芻議高溫?zé)嵊蛢藿Y(jié)構(gòu)形式與運行方式

屈曉禾，劉亞賢，屈 威

（1.中石油云南石化有限公司，云南省安寧市 郵編 650399；2. 中國石油華南化工銷售公司欽州調(diào)運分公司，廣西 欽州535000；3.中國石油天然氣集團公司廣西石化公司儲運中心，廣西 欽州 535008；）

設(shè)備與自控

芻議高溫?zé)嵊蛢藿Y(jié)構(gòu)形式與運行方式

屈曉禾1，劉亞賢2，屈 威3

（1.中石油云南石化有限公司，云南省安寧市 郵編 650399；2. 中國石油華南化工銷售公司欽州調(diào)運分公司，廣西 欽州535000；3.中國石油天然氣集團公司廣西石化公司儲運中心，廣西 欽州 535008；）

隨著渣油加氫工藝技術(shù)的應(yīng)用，為節(jié)能增效，煉油企業(yè)高溫?zé)嵊蛢拗饾u增多，儲存重油介質(zhì)溫度高達150～190℃左右，完全不同于常規(guī)成品油罐儲存的條件，對儲罐的安全運行提出了更高的要求。為確保高溫?zé)嵊蛢薜陌踩\行，有必要從儲存介質(zhì)性質(zhì)﹑儲罐結(jié)構(gòu)形式及儲罐日常操作的方式等方面進行認真研究，找出最佳方法，實現(xiàn)熱油罐系統(tǒng)的本質(zhì)安全運行。

高溫?zé)嵊蛢蓿粌Υ鏈囟?；?yīng)力；罐底板防護； 阻火器

新建高溫?zé)嵊蛢蓿丛O(shè)計溫度大于90℃小于260℃儲罐），基本上依據(jù)GB 50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》建造，但規(guī)范中僅對可能影響的部件（或部位）提出注意，并未進行嚴格的規(guī)定，因此各設(shè)計單位在設(shè)計高溫儲罐時依據(jù)自己風(fēng)格設(shè)計。這就要求對儲罐一些設(shè)計細節(jié)加以明確，儲罐建成后，在正式運行過程中要針對性地建立與之適應(yīng)的操作方式。

1 高溫?zé)嵊蛢迒栴}

對于高溫儲罐，最主要的是儲罐設(shè)備材料的熱效應(yīng)問題﹑罐基礎(chǔ)熱損及附件的溫差梯度問題。

1.1 罐基礎(chǔ)

高溫?zé)嵊蛢抟话銥榱⑹焦绊攦?，直徑?0m以內(nèi)，容積在1萬m3左右，用于儲存重質(zhì)油品，如常減壓裝置的減壓渣油等。近年來煉油企業(yè)為保證經(jīng)濟效益，從多方面入手，狠抓內(nèi)部挖潛增效，其中對于常減壓裝置產(chǎn)出的減壓渣油，不采用減溫儲存，改為高溫儲存，再供下游裝置熱料，減少能耗就是一大舉措。

為保證罐內(nèi)介質(zhì)溫度穩(wěn)定，高溫儲罐加熱系統(tǒng)均采用加溫蒸汽，有的地方已使用了中壓蒸汽加溫。這就要求高溫?zé)嵊凸藿Y(jié)構(gòu)上其基礎(chǔ)形式有別于正常儲罐。

考慮減少占地面積等因素，國內(nèi)儲罐新建基礎(chǔ)基本上采用外環(huán)梁結(jié)構(gòu)，對于高溫儲罐考慮罐底絕緣層受熱影響等因素，一般較常見罐基礎(chǔ)增加了通風(fēng)孔道﹑加強隔熱層強度[1]。這解決了基礎(chǔ)防潮﹑罐底板受高溫變形等問題，但同樣存在熱損，目前情況下解決罐底板熱效應(yīng)問題為最佳方式。

1.2 罐底與罐壁鋼板的熱效應(yīng)

