儲罐人孔盲板試壓裝置的設計及應用

趙釗，王雯，李世奇，黃軍本

（中石油管道有限責任公司西部甘肅輸油氣分公司， 甘肅 蘭州 730030）

目前國內(nèi)5000方及以上立式金屬儲罐的設計中，在最底層的罐壁板上，通常設計有2-3個人孔。在儲罐檢修期間，人孔是檢修人員、物料及工器具等進出儲罐的唯一通道。儲罐檢修結(jié)束后，在儲罐投運過程中，罐壁人孔盲板需承受儲罐所承裝油品的靜壓力。受人孔盲板密封墊片質(zhì)量、密封面環(huán)境腐蝕、密封面機械損傷以及安裝質(zhì)量等外在因素的影響，儲罐人孔盲板在投運過程中，存在泄漏的風險。儲罐投運后人孔盲板一旦出現(xiàn)密封失效，將導致發(fā)生油品外漏事故，需要重新對儲罐內(nèi)油品進行轉(zhuǎn)運，甚至重新清罐來進行處理，這將造成巨大的經(jīng)濟損失。新建儲罐在投運前，通過向儲罐內(nèi)注入設計容積的清水進行沉降試驗，同時完成儲罐人孔盲板的水壓試驗。以10萬方的原油儲罐為例，開展一次水壓試驗的直接經(jīng)濟成本超過30萬元以上。鑒于維修成本等因素，目前國內(nèi)油氣儲運行業(yè)所使用的儲罐在周期性大修結(jié)束后，通常不再對人孔盲板密封性能進行水壓試驗。根據(jù)行業(yè)調(diào)查，國內(nèi)目前沒有注水試壓之外的其它試壓裝置，故未經(jīng)過水壓試驗的人孔盲板，在儲罐周期性大修后的投運過程中，存在著泄漏的風險。

西部管道公司所轄場站1萬方及以上儲罐共有110余座，自2017年開始，已進入儲罐大修高峰期。為保障周期性大修后儲罐人孔盲板密封面的可靠性，迫切需要研制一種操作簡便、安全可靠、攜帶輕便、通用性和推廣性強且對儲罐本體無傷害的儲罐人孔盲板專用試壓裝置。

1 試壓裝置的設計

1.1 結(jié)構(gòu)論證及設計

以西部管道公司數(shù)量最多的10萬方原油儲罐尺寸為模型，開展側(cè)壁式人孔盲板試壓裝置的設計。儲罐人孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。儲罐罐外人孔盲板處受儲罐外保溫層、盲板連接螺栓等的影響，可利用的空間非常狹小，設計安裝試壓裝置難度較大，故試壓裝置選擇在儲罐內(nèi)部人孔圓筒上進行設計安裝。圓筒內(nèi)徑610mm，深度244mm，空間可滿足試壓裝置的設計和安裝。

圖1 儲罐側(cè)壁式人孔盲板結(jié)構(gòu)示意圖

試壓裝置需安裝在人孔圓筒上，和圓筒內(nèi)壁、盲板以及試壓裝置共同形成密封腔體，來實現(xiàn)試壓功能。試壓過程中，試壓裝置必須克服試壓介質(zhì)形成的反推力，在不對儲罐本體造成影響的前提下，反推力必須利用儲罐人孔圓筒來實現(xiàn)平衡。綜合考慮反推力及裝置安裝攜帶輕便的需求，裝置設計為環(huán)形密封腔體，設計徑向方向的頂絲和人孔圓筒內(nèi)壁之間的摩擦力，平衡試壓介質(zhì)的反推力。結(jié)構(gòu)設想如圖2所示。

圖2 儲罐側(cè)壁式人孔盲板結(jié)構(gòu)示意圖

試壓裝置整體分為環(huán)形密封腔和周向固定裝置兩部分。環(huán)形密封腔前端和盲板之間使用密封件Ⅰ實現(xiàn)密封，密封室后端外邊緣和人孔圓筒內(nèi)壁之間使用密封件Ⅱ?qū)崿F(xiàn)密封。周向固定裝置利用周向頂緊螺栓固定在圓筒內(nèi)壁形成的摩擦力來平衡試壓過程中介質(zhì)對試壓裝置產(chǎn)生的反推力，利用圓形銅合金墊塊來避免頂絲對圓筒內(nèi)壁造成損傷。

