高飛 (中國(guó)石油工程建設(shè)公司阿布扎比原油管線項(xiàng)目部)

張敏 (大慶油田電力集團(tuán)電力工程設(shè)計(jì)院信息管理室)

阿布扎比16×104m3原油儲(chǔ)罐基礎(chǔ)施工概述

高飛 (中國(guó)石油工程建設(shè)公司阿布扎比原油管線項(xiàng)目部)

張敏 (大慶油田電力集團(tuán)電力工程設(shè)計(jì)院信息管理室)

通過(guò)構(gòu)建的二維 Plaxis儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降模型,對(duì)阿布扎比原油管線項(xiàng)目位于沙漠地區(qū)的兩座容積16×104m3的浮頂鋼結(jié)構(gòu)原油儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的沉降進(jìn)行模擬計(jì)算,得出罐底部沉降曲線,制定了采用預(yù)壓法和強(qiáng)夯法相結(jié)合的罐基礎(chǔ)施工方案,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯確定強(qiáng)夯參數(shù)。對(duì)施工程序的詳細(xì)介紹和對(duì)施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題、改進(jìn)方法、注意事項(xiàng)進(jìn)行的總結(jié),對(duì)類似工程施工有一定的參考價(jià)值。

鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)罐 Plaxis模型構(gòu)造沉降計(jì)算 強(qiáng)夯法

1 背景

阿布扎比原油管線項(xiàng)目為阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)國(guó)際石油投資公司 (IPIC)投資控股,中國(guó)石油工程建設(shè)公司與中石油管道局聯(lián)合總承包,原油輸送設(shè)計(jì)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(zhǎng)371 km的管道,首站、中間站、末站3個(gè)站場(chǎng)和末站海上終端系統(tǒng)。該項(xiàng)目的建成將減少阿聯(lián)酋對(duì)阿拉伯灣原油終端的依賴,減少需要通過(guò)霍爾木茲海峽的船舶運(yùn)輸,提高阿聯(lián)酋東部沿海的出口能力。項(xiàng)目合同總額近33億美元,是集團(tuán)公司迄今為止最大的國(guó)際總承包項(xiàng)目,也是中石油與阿聯(lián)酋開(kāi)展的第一個(gè)大型石油合作項(xiàng)目,對(duì)進(jìn)一步參與阿聯(lián)酋能源市場(chǎng)開(kāi)發(fā)具有重要意義。

在位于哈伯善油田的首站將建設(shè)2座直徑110 m、容積16×104m3的浮頂原油儲(chǔ)罐。因?yàn)楣朴吞镂挥谏衬貛?且位于板塊交界處,地質(zhì)情況復(fù)雜,加上儲(chǔ)罐自身荷載大,罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工工作非常困難。

2 沉降計(jì)算及施工方案的確定

2.1 沉降標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) (API 650)的相關(guān)規(guī)定和同儲(chǔ)罐分包商協(xié)商,最后確定如下沉降標(biāo)準(zhǔn)(圖 1)[1]。

標(biāo)準(zhǔn)1:罐壁底部最大沉降:100 mm;

標(biāo)準(zhǔn)2:罐壁底部任意兩點(diǎn)間最大沉降:50 mm;

標(biāo)準(zhǔn)3:罐壁底部任意兩點(diǎn)間10 m距離最大沉降:13 mm;

標(biāo)準(zhǔn)4:罐底中心距罐壁最大沉降:100 mm。

圖1 沉降標(biāo)準(zhǔn)示意圖

2.2 儲(chǔ)罐構(gòu)造及荷載計(jì)算

儲(chǔ)罐直徑110 m,高23.9 m,為鋼板焊接、錐形底板內(nèi)浮頂罐,兩罐中心距離為罐直徑的4.6倍。初步設(shè)計(jì)報(bào)告確定,罐基礎(chǔ)由具有良好級(jí)配能力的材料回填,罐基礎(chǔ)外圍區(qū)域?yàn)樯车[層圈梁,用以支撐罐壁。