鋼制油罐罐底，隨著儲罐大型化趨勢，均帶有環(huán)形邊緣板，GB 50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》要求罐底板均勻支撐，底板焊接采用搭接或?qū)雍附樱―＞30m），由于邊緣板加厚使之與罐壁厚相接近，故厚度大于中幅板。對于鋼板而言薄而寬大受熱不均時，臨高溫面急速膨脹而拉伸，迫使臨低溫面被壓縮，如周邊鋼材厚度不同，就會產(chǎn)生不同的熱脹冷縮，受到拉應(yīng)力會產(chǎn)生應(yīng)變，發(fā)生不同程度變形，出現(xiàn)邊緣板彎曲翹曲現(xiàn)象（發(fā)生了局部塑性變形）。高溫罐如存在升溫的情況，罐底與罐壁最底層會出現(xiàn)顯著的溫差，而鋼板在不同的溫度下，屈服強度會發(fā)生變化[2]。彈性模量在高溫時也會發(fā)生變化，鋼板會產(chǎn)生一定量彈性變形（在高溫下鋼板壁厚的許用應(yīng)力需要修正）。

1.3 罐附件與罐體的溫差

罐體附件由于焊接要求，如儲罐的抗風(fēng)圈上部采用連續(xù)焊接，下部采用間斷焊，就會因與罐壁接觸程度不同，附件各部位與高溫罐壁的熱傳導(dǎo)程度不同，出現(xiàn)鋼材受熱不均，對罐壁產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，出現(xiàn)部分附件與罐體焊接開裂現(xiàn)象。

2 消除方法

2.1 儲罐溫度限制與溫度測量

高溫儲罐實際操作溫度高于200℃時，必須對儲罐循環(huán)設(shè)計壽命評估。為了消除因罐內(nèi)介質(zhì)溫度超高對循環(huán)設(shè)計壽命的影響，高溫儲罐溫度一定要低于200℃以下進行操作，工藝操作卡片要嚴格規(guī)定儲罐操作溫度。

高溫儲罐測溫通用做法是在罐體最低層板設(shè)有測溫儀表。這雖解決罐的測溫問題，但無法測罐壁各部位的溫度，對于長時間放置的高溫儲罐，罐壁縱向之間會出現(xiàn)溫差，壁板間出現(xiàn)熱應(yīng)力加強。

為此在儲罐內(nèi)應(yīng)設(shè)置多點溫度計，目前多點平均溫度計可集成16個溫度探頭，在高溫罐可按“1英尺法”將溫度探頭設(shè)于每層壁板底部以上0.3m處（1ft），準確測知罐內(nèi)油品的不同層溫度，以便采取手段確保儲罐內(nèi)渣油的溫度一致，消除溫差。

2.2 油品循環(huán)

油品儲存過程中不可避免地存在散熱情況，這就需要儲罐使用罐內(nèi)加熱系統(tǒng)升高溫度，而加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定加熱時，會出現(xiàn)局部油品溫度較高，遠離加熱器的油品溫度相比偏低，可采用罐壁安置側(cè)向攪拌器攪拌或利用循環(huán)泵視情況循環(huán)儲罐內(nèi)油品的辦法，消除加溫油品時油品的溫差，尤其是消除罐壁底層與罐底的溫差，避免儲罐溫度升高時，出現(xiàn)不同的熱膨脹和溫度周期變化等產(chǎn)生的熱效應(yīng)現(xiàn)象。

2.3 最低液位的確定

對于高溫儲罐最低液位的設(shè)置，不能按照送料泵開啟15min內(nèi)不抽空的油品液位高度為儲罐最低安全液位。儲罐內(nèi)熱油介質(zhì)要保持一定的液位，可按公式(1)保持：

