高飛 (中國石油工程建設公司阿布扎比原油管線項目部)

張敏 (大慶油田電力集團電力工程設計院信息管理室)

阿布扎比16×104m3原油儲罐基礎施工概述

高飛 (中國石油工程建設公司阿布扎比原油管線項目部)

張敏 (大慶油田電力集團電力工程設計院信息管理室)

通過構建的二維 Plaxis儲罐基礎沉降模型,對阿布扎比原油管線項目位于沙漠地區(qū)的兩座容積16×104m3的浮頂鋼結構原油儲罐基礎的沉降進行模擬計算,得出罐底部沉降曲線,制定了采用預壓法和強夯法相結合的罐基礎施工方案,并通過現(xiàn)場試夯確定強夯參數(shù)。對施工程序的詳細介紹和對施工過程中遇到的問題、改進方法、注意事項進行的總結,對類似工程施工有一定的參考價值。

鋼結構儲罐 Plaxis模型構造沉降計算 強夯法

1 背景

阿布扎比原油管線項目為阿拉伯聯(lián)合酋長國國際石油投資公司 (IPIC)投資控股,中國石油工程建設公司與中石油管道局聯(lián)合總承包,原油輸送設計能力為每天150×104bbl(1 bbl=0.159 m3),主要工程量有管徑48 in(1 in=25.4 mm)、全長371 km的管道,首站、中間站、末站3個站場和末站海上終端系統(tǒng)。該項目的建成將減少阿聯(lián)酋對阿拉伯灣原油終端的依賴,減少需要通過霍爾木茲海峽的船舶運輸,提高阿聯(lián)酋東部沿海的出口能力。項目合同總額近33億美元,是集團公司迄今為止最大的國際總承包項目,也是中石油與阿聯(lián)酋開展的第一個大型石油合作項目,對進一步參與阿聯(lián)酋能源市場開發(fā)具有重要意義。

在位于哈伯善油田的首站將建設2座直徑110 m、容積16×104m3的浮頂原油儲罐。因為哈伯善油田位于沙漠地帶,且位于板塊交界處,地質情況復雜,加上儲罐自身荷載大,罐基礎的設計施工工作非常困難。

2 沉降計算及施工方案的確定

2.1 沉降標準

根據(jù)美國石油協(xié)會標準 (API 650)的相關規(guī)定和同儲罐分包商協(xié)商,最后確定如下沉降標準(圖 1)[1]。

標準1:罐壁底部最大沉降:100 mm;

標準2:罐壁底部任意兩點間最大沉降:50 mm;

標準3:罐壁底部任意兩點間10 m距離最大沉降:13 mm;

標準4:罐底中心距罐壁最大沉降:100 mm。

圖1 沉降標準示意圖

2.2 儲罐構造及荷載計算

儲罐直徑110 m,高23.9 m,為鋼板焊接、錐形底板內浮頂罐,兩罐中心距離為罐直徑的4.6倍。初步設計報告確定,罐基礎由具有良好級配能力的材料回填,罐基礎外圍區(qū)域為沙礫層圈梁,用以支撐罐壁。

通過水力學試驗計算得出的儲罐內流體的荷載與儲罐底板本身產(chǎn)生的荷載合計確定為220 kPa,罐壁產(chǎn)生的垂直荷載為31 200 kN,圓周荷載為4.5 kN/m2。儲罐內流體產(chǎn)生的橫向壓力在模型中表示為水平荷載,由罐壁頂部為零向下均勻增加分布,罐壁底部荷載為200 kPa。

2.3 模型構造

擬定采用Plaxis 2D v8.6(Plaxis 2007)軟件構建模型,對地質狀況進行分析。該軟件為大型巖土工程有限元設計計算軟件,能夠運用先進的構造模型來模擬土壤的非線性和時間相關行為等復雜的工程地質條件。在模型構建過程中,以下假定作為設計模型縱剖面的依據(jù),完成二維軸向對稱模型的制作。

◇碳酸鹽沙層假定為非薩布哈 (鹽沼)狀態(tài);

◇罐體本身的恒載是根據(jù)儲罐設計方在最終的模型確認中假定的;

◇儲罐的連續(xù)注入和放空引發(fā)的循環(huán)作用和長期蠕動沉降在分析過程中不予考慮;

◇由于可能的液化作用引起的地質硬度和強度的侵蝕作用在分析過程中不予考慮;

◇模型選擇深度為75 m,該深度以下地層對罐沉降產(chǎn)生的影響由于其相對較大的變形系數(shù)而忽略不計。

根據(jù)對相鄰罐基礎的靈敏度分析確定,兩罐距離為直徑的2.3倍時影響最小,因為兩儲罐實際中心距離為罐直徑的4.6倍,所以,每個儲罐的模型均為獨立制作,本文僅以其中一個儲罐為例,對應之前制定的沉降標準,只有任意兩點間最大沉降值超過了允許值 (50 mm)[2-3]。

