撓性軟管式浮頂排水裝置可靠性分析

尤澤廣 王 成 傅偉慶 鄧 鑫

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司）

外浮頂油罐由于浮盤外表面直接裸露在大氣之中，雨水直接降落到其外表面，為防止雨水集聚造成雨水從浮盤密封處滲入油罐內(nèi)或?qū)Ω”P造成沉盤的威脅，外浮頂油罐均設(shè)置了專門的排水機(jī)構(gòu)，通稱浮頂排水裝置；浮頂排水裝置在浮盤上下浮動(dòng)過(guò)程中有效排出浮盤積水，保證外浮頂油罐的安全運(yùn)行［1，2］。

目前，主要應(yīng)用的浮頂排水裝置形式有旋轉(zhuǎn)接頭式、撓性接頭式（分規(guī)式）和撓性軟管式（全柔式）3 種［3,4］。 撓性軟管式排水系統(tǒng)采用整體全撓性軟管，軟管本體由幾層復(fù)合材料制成。 該種結(jié)構(gòu)型式在儲(chǔ)液中連接接頭最少， 密封點(diǎn)也最少，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)副，從理論上來(lái)講密封性能最好，但是撓性軟管排水系統(tǒng)受旋噴攪拌射流沖擊的影響較大， 撓性軟管在射流沖擊的作用下，軌跡發(fā)生偏移，穩(wěn)定性變差，在循環(huán)沖擊作用下，撓性軟管偏離預(yù)定軌跡，當(dāng)浮盤落底時(shí)軟管有被支柱砸傷或者纏繞在支柱上的風(fēng)險(xiǎn)，造成排水泄漏問(wèn)題。

筆者針對(duì)撓性軟管式浮頂排水存在的穩(wěn)定性差、受旋噴射流沖擊影響大等問(wèn)題，以鄯善商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)10 萬(wàn)方外浮頂儲(chǔ)罐的浮頂排水系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)旋噴射流沖擊作用下?lián)闲攒浌苁礁№斉潘浌艿倪\(yùn)行軌跡、軟管配重、軟管受力和動(dòng)壓控制進(jìn)行模擬計(jì)算，分析全撓性軟管的穩(wěn)定性及其安全可靠性。

1 旋噴攪拌器流場(chǎng)分析

運(yùn)用有限元軟件Fluent， 依據(jù)實(shí)際尺寸建立旋噴攪拌器流場(chǎng)模型，考慮旋噴攪拌器運(yùn)行時(shí)不同液位的工況進(jìn)行流場(chǎng)的模擬，分析罐內(nèi)流場(chǎng)的流速和液體動(dòng)壓的變化規(guī)律，并且將液體動(dòng)壓的分析結(jié)果作為之后浮頂排水裝置結(jié)構(gòu)分析的載荷。

1.1模型建立

旋轉(zhuǎn)噴射攪拌系統(tǒng)為一個(gè)封閉系統(tǒng)，其模型不存在計(jì)算域內(nèi)的進(jìn)出口邊界條件，在建立開環(huán)系統(tǒng)幾何模型時(shí)，采用進(jìn)出口邊界條件［4~7］。 鄯善商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)10 萬(wàn)方雙盤式鋼制外浮頂儲(chǔ)罐的直徑為80m，攪拌器位于罐底中央，考慮循環(huán)油從罐底進(jìn)入，噴嘴出口直徑為107.3mm，旋噴出口高度1 000mm，旋噴接管尺寸為φ426mm，循環(huán)油出口位于罐壁底部，距罐底0.35m，循環(huán)油出口直徑與入口直徑相同。 旋噴攪拌流場(chǎng)模型如圖1 所示。

圖1 旋噴攪拌器流場(chǎng)分析模型

1.2不同液位旋噴流場(chǎng)分析

旋噴攪拌器在射流沖擊的同時(shí)，以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同方位油品的攪拌。 10 萬(wàn)方外浮頂罐中， 旋噴攪拌器的操作液位區(qū)間為2~20m，計(jì)算分析不同液位時(shí)旋噴作用下罐內(nèi)流場(chǎng)，得到不同液位罐內(nèi)的速度和動(dòng)壓結(jié)果，不同液位罐內(nèi)動(dòng)壓計(jì)算結(jié)果將作為浮頂排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的載荷。