1.2 設計計算

根據(jù)模型和現(xiàn)場尺寸，設計試壓裝置如圖3所示。

圖3 儲罐側(cè)壁式人孔盲板試壓裝置結(jié)構(gòu)圖

由于該試壓裝置整體采用45#鍛鋼進行設計加工，裝置試壓不超過0.3MPa，故裝置的強度完全滿足試壓要求，所以只進行裝置承受試壓介質(zhì)反推力的計算。

（1）試壓裝置承受的反推力計算：

以10萬方原油儲罐人孔為例進行計算：介質(zhì)反推力F1=P（壓強）×S（受力面積）

按照儲罐最高設計液位20m計算，具體試壓參照1.1倍設計壓力，則壓強：

P=1.1×0.2MPa=0.22MPa；

受力面積S=π[(D/2)2-(d/2)2]=3.14×[(610/2)2-(510/2)2]=87920mm2；

介質(zhì)反推力F1=P（壓強）×S（受力面積）=0.22×106×87920×10-6=19342N；

（2）周向固定裝置可提供的摩擦力計算：

周向固定裝置采用M16等級8.8的螺栓螺栓。

其中合金鋼螺栓預緊力F0=(0.5～0.6)σsAs

式中：σs(=640)，表示材料的屈服點，單位MPa；As(=157)表示螺栓的有效截面積，單位mm2；則：

F0=0.55×640×157=55264N；

鋼和銅的摩擦系數(shù)μ為0.1～0.2，按照最小值取0.1計算，即：

每個螺栓產(chǎn)生的摩擦力F3=μF0=0.1×55264=5526.4N；

1 2 個 螺 栓 的 總 摩 擦 力 為F2=12×F3=12×5526.4=66316.8N

（3）根據(jù)上述計算得出F2為F1的3.43倍，故周向固定裝置完全可以平衡試壓介質(zhì)產(chǎn)生的反推力。

2 現(xiàn)場試驗及使用

2.1現(xiàn)場安裝及使用

（1）將人孔和人孔盲板密封面進行除銹、清理、制作石棉墊片，然后將人孔盲板按投產(chǎn)要求進行安裝。

（2）將本試壓裝置、打壓泵及附屬管線、試壓清水等轉(zhuǎn)運到罐內(nèi)待用，并將人孔圓筒內(nèi)壁檢查處理。

（3）先將O型圈Ⅱ安裝在環(huán)形密封室后端面和密封壓緊板之間，使其處于放松狀態(tài)，再將O型圈Ⅰ安裝在環(huán)形密封室前端面，然后將環(huán)形密封室組合件整體推入人孔圓筒至盲板內(nèi)平面。

（4）將周向固定裝置推入人孔圓筒至環(huán)形密封室組件端面，隨后周向均勻緊固緊頂螺釘，使周向固定裝置可靠固定。

（5）調(diào)節(jié)周向固定裝置上設計的水平頂緊螺釘，360°均勻緊固，使環(huán)形密封室的O型圈Ⅰ、O型圈Ⅱ達到預壓密封效果。

（6）將試壓泵及附件與人孔盲板試壓裝置連接好，在試壓泵內(nèi)倒入水，操作試壓泵向人孔盲板試壓裝置內(nèi)注水。

（7）注水時，當環(huán)形密封室內(nèi)注滿水時進行排氣，排氣完畢后對環(huán)形密封室進行打壓0.22MPa，保壓15分鐘。穩(wěn)壓期間觀察罐外人孔盲板石棉墊密封處，應無滲漏，觀察壓力表指示，壓力無下降。

（8）現(xiàn)場試壓見圖4，試壓完畢后，泄壓拆除。

2.2 使用情況

西部管道公司所轄蘭州儲備庫10萬方G1018儲

圖4 試壓裝置現(xiàn)場操作

罐大修完成后，在投產(chǎn)前使用試壓裝置對三個側(cè)壁式人孔盲板均進行了密封性試驗。試驗效果良好，達到了預期設想。隨后在其余兩具儲罐投產(chǎn)前進行了應用，并對試壓裝置可使用的極限壓力進行了測試，試驗表明壓力不大于0.4MPa時，裝置密封性能良好。

3 結(jié)束語

此研究成果的成功應用，降低了儲罐投運后罐壁人孔盲板發(fā)生滲漏的安全風險。該裝置操作簡單，經(jīng)濟性好，安全性高，對儲罐本體無任何損傷，填補了國內(nèi)油氣儲運行業(yè)這一技術需求的空白，具有較高的推廣價值。

◆參考文獻

[1] 成大先主編. 機械設計手冊（第六版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2016.

[2] SH/T 3007-2014，石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(guī)范[S].

[3] GB 50341-2014，立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范[S].