忻平?。ù髴c油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司）

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高寒地區(qū)低溫空載儲(chǔ)油罐安全保障措施評(píng)價(jià)

忻平（大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司）

大慶油田地處高寒地區(qū)，對(duì)于越冬后再投產(chǎn)的儲(chǔ)油罐，需要鋪設(shè)一定厚度珍珠巖進(jìn)行保溫，以避免惡劣的環(huán)境溫度對(duì)儲(chǔ)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(jì)性，對(duì)其保障措施進(jìn)行了評(píng)價(jià)。采用有限元方法對(duì)儲(chǔ)罐罐底鋪設(shè)不同厚度珍珠巖保溫層的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，以降溫時(shí)間10 h、罐底下表面中心節(jié)點(diǎn)的溫降結(jié)果作為評(píng)價(jià)保溫層保溫效果的依據(jù)，同時(shí)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(fèi)用，優(yōu)選確定儲(chǔ)罐罐底珍珠巖保溫層的最佳厚度為5～10 cm。

低溫空載；儲(chǔ)油罐；珍珠巖；保溫效果；評(píng)價(jià)

大慶油田地處北方高寒地區(qū)，冬季最低氣溫可達(dá)到-35℃，原油儲(chǔ)罐冬季運(yùn)行過程的安全性和經(jīng)濟(jì)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(chǔ)存上［1］；另一方面，儲(chǔ)罐在冬季運(yùn)行，尤其是空罐越冬過程中罐體結(jié)構(gòu)的安全性也是儲(chǔ)罐安全、平穩(wěn)運(yùn)行的重要方面［2-3］。根據(jù)儲(chǔ)油罐的建設(shè)要求和油庫的生產(chǎn)規(guī)劃，新建成的儲(chǔ)油罐和需要檢修的在役儲(chǔ)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(jìn)行保溫，以避免惡劣的環(huán)境溫度對(duì)儲(chǔ)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(jì)性，需要對(duì)其保障措施進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1　儲(chǔ)罐熱分析

1.1模型建立

儲(chǔ)油罐在正常工作時(shí)，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(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行整體熱分析時(shí)，忽略接管等局部結(jié)構(gòu)的影響，整個(gè)儲(chǔ)罐可視為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(gè)罐體的一個(gè)平面為研究對(duì)象，建模時(shí)采用軸對(duì)稱模型建模，取縱向剖面一半進(jìn)行分析，建立了圖1所示的軸對(duì)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(chǔ)罐有限元模型

1.2載荷及邊界條件

1）載荷。儲(chǔ)油罐內(nèi)溫度取為-20/-40℃，保溫層外側(cè)溫度取為-30/-60℃，對(duì)儲(chǔ)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(dǎo)；空氣與保溫層、空氣與壁板之間為熱對(duì)流。

2　計(jì)算工況

超大型15×104m3立式浮頂儲(chǔ)罐保溫材料熱分析中考慮儲(chǔ)罐空載越冬承受的載荷主要為溫度載荷，針對(duì)大慶油田南三油庫18#空罐的實(shí)際保溫材料使用狀況，在環(huán)境溫度為-30℃時(shí)，對(duì)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(chǔ)罐進(jìn)行數(shù)值模擬，應(yīng)用ANSYS瞬態(tài)分析，計(jì)算其熱應(yīng)力場分布狀況。根據(jù)北方冬季實(shí)際情況，取降溫時(shí)間為10 h，提取罐底下表面中心節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)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(dāng)珍珠巖厚度為0.025 m時(shí)，罐底下表面中心節(jié)點(diǎn)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(dāng)珍珠巖厚度為0.05 m時(shí)，罐底下表面中心節(jié)點(diǎn)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(dāng)珍珠巖厚度為0.075 m時(shí)，罐底下表面中心節(jié)點(diǎn)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(dāng)珍珠巖厚度為0.1 m時(shí)，罐底下表面中心節(jié)點(diǎn)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(dāng)珍珠巖厚度為0.2 m時(shí)，罐底下表面中心節(jié)點(diǎn)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(jì)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，溫降值逐漸減小；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(jì)性，選擇珍珠巖進(jìn)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(jìn)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(chǔ)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(xué)，2013.

［2］楊林.高寒地區(qū)原油儲(chǔ)罐保溫材料時(shí)效性測(cè)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(chǔ)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(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006，52-65.

（編輯賈洪來）

《能源研究與利用》（雙月刊）郵發(fā)代號(hào)：28-150大16開56頁定價(jià)：10.00元全年：60.00元南京市白下區(qū)首蓿園大街52號(hào)郵編：210007歡迎廣大讀者訂閱

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忻平，工程師，2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)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(chǔ)運(yùn)銷售分公司基建管理中心，163453。

2015-12-05