3 施工方法分析及方案確定

3.1 方法分析

為了達到沉降標準,擬定使用預壓法,預加等同于儲罐產(chǎn)生的220 kPa的荷載,通過計算,設計出儲罐底部到自然地面之間回填料的材質和回填高度從而達到預加荷載的要求。但是預加荷載后液化強度仍然存在,所以使用強夯法增強抗液化強度,同時強夯法也可以減小蠕變荷載和周期荷載引起的長期沉降。

通過對預壓法和強夯法對沉降程度影響的模型計算,得到沉降縱斷面對比曲線圖 (圖2)?？梢苑浅Ｃ黠@地看到,通過預壓法和強夯法結合作用,罐基礎的總沉降值明顯降低,罐中心最大沉降值減小到40 mm,為總沉降值的54%,沉降槽的曲率凸度也明顯減小,滿足相應的沉降標準[4]。

圖2 沉降縱斷面對比曲線

3.2 罐基礎施工方案

作為罐基礎強夯施工的分包商,法國的Menard公司根據(jù)以上分析最后擬定罐基礎施工方案如下:

(1)首先將原土碾壓至最大干密度98%,然后進行強夯測試,通過試驗結果分析確定強夯施工方案。

(2)回填碎石至1 m高,進行強夯處理。碎石基礎能夠保證罐的荷載均勻分布,并且有很好的伸縮性,可以自行調節(jié)沉降。

(3)回填已經(jīng)進行級配處理并混水攪拌的碎石料,使用滾筒式振動壓路機逐層進行碾壓,每層碾壓后高度為250 mm,共4層。

(4)敷設土工布和高密度聚乙烯結構襯墊,在鋪設時注意防護,不得損傷和劃破襯墊。襯墊和土方布連接采用搭接形式,搭接長度約100 mm,熱熔焊接,通過氣密試驗檢查是否有泄漏。

(5)安裝集油管,管上均布直徑10 mm的圓孔,在其表面包裹一層塑料網(wǎng)以防止石子進入集油管。

(6)安裝油水分離槽和清掃口基礎。

(7)罐壁底部敷設瀝青混凝土2層,最后罐基礎全部回填瀝青砂50 mm。瀝青砂墊層是罐板的承載接觸面,也是保護罐底板不發(fā)生電化學腐蝕,阻隔砂墊層毛細水上升的重要措施,它為油罐提供了一個堅實的初始表面和標準的水平參照面。

儲罐基礎見圖3。

圖3 儲罐基礎施工示意圖

3.3 強夯參數(shù)的確定

為了確定強夯施工參數(shù),需要在現(xiàn)場進行試夯,通過對試夯前后試驗結果的對比分析確定回填料的高度、夯錘質量、落距、夯擊次數(shù)等。

在原土上回填40 m×65 m、高1 m的試驗區(qū)域,整平后進行夯前隆起貫入試驗和旁壓試驗,進行兩階段試夯,最后進行夯后隆起貫入試驗和旁壓試驗。

根據(jù)分析兩次試夯前后的試驗得出的隆起貫入曲線、旁壓極限荷載和旁壓模量變化曲線,得出如下結論:強夯對于改善罐底部基礎的機械特性、控制沉降量的效果是很明顯的,設計的罐基礎施工方案可以滿足沉降量控制的要求。

最后確定的強夯施工參數(shù)如表1所示。

表1 強夯施工參數(shù)

3.4 施工過程中遇到的問題及改進方法

采用平板靜荷載試驗檢測碾壓后基礎的承載力標準值、變型模量及回彈模量,每500 m2布置一個測試點。施工過程中發(fā)現(xiàn),碎石料碾壓效果不理想,試驗結果通過率不高,分析原因如下:

◇碎石料級配及含水率控制不當;

◇回填高度過高,無法達到碾壓效果;

◇碎石料鋪攤整平過程造成不同顆?；旌喜痪?。

針對該情況,通過反復試驗對比,確定如下改進方法:

◇嚴格控制工程料級配比例,濕度值控制在8～10之間;

◇采用分層回填,每層回填高度限定在150 mm,確定碾壓效果充分作用;

◇回填過程中盡量避免大面積使用平地機進行整平,采用分區(qū)域回填整平,從而避免發(fā)生回填料在翻轉整平過程中大顆粒粗料落入下層而導致顆?；旌喜痪那闆r。

3.5 注意事項

(1)油水分離槽安裝時需確認位置及標高,確保其頂部與最后一層瀝青砂碾壓后的高度相平。

(2)由于清掃口加強底板厚度比其他底板厚18 cm,所以在敷設瀝青砂時,要提前在基礎上標出加強底板的位置,進行人工鋪攤和夯實,以確保該處標高低于其他位置18 cm。

(3)根據(jù)美國石油學會行業(yè)標準API 650-2007《鋼制焊接石油儲罐》中罐基礎施工標高的要求,本項目為非混凝土圈梁基礎,罐壁底部基礎任意3 m間2點差應在±3 mm以內,任意點與平均標高差距離在±13mm以內。如果出現(xiàn)了缺陷和誤差,會造成罐體垂直偏差超標,影響浮盤的升降和物料計量,甚至會使罐底板提早失效,減小油罐的使用壽命和儲油安全。施工中要確保瀝青砂鋪攤均勻平整,碾壓時使用刮板整體找坡修平,防止凹凸度超標。

[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)