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高寒地區(qū)低溫空載儲油罐安全保障措施評價

忻平（大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司）

大慶油田地處高寒地區(qū)，對于越冬后再投產(chǎn)的儲油罐，需要鋪設(shè)一定厚度珍珠巖進行保溫，以避免惡劣的環(huán)境溫度對儲罐基礎(chǔ)的安全可靠性造成不良影響。為了明確珍珠巖保溫層的安全性和經(jīng)濟性，對其保障措施進行了評價。采用有限元方法對儲罐罐底鋪設(shè)不同厚度珍珠巖保溫層的溫度場進行數(shù)值模擬，以降溫時間10 h、罐底下表面中心節(jié)點的溫降結(jié)果作為評價保溫層保溫效果的依據(jù)，同時結(jié)合罐內(nèi)鋪設(shè)保溫材料施工的難易程度和保溫材料的鋪設(shè)費用，優(yōu)選確定儲罐罐底珍珠巖保溫層的最佳厚度為5～10 cm。

低溫空載；儲油罐；珍珠巖；保溫效果；評價

大慶油田地處北方高寒地區(qū)，冬季最低氣溫可達到-35℃，原油儲罐冬季運行過程的安全性和經(jīng)濟性是生產(chǎn)管理所關(guān)注的主要問題，該問題一方面體現(xiàn)在大慶油田高含蠟原油的安全儲存上［1］；另一方面，儲罐在冬季運行，尤其是空罐越冬過程中罐體結(jié)構(gòu)的安全性也是儲罐安全、平穩(wěn)運行的重要方面［2-3］。根據(jù)儲油罐的建設(shè)要求和油庫的生產(chǎn)規(guī)劃，新建成的儲油罐和需要檢修的在役儲油罐均有可能越冬后再投產(chǎn)，需要鋪設(shè)一定厚度珍珠巖進行保溫，以避免惡劣的環(huán)境溫度對儲罐基礎(chǔ)的安全可靠性造成不良影響，為了明確珍珠巖保溫層的安全性和經(jīng)濟性，需要對其保障措施進行評價。

1　儲罐熱分析

1.1模型建立

儲油罐在正常工作時，外壁保溫層與外界環(huán)境溫度相同，內(nèi)部與室內(nèi)環(huán)境溫度相同可簡化成穩(wěn)態(tài)溫度場問題。對儲罐進行整體熱分析時，忽略接管等局部結(jié)構(gòu)的影響，整個儲罐可視為軸對稱結(jié)構(gòu)。儲罐的基礎(chǔ)參數(shù)按前述內(nèi)容確定。

按照穩(wěn)態(tài)溫度場分析理論［4］，各部件的溫度分布規(guī)律與時間無關(guān)，僅與各部件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料和熱邊界條件有關(guān)。為此，根據(jù)儲油罐的結(jié)構(gòu)，把壁板、底板、邊緣板、大角焊縫、保溫材料綜合考慮，選擇整個罐體的一個平面為研究對象，建模時采用軸對稱模型建模，取縱向剖面一半進行分析，建立了圖1所示的軸對稱穩(wěn)態(tài)溫度場分析的模型。其有限元模型見圖2，由于罐體壁厚、底板厚度與整體尺寸相比太小，圖中罐壁厚度截面呈現(xiàn)為一條直線。

圖2　儲罐有限元模型

1.2載荷及邊界條件

1）載荷。儲油罐內(nèi)溫度取為-20/-40℃，保溫層外側(cè)溫度取為-30/-60℃，對儲罐結(jié)構(gòu)施加溫度載荷。

2）邊界條件。保溫層與壁板之間為熱傳導；空氣與保溫層、空氣與壁板之間為熱對流。

2　計算工況

超大型15×104m3立式浮頂儲罐保溫材料熱分析中考慮儲罐空載越冬承受的載荷主要為溫度載荷，針對大慶油田南三油庫18#空罐的實際保溫材料使用狀況，在環(huán)境溫度為-30℃時，對鋪有厚度分別為0.025 m、0.05 m、0.075 m、0.1 m、0.2 m的珍珠巖保溫層儲罐進行數(shù)值模擬，應(yīng)用ANSYS瞬態(tài)分析，計算其熱應(yīng)力場分布狀況。根據(jù)北方冬季實際情況，取降溫時間為10 h，提取罐底下表面中心節(jié)點的溫度隨時間的變化情況，確定不同厚度保溫層的保溫效果。