通過(guò)水力學(xué)試驗(yàn)計(jì)算得出的儲(chǔ)罐內(nèi)流體的荷載與儲(chǔ)罐底板本身產(chǎn)生的荷載合計(jì)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(chǔ)罐內(nèi)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(gòu)造

擬定采用Plaxis 2D v8.6(Plaxis 2007)軟件構(gòu)建模型,對(duì)地質(zhì)狀況進(jìn)行分析。該軟件為大型巖土工程有限元設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,能夠運(yùn)用先進(jìn)的構(gòu)造模型來(lái)模擬土壤的非線性和時(shí)間相關(guān)行為等復(fù)雜的工程地質(zhì)條件。在模型構(gòu)建過(guò)程中,以下假定作為設(shè)計(jì)模型縱剖面的依據(jù),完成二維軸向?qū)ΨQ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(chǔ)罐設(shè)計(jì)方在最終的模型確認(rèn)中假定的;

◇儲(chǔ)罐的連續(xù)注入和放空引發(fā)的循環(huán)作用和長(zhǎng)期蠕動(dòng)沉降在分析過(guò)程中不予考慮;

◇由于可能的液化作用引起的地質(zhì)硬度和強(qiáng)度的侵蝕作用在分析過(guò)程中不予考慮;

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

根據(jù)對(duì)相鄰罐基礎(chǔ)的靈敏度分析確定,兩罐距離為直徑的2.3倍時(shí)影響最小,因?yàn)閮蓛?chǔ)罐實(shí)際中心距離為罐直徑的4.6倍,所以,每個(gè)儲(chǔ)罐的模型均為獨(dú)立制作,本文僅以其中一個(gè)儲(chǔ)罐為例,對(duì)應(yīng)之前制定的沉降標(biāo)準(zhǔn),只有任意兩點(diǎn)間最大沉降值超過(guò)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(dá)到沉降標(biāo)準(zhǔn),擬定使用預(yù)壓法,預(yù)加等同于儲(chǔ)罐產(chǎn)生的220 kPa的荷載,通過(guò)計(jì)算,設(shè)計(jì)出儲(chǔ)罐底部到自然地面之間回填料的材質(zhì)和回填高度從而達(dá)到預(yù)加荷載的要求。但是預(yù)加荷載后液化強(qiáng)度仍然存在,所以使用強(qiáng)夯法增強(qiáng)抗液化強(qiáng)度,同時(shí)強(qiáng)夯法也可以減小蠕變荷載和周期荷載引起的長(zhǎng)期沉降。

通過(guò)對(duì)預(yù)壓法和強(qiáng)夯法對(duì)沉降程度影響的模型計(jì)算,得到沉降縱斷面對(duì)比曲線圖 (圖2)。可以非常明顯地看到,通過(guò)預(yù)壓法和強(qiáng)夯法結(jié)合作用,罐基礎(chǔ)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(yīng)的沉降標(biāo)準(zhǔn)[4]。

圖2 沉降縱斷面對(duì)比曲線

3.2 罐基礎(chǔ)施工方案

作為罐基礎(chǔ)強(qiáng)夯施工的分包商,法國(guó)的Menard公司根據(jù)以上分析最后擬定罐基礎(chǔ)施工方案如下:

(1)首先將原土碾壓至最大干密度98%,然后進(jìn)行強(qiáng)夯測(cè)試,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析確定強(qiáng)夯施工方案。

(2)回填碎石至1 m高,進(jìn)行強(qiáng)夯處理。碎石基礎(chǔ)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(diào)節(jié)沉降。

(3)回填已經(jīng)進(jìn)行級(jí)配處理并混水?dāng)嚢璧乃槭?使用滾筒式振動(dòng)壓路機(jī)逐層進(jìn)行碾壓,每層碾壓后高度為250 mm,共4層。