其中：h為液位高度；d為儲罐公稱直徑，m；t為罐壁底圈公稱厚度，m。

在儲罐運行過程中還需及時保持罐液位在較高的位置，油品送出后及時補充，減少空置的時間間隔。

2.4 呼吸閥

高溫油罐儲存渣油等重質(zhì)油品，因油品油霧凝結(jié)于阻火器金屬網(wǎng)上，造成通路窄小或堵塞，致使儲罐罐頂在付油時產(chǎn)生負壓凹陷變形的現(xiàn)象時有發(fā)生。按照SH 3007-1999規(guī)定，儲罐介質(zhì)的閃點（閉口）大于60℃時，應(yīng)用通氣管，閃點小于等于60℃時應(yīng)將呼吸閥與阻火器配套使用。但在使用呼吸閥與阻火器時，按SHS 01012-2004《常壓式圓筒形鋼制焊接儲罐維修檢修規(guī)程》規(guī)定，呼吸閥每3個月檢查一次，并宜定期標定，對于低溫季節(jié)，每月進行一次檢查，維修工作相當大。對阻火器周期性檢查和清潔，會增加重新組裝時產(chǎn)生錯誤的可能性，使阻火器阻斷火焰作用失效。美國API std 2000-2000表明，安裝呼吸閥具有真空閥作用后，可以作為阻火器的替代，沒必要再考慮安裝阻火器。API RP2210 Flare arresters for vents of tank string petroleum products，IDT中不建議安裝阻火器。

對渣油罐而言，其閃點（閉口）較高，4號燃料油就在55℃以上。另外，根據(jù)介紹，沙輕﹑沙中和哈薩克斯坦減壓渣油，經(jīng)SFEF測得沸程達1050K和1434K[3-4]，芳香烴分子比例在50%以上。由此可以根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，在高溫渣油儲罐上采用通氣管裝置或只設(shè)呼吸閥不用阻火器，可以有效防止因阻火器堵塞造成儲罐抽癟的現(xiàn)象發(fā)生。在使用時配套安裝緊急爆破人孔。

2.5 儲罐附屬管線撓度

2.5.1 儲罐管線徑向位移

儲罐附屬管線在運行中存在著溫變情況，相應(yīng)的管線熱脹冷縮情況經(jīng)常發(fā)生，按規(guī)范規(guī)定，儲罐附屬管線為防震而設(shè)置的金屬軟管或波紋管解決儲罐橫向位移[5]，而徑向位移由罐區(qū)工藝管線解決。

通常的管線徑向膨脹補償作法是在罐區(qū)內(nèi)，將工藝管線設(shè)置膨脹環(huán)（或稱彎管補償器）。一般采用的膨脹環(huán)深度是寬度的2倍，安裝時必須進行預(yù)拉伸[6]。管線膨脹系數(shù)對碳鋼而言，溫度對其影響較大，由于管線輸送介質(zhì)為易凝渣油，在生產(chǎn)操作完成后，為防止油品凝結(jié)，通常作法是用蒸汽將其吹掃至掃線罐。而在高溫油罐區(qū)為了油品加溫需要已有采用中壓蒸汽的作法，其溫度可達400℃以上。因此在計算管道膨脹量時，不僅要考慮正常情況下油品溫度，還應(yīng)將管線可能達到的最高溫度（蒸汽吹掃）造成的管線膨脹量進行補償設(shè)計。

管道膨脹量計算:

其中：x 為管道膨脹量，mm；a為管線膨脹系數(shù)，碳鋼100以下0.0149mm·m-1，碳鋼200℃以下0.058mm·m-1，300℃以下0.0173 mm·m-1；L為補償管線（所需補償管道固定支座間的距離）長度，m；△T為溫差，℃。

2.5.2 儲罐管線橫向位移

解決儲罐的抗震溫度補償?shù)葐栴}，除大型儲罐外（10萬m3以上），一般采用帶鋼帶網(wǎng)套編制的金屬波紋軟管，原因之一是避免產(chǎn)生共振[7]。其出現(xiàn)的損壞情況，基本上是由于安裝不規(guī)范造成的。在安裝時，一定要保證與管道的同軸度，偏差不大于±5mm，上下或左右的偏差位移角度為±0.1°，不能扭轉(zhuǎn)安裝，因其是不吸收扭矩的。金屬軟管一定不得采用含氯的保溫材料，進行水壓試驗時，水中氯離子含量也不得超過25×10-6。金屬軟管始終處于自然水平狀態(tài)。