解的格式選擇隱性分離解；流動(dòng)模型，先設(shè)定為層流，待初步計(jì)算收斂后，再將層流設(shè)定改為湍流；邊界條件，入口壓力為1.2MPa，入口流量930m3/h，出口設(shè)為（outflow）；噴嘴和旋轉(zhuǎn)的圓柱部分設(shè)置為運(yùn)動(dòng)項(xiàng)，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為2h/r。

液位2m 時(shí)，水平截面動(dòng)壓云圖如圖2 所示，旋噴射流方向動(dòng)壓較大，但距離旋噴出口位置越遠(yuǎn)，動(dòng)壓迅速降低，在靠近罐壁的位置存在環(huán)向動(dòng)壓。 罐內(nèi)動(dòng)壓呈半環(huán)形分布，環(huán)形中間區(qū)域動(dòng)壓較小，浮頂排水系統(tǒng)應(yīng)盡量安裝在環(huán)形中間區(qū)域內(nèi)。圖3 為液位2m 水平截面速度云圖，壓力差是流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，速度場(chǎng)分布規(guī)律與壓力場(chǎng)規(guī)律相一致，旋噴攪拌器以2h/r 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)并沒(méi)有引起罐內(nèi)原油的環(huán)向流動(dòng)。

圖2 液位2m 水平截面動(dòng)壓云圖

圖3 液位2m 水平截面速度云圖

旋噴攪拌器的操作液位區(qū)間為2~20m，不同液位流場(chǎng)分析獲得關(guān)鍵位置、 方向的動(dòng)壓與速度，關(guān)鍵位置、方向包括：旋噴方向、排水系統(tǒng)垂直方向和排水系統(tǒng)豎直方向。 排水系統(tǒng)距離旋噴出口位置10m，排水系統(tǒng)垂直方向和排水系統(tǒng)豎直方向分別取距離旋噴出口10m 位置的垂直方向和豎直方向。

圖4 為不同液位時(shí)旋噴方向速度、 動(dòng)壓曲線，出口流速、動(dòng)壓受液位影響較小，旋噴出口流速達(dá)38m/s，旋噴出口動(dòng)壓達(dá)604 591Pa。 旋噴方向動(dòng)壓隨距離的增大迅速下降，靠近罐壁位置的動(dòng)壓降至 50Pa。 動(dòng)壓降至 2 000Pa 的位置，2m 液位時(shí)， 對(duì)應(yīng)的距離是6.8m，5m 液位時(shí)降到3.9m，10m 液位時(shí)為2.6m。

圖5 為不同液位時(shí)排水系統(tǒng)垂直方向速度、動(dòng)壓曲線，可以看出，不同液位時(shí)排水系統(tǒng)垂直方向速度和動(dòng)壓值隨垂向直方距離呈 “W” 形變化，遠(yuǎn)離旋噴中心的位置，速度和動(dòng)壓迅速下降，液位大于5m 時(shí)， 靠近罐壁位置的動(dòng)壓降至30Pa，當(dāng)液位小于5m 時(shí)，靠近罐壁的位置速度和動(dòng)壓回升，2m 液位時(shí)，罐壁位置的動(dòng)壓為727Pa。隨著液位的升高，距離旋噴出口10m 位置的動(dòng)壓下降。 液位2m 時(shí)，距離旋噴出口10m 位置的動(dòng)壓為1 649.5Pa；液位5m 時(shí)，距離旋噴出口10m位置的動(dòng)壓為1 020.3Pa；液位10m 時(shí)，距離旋噴出口10m 位置的動(dòng)壓為896.3Pa；液位15m 時(shí)，距離旋噴出口 10m 位置的動(dòng)壓為 837.3Pa； 液位20m 時(shí)， 距離旋噴出口 10m 位置的動(dòng)壓為706.6Pa。

圖4 不同液位時(shí)旋噴方向速度、動(dòng)壓曲線

圖5 不同液位時(shí)排水系統(tǒng)垂直方向速度、動(dòng)壓曲線

圖6 為不同液位時(shí)排水系統(tǒng)豎直方向速度、動(dòng)壓曲線，2m 液位時(shí)，排水方向隨著高度的增大動(dòng)壓增大，靠近浮頂位置的動(dòng)壓達(dá)到914Pa。排水底部動(dòng)壓達(dá)到400Pa。 液位為2m 時(shí)，旋噴射流會(huì)對(duì)浮頂產(chǎn)生沖擊， 沖擊會(huì)對(duì)浮頂產(chǎn)生不利的影響。 液位從2m 增大到5m，排水方向隨著高度的增大動(dòng)壓減小，排水底部動(dòng)壓為500Pa。排水頂部靠近浮頂?shù)奈恢脛?dòng)壓降為20， 液位為5m 時(shí)，旋噴射流對(duì)浮頂產(chǎn)生沖擊較小，沖擊不會(huì)對(duì)浮頂產(chǎn)生不利的影響。 液位大于5m， 動(dòng)壓值降至30Pa以下，此時(shí)可以忽略旋噴沖擊對(duì)排水穩(wěn)定性造成的影響。