(4)敷設(shè)土工布和高密度聚乙烯結(jié)構(gòu)襯墊,在鋪設(shè)時(shí)注意防護(hù),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(zhǎng)度約100 mm,熱熔焊接,通過(guò)氣密試驗(yàn)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(jìn)入集油管。

(6)安裝油水分離槽和清掃口基礎(chǔ)。

(7)罐壁底部敷設(shè)瀝青混凝土2層,最后罐基礎(chǔ)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(hù)罐底板不發(fā)生電化學(xué)腐蝕,阻隔砂墊層毛細(xì)水上升的重要措施,它為油罐提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的初始表面和標(biāo)準(zhǔn)的水平參照面。

儲(chǔ)罐基礎(chǔ)見(jiàn)圖3。

圖3 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)施工示意圖

3.3 強(qiáng)夯參數(shù)的確定

為了確定強(qiáng)夯施工參數(shù),需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試夯,通過(guò)對(duì)試夯前后試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析確定回填料的高度、夯錘質(zhì)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(yàn)區(qū)域,整平后進(jìn)行夯前隆起貫入試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn),進(jìn)行兩階段試夯,最后進(jìn)行夯后隆起貫入試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)。

根據(jù)分析兩次試夯前后的試驗(yàn)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(jié)論:強(qiáng)夯對(duì)于改善罐底部基礎(chǔ)的機(jī)械特性、控制沉降量的效果是很明顯的,設(shè)計(jì)的罐基礎(chǔ)施工方案可以滿足沉降量控制的要求。

最后確定的強(qiáng)夯施工參數(shù)如表1所示。

表1 強(qiáng)夯施工參數(shù)

3.4 施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題及改進(jìn)方法

采用平板靜荷載試驗(yàn)檢測(cè)碾壓后基礎(chǔ)的承載力標(biāo)準(zhǔn)值、變型模量及回彈模量,每500 m2布置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)。施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn),碎石料碾壓效果不理想,試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)率不高,分析原因如下:

◇碎石料級(jí)配及含水率控制不當(dāng);

◇回填高度過(guò)高,無(wú)法達(dá)到碾壓效果;

◇碎石料鋪攤整平過(guò)程造成不同顆?；旌喜痪?。

針對(duì)該情況,通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比,確定如下改進(jìn)方法:

◇嚴(yán)格控制工程料級(jí)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(guò)程中盡量避免大面積使用平地機(jī)進(jìn)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(zhuǎn)整平過(guò)程中大顆粒粗料落入下層而導(dǎo)致顆粒混合不均的情況。

3.5 注意事項(xiàng)

(1)油水分離槽安裝時(shí)需確認(rèn)位置及標(biāo)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(qiáng)底板厚度比其他底板厚18 cm,所以在敷設(shè)瀝青砂時(shí),要提前在基礎(chǔ)上標(biāo)出加強(qiáng)底板的位置,進(jìn)行人工鋪攤和夯實(shí),以確保該處標(biāo)高低于其他位置18 cm。

(3)根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)API 650-2007《鋼制焊接石油儲(chǔ)罐》中罐基礎(chǔ)施工標(biāo)高的要求,本項(xiàng)目為非混凝土圈梁基礎(chǔ),罐壁底部基礎(chǔ)任意3 m間2點(diǎn)差應(yīng)在±3 mm以內(nèi),任意點(diǎn)與平均標(biāo)高差距離在±13mm以內(nèi)。如果出現(xiàn)了缺陷和誤差,會(huì)造成罐體垂直偏差超標(biāo),影響浮盤的升降和物料計(jì)量,甚至?xí)构薜装逄嵩缡?減小油罐的使用壽命和儲(chǔ)油安全。施工中要確保瀝青砂鋪攤均勻平整,碾壓時(shí)使用刮板整體找坡修平,防止凹凸度超標(biāo)。

[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)