3　結(jié)果分析

1）珍珠巖厚度0.025 m，環(huán)境溫度-30℃。當珍珠巖厚度為0.025 m時，罐底下表面中心節(jié)點的溫度在10 h內(nèi)由-10℃下降到-14.7℃，溫降值為4.7℃。10 h后，最低溫度為-20.176℃，出現(xiàn)在罐壁處，最高溫度為-14.597℃，出現(xiàn)在罐底板靠近罐心處。

2）珍珠巖厚度0.05 m，環(huán)境溫度-30℃。當珍珠巖厚度為0.05 m時，罐底下表面中心節(jié)點的溫度在10 h內(nèi)由-10℃下降到-12.5℃，溫降值為2.5℃。10 h后，最低溫度為-20.176℃，出現(xiàn)在罐壁處，最高溫度為-12.481℃，出現(xiàn)在罐底板靠近罐心處。

3）珍珠巖厚度0.075 m，環(huán)境溫度-30℃。當珍珠巖厚度為0.075 m時，罐底下表面中心節(jié)點的溫度在10 h內(nèi)由-10℃下降到-11.44℃，溫降值為1.44℃。10 h后，最低溫度為-20.176℃，出現(xiàn)在罐壁處，最高溫度為-11.419℃，出現(xiàn)在罐底板靠近罐心處。

4）珍珠巖厚度0.1 m，環(huán)境溫度-30℃。當珍珠巖厚度為0.1 m時，罐底下表面中心節(jié)點的溫度在10 h內(nèi)由-10℃下降到-10.8℃，溫降值為0.8℃。10 h后，最低溫度為-20.176℃，出現(xiàn)在罐壁處，最高溫度為-10.785℃，出現(xiàn)在罐底板靠近罐心處。

5）珍珠巖厚度0.2 m，環(huán)境溫度-30℃。當珍珠巖厚度為0.2 m時，罐底下表面中心節(jié)點的溫度在10 h內(nèi)由-10℃下降到-10.038℃，溫降值為0.038℃。10 h后，最低溫度為-20.176℃，出現(xiàn)在罐壁處，最高溫度為-10.038℃，出現(xiàn)在罐底板靠近罐心處。

根據(jù)工況1～5的計算結(jié)果，繪制保溫層厚度與溫降值的曲線，如圖3所示。

圖3　保溫層厚度—溫降曲線

4　結(jié)論

隨著保溫層厚度的增加，溫降值逐漸減??；保溫層厚度越大，保溫效果越好?？紤]到罐內(nèi)鋪設(shè)保溫材料施工的難易程度和保溫材料的經(jīng)濟性，選擇珍珠巖進行罐底板保溫效果最好，但保溫材料鋪設(shè)也不宜過厚，保持在5～10 cm最佳，進一步增大保溫厚度，保溫效果增加并不明顯，但保溫投資卻顯著增大。

［1］趙健.高寒地區(qū)原油儲存過程中的傳熱問題研究及工藝方案優(yōu)化［D］.大慶：東北石油大學，2013.

［2］楊林.高寒地區(qū)原油儲罐保溫材料時效性測試與分析［J］.石油石化節(jié)能，2015，5（7）：49-50.

［3］郭俊杰.大型非錨固原油儲罐低溫越冬應(yīng)力分析［J］.油氣田地面工程，2010，29（7）：22-24.

［4］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，2006，52-65.

（編輯賈洪來）

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.020

忻平，工程師，2005年畢業(yè)于大慶石油學院，從事油田基本建設(shè)和土地管理工作，E-mail：xinping@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)奔二村大慶油田儲運銷售分公司基建管理中心，163453。

2015-12-05