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(guó)石油華南化工銷售公司欽州調(diào)運(yùn)分公司，廣西 欽州535000；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司廣西石化公司儲(chǔ)運(yùn)中心，廣西 欽州 535008；）

設(shè)備與自控

芻議高溫?zé)嵊蛢?chǔ)罐結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)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(guó)石油華南化工銷售公司欽州調(diào)運(yùn)分公司，廣西 欽州535000；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司廣西石化公司儲(chǔ)運(yùn)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?chǔ)罐逐漸增多，儲(chǔ)存重油介質(zhì)溫度高達(dá)150～190℃左右，完全不同于常規(guī)成品油罐儲(chǔ)存的條件，對(duì)儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行提出了更高的要求。為確保高溫?zé)嵊蛢?chǔ)罐的安全運(yùn)行，有必要從儲(chǔ)存介質(zhì)性質(zhì)﹑儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)形式及儲(chǔ)罐日常操作的方式等方面進(jìn)行認(rèn)真研究，找出最佳方法，實(shí)現(xiàn)熱油罐系統(tǒng)的本質(zhì)安全運(yùn)行。

高溫?zé)嵊蛢?chǔ)罐；儲(chǔ)存溫度；應(yīng)力；罐底板防護(hù)； 阻火器

新建高溫?zé)嵊蛢?chǔ)罐（即設(shè)計(jì)溫度大于90℃小于260℃儲(chǔ)罐），基本上依據(jù)GB 50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》建造，但規(guī)范中僅對(duì)可能影響的部件（或部位）提出注意，并未進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，因此各設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)高溫儲(chǔ)罐時(shí)依據(jù)自己風(fēng)格設(shè)計(jì)。這就要求對(duì)儲(chǔ)罐一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)加以明確，儲(chǔ)罐建成后，在正式運(yùn)行過程中要針對(duì)性地建立與之適應(yīng)的操作方式。

1 高溫?zé)嵊蛢?chǔ)罐問題

對(duì)于高溫儲(chǔ)罐，最主要的是儲(chǔ)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?chǔ)罐一般為立式拱頂儲(chǔ)罐，直徑在30m以內(nèi)，容積在1萬m3左右，用于儲(chǔ)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(jì)效益，從多方面入手，狠抓內(nèi)部挖潛增效，其中對(duì)于常減壓裝置產(chǎn)出的減壓渣油，不采用減溫儲(chǔ)存，改為高溫儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)罐。

考慮減少占地面積等因素，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)罐新建基礎(chǔ)基本上采用外環(huán)梁結(jié)構(gòu)，對(duì)于高溫儲(chǔ)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(qiáng)隔熱層強(qiáng)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(chǔ)罐大型化趨勢(shì)，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(jì)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(duì)于鋼板而言薄而寬大受熱不均時(shí)，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(huì)產(chǎn)生不同的熱脹冷縮，受到拉應(yīng)力會(huì)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(huì)出現(xiàn)顯著的溫差，而鋼板在不同的溫度下，屈服強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化[2]。彈性模量在高溫時(shí)也會(huì)發(fā)生變化，鋼板會(huì)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(chǔ)罐的抗風(fēng)圈上部采用連續(xù)焊接，下部采用間斷焊，就會(huì)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(duì)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(chǔ)罐溫度限制與溫度測(cè)量

高溫儲(chǔ)罐實(shí)際操作溫度高于200℃時(shí)，必須對(duì)儲(chǔ)罐循環(huán)設(shè)計(jì)壽命評(píng)估。為了消除因罐內(nèi)介質(zhì)溫度超高對(duì)循環(huán)設(shè)計(jì)壽命的影響，高溫儲(chǔ)罐溫度一定要低于200℃以下進(jìn)行操作，工藝操作卡片要嚴(yán)格規(guī)定儲(chǔ)罐操作溫度。

高溫儲(chǔ)罐測(cè)溫通用做法是在罐體最低層板設(shè)有測(cè)溫儀表。這雖解決罐的測(cè)溫問題，但無法測(cè)罐壁各部位的溫度，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間放置的高溫儲(chǔ)罐，罐壁縱向之間會(huì)出現(xiàn)溫差，壁板間出現(xiàn)熱應(yīng)力加強(qiáng)。

為此在儲(chǔ)罐內(nèi)應(yīng)設(shè)置多點(diǎn)溫度計(jì)，目前多點(diǎn)平均溫度計(jì)可集成16個(gè)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(zhǔn)確測(cè)知罐內(nèi)油品的不同層溫度，以便采取手段確保儲(chǔ)罐內(nèi)渣油的溫度一致，消除溫差。

2.2 油品循環(huán)

油品儲(chǔ)存過程中不可避免地存在散熱情況，這就需要儲(chǔ)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部油品溫度較高，遠(yuǎn)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(chǔ)罐內(nèi)油品的辦法，消除加溫油品時(shí)油品的溫差，尤其是消除罐壁底層與罐底的溫差，避免儲(chǔ)罐溫度升高時(shí)，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(duì)于高溫儲(chǔ)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(chǔ)罐最低安全液位。儲(chǔ)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(chǔ)罐公稱直徑，m；t為罐壁底圈公稱厚度，m。

