

图1 沉降标准示意图

2.2 储罐构造及荷载计算

储罐直径110 m,高23.9 m,为钢板焊接、锥形底板内浮顶罐,两罐中心距离为罐直径的4.6倍。初步设计报告确定,罐基础由具有良好级配能力的材料回填,罐基础外围区域为沙砾层圈梁,用以支撑罐壁。

通过水力学试验计算得出的储罐内流体的荷载与储罐底板本身产生的荷载合计确定为220 kPa,罐壁产生的垂直荷载为31 200 kN,圆周荷载为4.5 kN/m2。储罐内流体产生的横向压力在模型中表示为水平荷载,由罐壁顶部为零向下均匀增加分布,罐壁底部荷载为200 kPa。

2.3 模型构造

拟定采用Plaxis 2D v8.6(Plaxis 2007)软件构建模型,对地质状况进行分析。该软件为大型岩土工程有限元设计计算软件,能够运用先进的构造模型来模拟土壤的非线性和时间相关行为等复杂的工程地质条件。在模型构建过程中,以下假定作为设计模型纵剖面的依据,完成二维轴向对称模型的制作。

◇碳酸盐沙层假定为非萨布哈 (盐沼)状态;

◇罐体本身的恒载是根据储罐设计方在最终的模型确认中假定的;

◇储罐的连续注入和放空引发的循环作用和长期蠕动沉降在分析过程中不予考虑;

◇由于可能的液化作用引起的地质硬度和强度的侵蚀作用在分析过程中不予考虑;

◇模型选择深度为75 m,该深度以下地层对罐沉降产生的影响由于其相对较大的变形系数而忽略不计。

根据对相邻罐基础的灵敏度分析确定,两罐距离为直径的2.3倍时影响最小,因为两储罐实际中心距离为罐直径的4.6倍,所以,每个储罐的模型均为独立制作,本文仅以其中一个储罐为例,对应之前制定的沉降标准,只有任意两点间最大沉降值超过了允许值 (50 mm)[2-3]。

3 施工方法分析及方案确定

3.1 方法分析

为了达到沉降标准,拟定使用预压法,预加等同于储罐产生的220 kPa的荷载,通过计算,设计出储罐底部到自然地面之间回填料的材质和回填高度从而达到预加荷载的要求。但是预加荷载后液化强度仍然存在,所以使用强夯法增强抗液化强度,同时强夯法也可以减小蠕变荷载和周期荷载引起的长期沉降。

通过对预压法和强夯法对沉降程度影响的模型计算,得到沉降纵断面对比曲线图 (图2)。可以非常明显地看到,通过预压法和强夯法结合作用,罐基础的总沉降值明显降低,罐中心最大沉降值减小到40 mm,为总沉降值的54%,沉降槽的曲率凸度也明显减小,满足相应的沉降标准[4]。

图2 沉降纵断面对比曲线

3.2 罐基础施工方案

作为罐基础强夯施工的分包商,法国的Menard公司根据以上分析最后拟定罐基础施工方案如下:

(1)首先将原土碾压至最大干密度98%,然后进行强夯测试,通过试验结果分析确定强夯施工方案。

(2)回填碎石至1 m高,进行强夯处理。碎石基础能够保证罐的荷载均匀分布,并且有很好的伸缩性,可以自行调节沉降。

(3)回填已经进行级配处理并混水搅拌的碎石料,使用滚筒式振动压路机逐层进行碾压,每层碾压后高度为250 mm,共4层。

(4)敷设土工布和高密度聚乙烯结构衬垫,在铺设时注意防护,不得损伤和划破衬垫。衬垫和土方布连接采用搭接形式,搭接长度约100 mm,热熔焊接,通过气密试验检查是否有泄漏。

(5)安装集油管,管上均布直径10 mm的圆孔,在其表面包裹一层塑料网以防止石子进入集油管。

(6)安装油水分离槽和清扫口基础。

(7)罐壁底部敷设沥青混凝土2层,最后罐基础全部回填沥青砂50 mm。沥青砂垫层是罐板的承载接触面,也是保护罐底板不发生电化学腐蚀,阻隔砂垫层毛细水上升的重要措施,它为油罐提供了一个坚实的初始表面和标准的水平参照面。

储罐基础见图3。

图3 储罐基础施工示意图

3.3 强夯参数的确定

为了确定强夯施工参数,需要在现场进行试夯,通过对试夯前后试验结果的对比分析确定回填料的高度、夯锤质量、落距、夯击次数等。

在原土上回填40 m×65 m、高1 m的试验区域,整平后进行夯前隆起贯入试验和旁压试验,进行两阶段试夯,最后进行夯后隆起贯入试验和旁压试验。

根据分析两次试夯前后的试验得出的隆起贯入曲线、旁压极限荷载和旁压模量变化曲线,得出如下结论:强夯对于改善罐底部基础的机械特性、控制沉降量的效果是很明显的,设计的罐基础施工方案可以满足沉降量控制的要求。

最后确定的强夯施工参数如表1所示。

表1 强夯施工参数

3.4 施工过程中遇到的问题及改进方法

采用平板静荷载试验检测碾压后基础的承载力标准值、变型模量及回弹模量,每500 m2布置一个测试点。施工过程中发现,碎石料碾压效果不理想,试验结果通过率不高,分析原因如下:

◇碎石料级配及含水率控制不当;

◇回填高度过高,无法达到碾压效果;

◇碎石料铺摊整平过程造成不同颗粒混合不均。

针对该情况,通过反复试验对比,确定如下改进方法:

◇严格控制工程料级配比例,湿度值控制在8～10之间;

◇采用分层回填,每层回填高度限定在150 mm,确定碾压效果充分作用;

◇回填过程中尽量避免大面积使用平地机进行整平,采用分区域回填整平,从而避免发生回填料在翻转整平过程中大颗粒粗料落入下层而导致颗粒混合不均的情况。

3.5 注意事项

(1)油水分离槽安装时需确认位置及标高,确保其顶部与最后一层沥青砂碾压后的高度相平。

(2)由于清扫口加强底板厚度比其他底板厚18 cm,所以在敷设沥青砂时,要提前在基础上标出加强底板的位置,进行人工铺摊和夯实,以确保该处标高低于其他位置18 cm。

(3)根据美国石油学会行业标准API 650-2007《钢制焊接石油储罐》中罐基础施工标高的要求,本项目为非混凝土圈梁基础,罐壁底部基础任意3 m间2点差应在±3 mm以内,任意点与平均标高差距离在±13mm以内。如果出现了缺陷和误差,会造成罐体垂直偏差超标,影响浮盘的升降和物料计量,甚至会使罐底板提早失效,减小油罐的使用寿命和储油安全。施工中要确保沥青砂铺摊均匀平整,碾压时使用刮板整体找坡修平,防止凹凸度超标。

[1]Clark I D,Fontes J C.Paleoclimatic reconstruction in Northern Oman based on carbonates from hyperalkaline ground waters.Quaternary Research,1990(33):320-336.

[2]Fugro.Fujairah MOT geotechnical Investigation,Interim report:FG-IL-RP-0001-07[R],2007.

[3]Glennei K W,Singhvi A K.Event stratigraphy,pale environment and chronology of SE Arabian deserts.Quaternary Science Reviews,2002(21),853-869.

[4]Musson R M W,Northmore K J,Sargeant S L,et al.The Geology and Geophysics of the UAE,2006

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.10.016

2009-11-08)