2.5.3 消防管線安裝

消防管常見的安裝方式[8]在垂直面內(nèi)45°位置安裝，目的是多向補償位移，有利于放空殘液，一般長度800～1200mm。這種安裝方式容易在安裝過程中造成金屬軟管超出最小彎曲半徑[9]。在相關(guān)的GB 50151中對消防管線有明確要求，在罐區(qū)內(nèi)的消防金屬管道不能限制其上下位移。國外對罐區(qū)消防管線使用的金屬軟管安裝位置有明確要求，安裝位置至少在距一個罐直徑之外，但任何情況下不低于15m。消防管線和金屬軟管安裝目的是解決上下位置，因此應(yīng)水平安裝。

2.6 附件設(shè)施

高溫儲罐一些附件在與罐壁﹑頂﹑底連接時，如不能全面緊密連接，就會出現(xiàn)附件與罐體之間出現(xiàn)溫差梯度，結(jié)果出現(xiàn)膨脹量不同，產(chǎn)生拉壓應(yīng)力。一旦超出許用應(yīng)力，會出現(xiàn)附件脫落或罐體本體受到損害。

對于與罐體連接的附件，應(yīng)按安裝要求認真執(zhí)行，對于一些附件，如罐壁與盤梯之間，可以將盤梯腿與罐壁接觸處加焊墊板，增加接觸面積，減少或消除兩者之間溫差。

對于罐壁與加強圈之間，按規(guī)定要求[10]，抗風(fēng)圈與罐壁的連接在上側(cè)應(yīng)采用連續(xù)焊，下側(cè)可采用間斷焊。這樣的作法潛在地存在因鋼材的熱導(dǎo)面積不同產(chǎn)生構(gòu)件間溫差，為消除這一現(xiàn)象，可采取連接件間加注導(dǎo)熱膠泥等辦法，保證構(gòu)件間的受熱均勻。

2.7 滴水環(huán)和防水設(shè)置

儲罐邊緣板防腐密封，目前有采用DTPU﹑橡膠瀝青或環(huán)氧玻璃布進行防水，柔性高溫（聚酯泡粒）礦脂防腐膠泥配粘彈密封膠帶等等方法，但經(jīng)過一定時間風(fēng)吹日曬雨淋都會在表面出現(xiàn)微裂紋。對于高溫儲罐來說，最主要的是罐的基座與罐體底板結(jié)合的部位，隨著環(huán)境主要是溫度的變化使底板徑向發(fā)生伸縮；再有儲油量的荷載引起罐體變形。當油罐收液后，罐底和罐壁均受液柱壓力的作用，底板的中間部分主要是產(chǎn)生很大的不均勻沉降，而邊緣板受力狀況則很復(fù)雜，這是由于罐壁在靜液壓力作用下產(chǎn)生很大的環(huán)向應(yīng)力，使油罐沿半徑方向產(chǎn)生水平變位，而底層罐壁的下部由于與底板牢固地焊在一起（被約束）無法向外擴張，結(jié)果在邊緣處發(fā)生變形，同時在罐壁與罐底相連接的角縫處產(chǎn)生很大的邊緣應(yīng)力，該應(yīng)力均超過屈服極限，又由于存在基座反力的抵抗，最終導(dǎo)致底板邊緣板的塑性變形。當空罐時，罐體恢復(fù)原狀，邊緣板卻由于塑性變形而向上翹曲。這種變形的變形量大小與基礎(chǔ)的軟硬程度﹑邊緣板的厚度﹑儲液高度﹑使用周期和時間的長短有關(guān)，一般為5～10mm。