圖6 不同液位時(shí)排水系統(tǒng)豎直方向速度、動(dòng)壓曲線

2 撓性軟管浮頂排水裝置可靠性分析

針對(duì)全撓性浮頂排水軟管存在的穩(wěn)定性差、受旋噴射流沖擊影響大等問(wèn)題對(duì)旋噴射流沖擊作用下全撓性浮頂排水軟管的軟管配重、軟管受力、支座反力、軟管恢復(fù)和動(dòng)壓控制進(jìn)行模擬計(jì)算。 分析全撓性軟管的穩(wěn)定性及其安全可靠性。

2.1模型建立

10 萬(wàn)方儲(chǔ)罐撓性浮頂排水軟管尺寸為DN200mm，軟管長(zhǎng)度為1.2 倍的儲(chǔ)罐高度，建立的10 萬(wàn)方儲(chǔ)罐撓性浮頂排水軟管模型如圖7 所示。

圖7 全撓性浮頂排水軟管模型

2.2配重計(jì)算

撓性軟管浮頂排水裝置在靜壓、自重和浮力綜合載荷作用下， 當(dāng)浮力較軟管重力過(guò)大時(shí)，軟管會(huì)發(fā)生漂浮，如圖8 所示。 軟管漂浮與周圍立柱和浮盤發(fā)生碰撞或沖擊，容易造成撓性軟管發(fā)生破壞失效。 全撓性浮頂排水軟管在安裝過(guò)程中，需要在軟管上施加配重，保證軟管不發(fā)生漂浮，增加軟管運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖8 配重不足時(shí)軟管漂浮移動(dòng)軌跡

配重計(jì)算不考慮旋噴射流沖擊作用、 軟管受重力、 原油靜壓力和原油浮力。 重力方向豎直向下，原油靜壓力垂直于軟管表面，浮力豎直向上。同時(shí)軟管與罐壁連接接頭位置施加固定約束，軟管與浮頂集水坑接頭連接位置施加位移約束，豎向上下位移移動(dòng)，水平方向位移為0；與集水坑接頭距離1m 的位置施加位移約束， 豎向位移為0，水平方向位移不約束。 軟管運(yùn)行過(guò)程中與底板接觸，與底板接觸的面施加摩擦接觸；軟管運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生碰撞，計(jì)算設(shè)置軟管表面自接觸。

計(jì)算不同配重比例下，軟管在自重、靜壓和浮力綜合作用下由2m 升高到10m， 軟管的運(yùn)行漂浮情況。配重比為軟管和配重重力與浮力的比值，通過(guò)配重計(jì)算，獲得撓性軟管安裝需要增加配重重量。通過(guò)系列配重比下?lián)闲攒浌芨№斉潘囊苿?dòng)軌跡分析發(fā)現(xiàn)，配重比為1:1 時(shí)，在靜壓作用下軟管向上漂移，增加配重到1:1.5 時(shí)，軟管漂移能都得到控制，繼續(xù)增加配重到1:2，軟管的軌跡較配重為1:1.5 時(shí)變化不大，全撓性浮頂排水軟管安裝時(shí)，應(yīng)增加配重，配重比應(yīng)控制在1:1.5左右，此時(shí)軟管的移動(dòng)軌跡如圖9 所示。

2.3旋噴沖擊作用下軟管軌跡計(jì)算

旋噴沖擊作用下軟管軌跡計(jì)算，考慮重力、原油靜壓力、 原油浮力和旋噴射流沖擊力綜合作用下軟管變形 （圖10）， 分析分為：x向變形、y向變形、z向變形和總變形，坐標(biāo)方向標(biāo)示如圖7 所示。液位 5m，y向變形為 0.33m，x向變形為 0.34m，旋噴射流方向變形為0.48m， 總變形最大位置為0.55m； 液位 10m，y向變形為 0.26m，x向變形為0.11m，旋噴射流方向變形為0.11m，總變形最大位置為0.28m；液位大于15m，旋噴射流沖擊力作用對(duì)軟管軌跡影響較小。