在儲(chǔ)罐運(yùn)行過程中還需及時(shí)保持罐液位在較高的位置，油品送出后及時(shí)補(bǔ)充，減少空置的時(shí)間間隔。

2.4 呼吸閥

高溫油罐儲(chǔ)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(chǔ)罐罐頂在付油時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓凹陷變形的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。按照SH 3007-1999規(guī)定，儲(chǔ)罐介質(zhì)的閃點(diǎn)（閉口）大于60℃時(shí)，應(yīng)用通氣管，閃點(diǎn)小于等于60℃時(shí)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(shí)，按SHS 01012-2004《常壓式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐維修檢修規(guī)程》規(guī)定，呼吸閥每3個(gè)月檢查一次，并宜定期標(biāo)定，對(duì)于低溫季節(jié)，每月進(jìn)行一次檢查，維修工作相當(dāng)大。對(duì)阻火器周期性檢查和清潔，會(huì)增加重新組裝時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性，使阻火器阻斷火焰作用失效。美國(guó)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(duì)渣油罐而言，其閃點(diǎn)（閉口）較高，4號(hào)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(cè)得沸程達(dá)1050K和1434K[3-4]，芳香烴分子比例在50%以上。由此可以根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，在高溫渣油儲(chǔ)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(chǔ)罐抽癟的現(xiàn)象發(fā)生。在使用時(shí)配套安裝緊急爆破人孔。

2.5 儲(chǔ)罐附屬管線撓度

2.5.1 儲(chǔ)罐管線徑向位移

儲(chǔ)罐附屬管線在運(yùn)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(chǔ)罐附屬管線為防震而設(shè)置的金屬軟管或波紋管解決儲(chǔ)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(bǔ)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(bǔ)償器）。一般采用的膨脹環(huán)深度是寬度的2倍，安裝時(shí)必須進(jìn)行預(yù)拉伸[6]。管線膨脹系數(shù)對(duì)碳鋼而言，溫度對(duì)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(dá)400℃以上。因此在計(jì)算管道膨脹量時(shí)，不僅要考慮正常情況下油品溫度，還應(yīng)將管線可能達(dá)到的最高溫度（蒸汽吹掃）造成的管線膨脹量進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

管道膨脹量計(jì)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(bǔ)償管線（所需補(bǔ)償管道固定支座間的距離）長(zhǎng)度，m；△T為溫差，℃。

2.5.2 儲(chǔ)罐管線橫向位移

解決儲(chǔ)罐的抗震溫度補(bǔ)償?shù)葐栴}，除大型儲(chǔ)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(shí)，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(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，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(bǔ)償位移，有利于放空殘液，一般長(zhǎng)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(duì)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(guó)外對(duì)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(gè)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(chǔ)罐一些附件在與罐壁﹑頂﹑底連接時(shí)，如不能全面緊密連接，就會(huì)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(huì)出現(xiàn)附件脫落或罐體本體受到損害。

對(duì)于與罐體連接的附件，應(yīng)按安裝要求認(rèn)真執(zhí)行，對(duì)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(duì)于罐壁與加強(qiáng)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(chǔ)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(jìn)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(shí)間風(fēng)吹日曬雨淋都會(huì)在表面出現(xiàn)微裂紋。對(duì)于高溫儲(chǔ)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(chǔ)油量的荷載引起罐體變形。當(dāng)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(kuò)張，結(jié)果在邊緣處發(fā)生變形，同時(shí)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(dāng)空罐時(shí)，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(chǔ)液高度﹑使用周期和時(shí)間的長(zhǎng)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(dāng)加大。據(jù)介紹大型儲(chǔ)罐（容積不小于105m3）在罐底邊緣板和罐壁交界處，應(yīng)力達(dá)到峰值。在與罐底板外側(cè)距離200mm處，應(yīng)力值達(dá)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(chǔ)罐運(yùn)行時(shí)罐底與相鄰壁板有著極大溫差，勢(shì)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(huì)造成防腐密封失效。國(guó)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(jìn)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(huì)有各種原因需要新增加開孔。焊接熱輸入一般可達(dá)100kJ·cm-1左右，有時(shí)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(shí)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(chǔ)油罐在運(yùn)行過程中，注意的要點(diǎn)是減少或消除儲(chǔ)罐各部位的溫差，盡量保證儲(chǔ)罐在多數(shù)情況下“滿罐”運(yùn)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(qiáng)度變化。

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

[1] 祝春強(qiáng)，屈威，劉亞賢.高溫儲(chǔ)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.

[2] API 650-2007 Welded Tank for Oil Storage[S].

[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(bào)，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(píng)價(jià)[J].石油與天然氣化工，2008，37(5)：398-399.

[5] SYT 4073-1994，儲(chǔ)罐抗震用金屬軟管和溫度補(bǔ)償器選用標(biāo)準(zhǔn)[S].

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

[7] 郭兆海.石油儲(chǔ)罐進(jìn)出口管段用抗震金屬軟管[J].管道技術(shù)與設(shè)備，1998(2)：30-32.

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[9] 張穹.波紋金屬軟管在儲(chǔ)油罐上的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2003，29(3)：29-32.

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

[11] 曲曉健，李玉坤，段冠，等.大型儲(chǔ)罐罐底及邊緣板應(yīng)力分析方法對(duì)比[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，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(chǔ)運(yùn)部，地址：云南省安寧市昆畹東路8號(hào)中國(guó)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