埕島油田海上結構一體化矩形儲油罐技術研究

魏亞敏

中石化石油工程設計有限公司，山東東營 257026

勝利埕島油田油氣生產外輸模式有三種：其一，以中心一號、二號及三號平臺為中心的埕島油田主體區(qū)域的各平臺所產油氣通過海底管道利用井口壓力混合輸送至中心平臺進行處理，處理后的低含水原油和天然氣分別增壓后管輸上岸；其二，以埕北30A平臺為中心的埕島油田東區(qū)，各平臺所產油氣通過海底管道利用井口壓力直接混合管輸上岸進陸地站場進行處理；其三，距離集輸管網較遠的邊際區(qū)塊，采用固定平臺與船拉油外輸相結合的生產模式。

埕島油田主體區(qū)域的中心平臺，作為管輸生產的油氣處理及外輸接轉站，其中已建的中心一號、中心二號平臺均設有2 000 m3事故罐。采用船拉油生產模式的邊際區(qū)塊如 CB32、CB246、CBG4平臺，均建有1 000～2 000 m3的臨時儲油罐以保證生產的連續(xù)運行。

目前埕島油田已建的大型儲油罐最大容量為2 000 m3，均為依據(jù)陸地模式建造的常規(guī)圓柱形立式結構的拱頂儲罐，受制于平面布局及安全等因素，需配套建設獨立的儲罐平臺，采用固定式四腿導管架結構形式。由于儲罐平臺為單層結構，受結構承載力所限兼顧經濟效益，容量不宜過大，因此有限的容量難以滿足連續(xù)性生產需要，且單層結構空間利用率低。

新型的生產儲油平臺是將生產平臺與儲罐平臺合二為一，可充分利用固定平臺結構特點，將平臺層間封閉形成密閉的矩形儲油罐，容量可達到10 000 m3甚至更大。采用這種新型的結構一體化矩形儲油罐可優(yōu)化平臺布局，降低建設成本，提高油田開發(fā)的經濟效益[1]。

大型油罐作為海上邊際油田船拉油生產模式中的臨時儲油罐及中心平臺管輸生產所需的事故油罐，具有較高的開發(fā)建設需求量。結合勝利埕島油田的地理位置、油氣產量、生產工藝等具體情況，對5 000 m3容量的矩形儲油罐進行了研究開發(fā)，涉及平臺的總體布局以及與儲油罐相關的平面布置、工藝安全、儲罐結構、平臺穩(wěn)定性分析等方面。

1 總體布局

中心平臺和船拉油平臺均為集油氣生產、人員生活于一體的大型綜合性平臺，此外中心平臺還兼具外輸泵站、污水處理站和注水站等功能，而拉油平臺均具備自發(fā)電功能，因此平臺上設施眾多，工藝復雜。從安全生產角度出發(fā)，生活區(qū)與儲油罐宜分離布置；同時平臺按功能分開設置可以減少單個平臺的重量，便于海上運輸及安裝。

基于以上原則，中心平臺一般由生活動力平臺和生產儲油平臺兩座獨立平臺組成，中間通過棧橋連接。而船拉油平臺都附帶井口，井口采油區(qū)可與生活動力平臺合建。中心平臺總體布局見圖1。

圖1 中心平臺總體布局

平臺采用導管架結構，其中生產儲油平臺主要布置有熱站、油氣處理、原油儲存、油氣外輸、污水處理、注水等生產設施，生活動力平臺主要布置生活樓、變配電設施、應急發(fā)電設施、中控室、消防設施等。

2 矩形儲油罐相關工藝及平面布置

儲油罐除需外輸泵增壓外輸外，還需配備循環(huán)加熱流程以確保罐內原油保持一定溫度。由于罐體較大，將儲罐分隔成兩部分以便于檢修。與罐內設置加熱盤管的方式相比，采用罐外循環(huán)加熱流程進行換熱的效果更好，也更便于對儲罐進行內部清理[2]。

根據(jù)《國際海上人命安全公約》（SOLAS公約）規(guī)定，萬噸以上的油輪必須設惰性氣體保護系統(tǒng)，據(jù)此目前國內已建的海上萬噸級以上油罐均設置了惰性氣體保護系統(tǒng)。由于本次矩形油罐容積僅為5 000 m3，同時所處位置為固定平臺而非油輪，相比較而言穩(wěn)定性較好，因此不再考慮設置惰性氣體保護系統(tǒng)。為避免油罐呼出氣體在罐頂積聚，罐內呼出氣體應引至平臺外安全區(qū)域。矩形儲油罐的生產工藝流程示意見圖2。

圖2 矩形儲油罐生產工藝流程示意

對于生產儲油平臺來說，5 000 m3儲油罐是平臺上體積最大的裝置，在設計上應優(yōu)先考慮其總體布置。按平臺低重心和安全操作原則，儲油罐應設置在底層甲板[3]。