規(guī)范中規(guī)定，底圈罐壁外表面沿徑向至邊緣板外緣距離不應(yīng)小于50mm，需抗震設(shè)防水，采用外環(huán)梁基礎(chǔ)的油罐邊緣板的徑向尺寸適當加大。據(jù)介紹大型儲罐（容積不小于105m3）在罐底邊緣板和罐壁交界處，應(yīng)力達到峰值。在與罐底板外側(cè)距離200mm處，應(yīng)力值達到峰值（501.7MPa[11]）。罐壁與罐底焊縫處應(yīng)力極為復(fù)雜，如高溫儲罐運行時罐底與相鄰壁板有著極大溫差，勢必在此處增加更大的附加應(yīng)力，底板形變產(chǎn)生。由此可以看出加大邊緣板罐壁外尺寸是很有必要的。

在高溫罐體蒸騰基礎(chǔ)下部的水分造成蒸汽的排出，也會造成防腐密封失效。國外采用增設(shè)滴水環(huán)的做法，可將上述情況加以解決。滴水環(huán)要求各段之間以及滴水環(huán)形板和環(huán)形板或底板之間的所有徑向接頭連續(xù)密封焊接，滴水環(huán)至少伸展75mm，以超出基礎(chǔ)環(huán)的外緣，然后在基外徑翻折（最多90°），材料為碳鋼，最小厚度3mm。它的采用可以有效防止水的進入。另外如將翻邊前板厚增加至外邊緣板厚度，等于加大了外邊緣板尺寸。

2.8 安裝完成的罐體新增開孔

罐體投用后，會有各種原因需要新增加開孔。焊接熱輸入一般可達100kJ·cm-1左右，有時甚至120kJ，導(dǎo)致鋼板組織粗化，韌性大幅下降。因此，開孔一定要慎重，必須新增開孔時應(yīng)安裝在人孔等部件上，避免在罐壁開孔。

3 結(jié)論

1) 高溫儲油罐在運行過程中，注意的要點是減少或消除儲罐各部位的溫差，盡量保證儲罐在多數(shù)情況下“滿罐”運行，并且保證“最低液位”，確保罐下部壁板與罐底不產(chǎn)生溫差，從而減少罐鋼材的屈服強度變化。

2) 高溫儲罐各附屬設(shè)施，除執(zhí)行常溫儲罐要求外，還要考慮其高溫的特殊性，如適當加大儲罐附屬工藝管線的熱膨脹量，加強儲罐液位之間溫度測量，增加滴水環(huán)等。這些都將為高溫儲罐的安全運行提供可靠的保障。

[1] 祝春強，屈威，劉亞賢.高溫儲罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2014，43(5)：62-63.

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[3] 許志明，趙鎖奇，王仁安.沙輕和沙中減壓渣油的分離﹑組成與性質(zhì)[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2003，16(3)：15-17.

[4] 朱靜，吳文濤，常勇，等. 哈薩克斯坦減壓渣油的評價[J].石油與天然氣化工，2008，37(5)：398-399.

[5] SYT 4073-1994，儲罐抗震用金屬軟管和溫度補償器選用標準[S].

[6] GB 50184-2011，工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

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[10] GB 50341-2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范[S].

[11] 曲曉健，李玉坤，段冠，等.大型儲罐罐底及邊緣板應(yīng)力分析方法對比[J].油氣儲運，2011，30(12)：919-922.

Summary for High Temperature Hot Oil Tank Structure and Operation Mode

QU Xiao-he1, LIU Ya-xian2, QU Wei3
(1.PetroChina Yunnan Petrochemical Company,anning 650399, China; 2.PetroChina Guangxi Petrochemical Company, Qinzhou 535008, China; 3. PetroChina South China Chemical Marketing Company, Qinzhou 535008, China)

TE 832.3+4

B

1671-9905(2014)11-0050-04

屈曉禾(1992-)，女，畢業(yè)于天津理工大學(xué)雙學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石油云南石化有限公司儲運部，地址：云南省安寧市昆畹東路8號中國石油安寧大廈，郵編650399

屈威，15907773317，E-mail:quwei@petrochina.com.cn, 地址：廣西欽州市欽州港廣西石化辦公樓，郵編：535008

2014-10-14