圖9 配重比1:1.5 時(shí)軟管移動(dòng)軌跡

圖10 旋噴沖擊作用下不同液位時(shí)軟管變形云圖

2.4旋噴沖擊軟管應(yīng)力計(jì)算

旋噴沖擊作用增大軟管接頭受力， 圖11 為旋噴沖擊時(shí)不同液位軟管應(yīng)力云圖，撓性軟管的應(yīng)力值隨液位的升高而增大。液位為5m 時(shí)，軟管最大應(yīng)力位置為浮頂接頭，浮頂接頭最大應(yīng)力為32.4MPa， 罐壁接頭位置最大應(yīng)力為10.8MPa；液位為10m 時(shí)， 軟管最大應(yīng)力位置為浮頂接頭，罐壁接頭最大應(yīng)力為35.0MPa， 浮頂接頭位置最大應(yīng)力為48.0MPa；液位為15m 時(shí)，軟管最大應(yīng)力位置為浮頂接頭，罐壁接頭最大應(yīng)力為62.8MPa，浮頂接頭位置最大應(yīng)力為70.9MPa； 液位為20m時(shí)，軟管最大應(yīng)力位置為浮頂接頭，罐壁接頭最大應(yīng)力為102.0MPa， 浮頂接頭位置最大應(yīng)力為109.0MPa。

圖11 旋噴沖擊作用下不同液位時(shí)軟管應(yīng)力云圖

2.5旋噴動(dòng)壓控制分析

旋噴沖擊易造成軟管運(yùn)行軌跡偏移，旋噴和全撓性浮頂排水在設(shè)計(jì)、安裝過(guò)程中應(yīng)控制軟管所受旋噴沖擊壓力值，控制措施包括：控制旋噴的流量、位置，調(diào)整浮頂集水坑的位置、調(diào)整軟管安裝位置及軟管配重等。 旋噴動(dòng)壓控制分析，計(jì)算不同動(dòng)壓沖擊作用下軟管的偏移距離。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得不同液位軟管所能承受的最大沖擊壓力。

根據(jù)圖12 可以看出，當(dāng)液位為5m 時(shí)，沖擊壓力為500Pa，軟管偏移為 0.45m，沖擊壓力為1 000Pa，軟管偏移1.08m，沖擊壓力大于1 000Pa，軟管已經(jīng)開始失穩(wěn)漂移。液位5m 旋噴啟動(dòng)，必需控制沖擊壓力在1 000Pa 以下， 當(dāng)液位大于5m時(shí)，隨著液位高度的升高，軟管抗變形能力增大，沖擊壓力大于2 000Pa，軟管已經(jīng)開始失穩(wěn)漂移，因此，液位大于5m，旋噴啟動(dòng)，應(yīng)控制沖擊壓力在2 000Pa 以下。

圖12 旋噴沖擊作用下不同液位時(shí)軟管失穩(wěn)圖

3 結(jié)論

3.1罐內(nèi)動(dòng)壓呈半環(huán)形分布， 環(huán)形中間區(qū)域動(dòng)壓較小，浮頂排水系統(tǒng)應(yīng)盡量安裝在環(huán)形中間區(qū)域。

3.2液位大于5m， 旋噴射流和罐壁環(huán)向動(dòng)壓對(duì)排水穩(wěn)定性的影響較小，旋噴開啟液位高度應(yīng)控制在5m 以上。

3.3撓性軟管浮頂排水裝置安裝時(shí)， 應(yīng)增加配重，配重比應(yīng)控制在1:1.5 左右。

3.4旋噴沖擊作用增大軟管接頭受力，隨著液位的升高，軟管受力增大，液位20m 軟管最大應(yīng)力位置為浮頂接頭， 罐壁接頭最大應(yīng)力為102.0MPa，浮頂接頭位置最大應(yīng)力為109.0MPa。

3.5旋噴和撓性軟管浮頂排水在設(shè)計(jì)、安裝過(guò)程中應(yīng)控制軟管所受旋噴沖擊壓力值，最大沖擊壓力應(yīng)限制在1 000Pa 以內(nèi)， 故此應(yīng)控制旋噴流量和旋噴入口尺寸和壓力。