根據(jù)設備布置需求，本項目中生產儲油平臺結構設計為3層，同時根據(jù)平臺總體承載力并結合儲罐結構，導管架設定為八腿結構。頂層甲板主要布置熱站、注水設施及公用設施，中層主要布置油氣處理、水處理及注水設施，底層甲板主要布置儲罐及相關設備。水面附近設置穿梭油輪靠泊和系纜裝置。平臺總體立面見圖3。

圖3 生產儲油平臺立面

導管架的設置需兼顧儲油罐尺寸，八腿導管架工作點間距離設定為（13 m+13 m+13 m）×21 m，儲油罐尺寸相應確定為39 m×21 m×7 m，有效儲油容積5 000 m3。底層與中層甲板之間層間距為10m，儲油罐頂部可保留凈高2m的空間用以布置管路以及提供檢修通道。底層甲板平面布置見圖4。

儲油罐的消防設置主要依靠泡沫炮對罐頂進行泡沫覆蓋，另外設泡沫槍撲救因油品泄漏產生的流散火。對罐壁采用水噴淋進行冷卻保護，防止儲罐周圍油氣設備火災對罐壁的影響。同時對罐壁、罐頂及罐底均采用A60級防火結構進行加強防護[4]。

3 儲罐結構

平臺與儲罐相結合的結構一體化設計，是以平臺的主體結構作為儲油罐的骨架結構，四周加設罐殼板形成封閉的矩形儲油罐。儲油罐底與底層甲板為共用結構，在底層甲板工字梁骨架上鋪設甲板構成罐底板。以兩層甲板之間的立柱和斜拉筋作為罐壁支撐，其間鑲嵌波紋板構成側壁板。罐頂為獨立結構，采用板架式結構形式[5]。

由于儲罐建造時的環(huán)境溫度與投產后的生產溫度有一定差距，由此產生的溫度應力變化將對儲罐及平臺結構產生影響。當冬季儲油罐內外溫差大時，溫度應力的影響會更加顯著。因此，減少儲罐溫度應力是平臺及儲罐結構設計的關鍵，解決途徑就是優(yōu)化罐體結構構造形式[6]。

圖4 底層甲板平面布置

3.1 罐壁板設計

對于罐壁板來說，薄則易于膨脹與收縮，受溫度應力的影響較小，但不能保證罐體的結構強度。反之如壁板太厚則結構強度增大，但受到的溫度應力也會加大，對結構的破壞力也隨之增強。因此，矩形儲油罐的壁板設計借鑒了大型油輪和散貨船的艙壁形式[6]。

大型油輪和散貨船的艙壁采用波紋板（結構剖面示意見圖5），具有抗局部拉伸應力強的特點。將其作為儲油罐的側壁，有助于增加側壁本身的抗側彎能力，也更有利于罐體受熱后向水平方向膨脹的釋放。同時通過設置槽鋼解決波紋板與立柱、拉筋的連接問題，即先在立柱、拉筋的圓管曲面上焊接上槽鋼，再將波紋板固定安裝在槽鋼內。這樣不僅便于波紋板與立柱、拉筋之間的焊接固定，也更有利于波紋板局部溫度應力的釋放。

圖5 波紋板結構剖面示意

3.2 罐底板和罐頂板設計

儲油罐罐底與底層甲板為共用結構，在底層甲板工字梁骨架上鋪設甲板構成罐底板。由于罐底板受熱膨脹時受到結構立柱水平約束的作用，底層甲板梁成為釋放溫度應力的主要構件。為緩解溫度應力對甲板梁的破壞作用，甲板梁采用相互正交的結構形式（見圖6），同時在溫度應力集中處做局部間斷處理，這樣可以有效地釋放溫度應力[6]。

圖6 罐底甲板梁結構示意

罐頂板與罐底板同為板架式結構，也可采用與罐底板相同的梁格正交形式，但由于溫度應力對罐頂板結構的影響比對罐底板要小，與罐底板相比其設計可做適當調整。

4 平臺穩(wěn)定性分析

生產儲油平臺在穿梭油輪靠泊或受到地震等外力作用時，平臺會出現(xiàn)一定的位移，儲罐內液體相應會出現(xiàn)整體晃動現(xiàn)象。罐內液體的晃動不僅會對儲罐結構本體造成損壞，可能還會進一步影響到平臺整體結構的安全性，因此關于儲罐內液體晃動對結構的影響需開展全面的分析和校核計算[7]。

ANSYS軟件能夠考慮罐內液體和罐外壁的固液耦合，模擬液體晃動對儲罐結構的影響，利用力學有限元分析方法，從而得到結構在所處的環(huán)境工況下的力學響應，為項目決策提供理論計算依據(jù)[8]。

5 結束語

結構一體化矩形儲油罐的應用，改變了以往海上平臺儲油罐采用陸地模式的設計思路，并且結合了不同行業(yè)的技術標準與規(guī)范。生產儲油平臺設計形式的發(fā)展，優(yōu)化了原有的平臺布局形式，提高了工程建設的經濟效益，在今后海上油田的開發(fā)中具有廣泛的應用前景。