魏亞敏

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營 257026

勝利埕島油田油氣生產(chǎn)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(chǎn)油氣通過海底管道利用井口壓力混合輸送至中心平臺進(jìn)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(chǎn)油氣通過海底管道利用井口壓力直接混合管輸上岸進(jìn)陸地站場進(jìn)行處理；其三，距離集輸管網(wǎng)較遠(yuǎn)的邊際區(qū)塊，采用固定平臺與船拉油外輸相結(jié)合的生產(chǎn)模式。

埕島油田主體區(qū)域的中心平臺，作為管輸生產(chǎn)的油氣處理及外輸接轉(zhuǎn)站，其中已建的中心一號、中心二號平臺均設(shè)有2 000 m3事故罐。采用船拉油生產(chǎn)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(shí)儲油罐以保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)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(jié)構(gòu)的拱頂儲罐，受制于平面布局及安全等因素，需配套建設(shè)獨(dú)立的儲罐平臺，采用固定式四腿導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式。由于儲罐平臺為單層結(jié)構(gòu)，受結(jié)構(gòu)承載力所限兼顧經(jīng)濟(jì)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(chǎn)需要，且單層結(jié)構(gòu)空間利用率低。

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

大型油罐作為海上邊際油田船拉油生產(chǎn)模式中的臨時(shí)儲油罐及中心平臺管輸生產(chǎn)所需的事故油罐，具有較高的開發(fā)建設(shè)需求量。結(jié)合勝利埕島油田的地理位置、油氣產(chǎn)量、生產(chǎn)工藝等具體情況，對5 000 m3容量的矩形儲油罐進(jìn)行了研究開發(fā)，涉及平臺的總體布局以及與儲油罐相關(guān)的平面布置、工藝安全、儲罐結(jié)構(gòu)、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(chǎn)、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(shè)施眾多，工藝復(fù)雜。從安全生產(chǎn)角度出發(fā)，生活區(qū)與儲油罐宜分離布置；同時(shí)平臺按功能分開設(shè)置可以減少單個(gè)平臺的重量，便于海上運(yùn)輸及安裝。

基于以上原則，中心平臺一般由生活動(dòng)力平臺和生產(chǎn)儲油平臺兩座獨(dú)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(dòng)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(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，其中生產(chǎn)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(chǎn)設(shè)施，生活動(dòng)力平臺主要布置生活樓、變配電設(shè)施、應(yīng)急發(fā)電設(shè)施、中控室、消防設(shè)施等。

2 矩形儲油罐相關(guān)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(nèi)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(nèi)設(shè)置加熱盤管的方式相比，采用罐外循環(huán)加熱流程進(jìn)行換熱的效果更好，也更便于對儲罐進(jìn)行內(nèi)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(shè)惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)，據(jù)此目前國內(nèi)已建的海上萬噸級以上油罐均設(shè)置了惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)。由于本次矩形油罐容積僅為5 000 m3，同時(shí)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(shè)置惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)。為避免油罐呼出氣體在罐頂積聚，罐內(nèi)呼出氣體應(yīng)引至平臺外安全區(qū)域。矩形儲油罐的生產(chǎn)工藝流程示意見圖2。

圖2 矩形儲油罐生產(chǎn)工藝流程示意

對于生產(chǎn)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(shè)計(jì)上應(yīng)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(yīng)設(shè)置在底層甲板[3]。

根據(jù)設(shè)備布置需求，本項(xiàng)目中生產(chǎn)儲油平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為3層，同時(shí)根據(jù)平臺總體承載力并結(jié)合儲罐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管架設(shè)定為八腿結(jié)構(gòu)。頂層甲板主要布置熱站、注水設(shè)施及公用設(shè)施，中層主要布置油氣處理、水處理及注水設(shè)施，底層甲板主要布置儲罐及相關(guān)設(shè)備。水面附近設(shè)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(chǎn)儲油平臺立面

導(dǎo)管架的設(shè)置需兼顧儲油罐尺寸，八腿導(dǎo)管架工作點(diǎn)間距離設(shè)定為（13 m+13 m+13 m）×21 m，儲油罐尺寸相應(yīng)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(shè)置主要依靠泡沫炮對罐頂進(jìn)行泡沫覆蓋，另外設(shè)泡沫槍撲救因油品泄漏產(chǎn)生的流散火。對罐壁采用水噴淋進(jìn)行冷卻保護(hù)，防止儲罐周圍油氣設(shè)備火災(zāi)對罐壁的影響。同時(shí)對罐壁、罐頂及罐底均采用A60級防火結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)[4]。

3 儲罐結(jié)構(gòu)

平臺與儲罐相結(jié)合的結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，是以平臺的主體結(jié)構(gòu)作為儲油罐的骨架結(jié)構(gòu)，四周加設(shè)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(jié)構(gòu)，在底層甲板工字梁骨架上鋪設(shè)甲板構(gòu)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(gòu)成側(cè)壁板。罐頂為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，采用板架式結(jié)構(gòu)形式[5]。

由于儲罐建造時(shí)的環(huán)境溫度與投產(chǎn)后的生產(chǎn)溫度有一定差距，由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力變化將對儲罐及平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。當(dāng)冬季儲油罐內(nèi)外溫差大時(shí)，溫度應(yīng)力的影響會更加顯著。因此，減少儲罐溫度應(yīng)力是平臺及儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，解決途徑就是優(yōu)化罐體結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式[6]。

圖4 底層甲板平面布置

3.1 罐壁板設(shè)計(jì)

對于罐壁板來說，薄則易于膨脹與收縮，受溫度應(yīng)力的影響較小，但不能保證罐體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。反之如壁板太厚則結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，但受到的溫度應(yīng)力也會加大，對結(jié)構(gòu)的破壞力也隨之增強(qiáng)。因此，矩形儲油罐的壁板設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)剖面示意見圖5），具有抗局部拉伸應(yīng)力強(qiáng)的特點(diǎn)。將其作為儲油罐的側(cè)壁，有助于增加側(cè)壁本身的抗側(cè)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(shí)通過設(shè)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(nèi)。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(yīng)力的釋放。

圖5 波紋板結(jié)構(gòu)剖面示意

3.2 罐底板和罐頂板設(shè)計(jì)

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

圖6 罐底甲板梁結(jié)構(gòu)示意

罐頂板與罐底板同為板架式結(jié)構(gòu)，也可采用與罐底板相同的梁格正交形式，但由于溫度應(yīng)力對罐頂板結(jié)構(gòu)的影響比對罐底板要小，與罐底板相比其設(shè)計(jì)可做適當(dāng)調(diào)整。

4 平臺穩(wěn)定性分析

生產(chǎn)儲油平臺在穿梭油輪靠泊或受到地震等外力作用時(shí)，平臺會出現(xiàn)一定的位移，儲罐內(nèi)液體相應(yīng)會出現(xiàn)整體晃動(dòng)現(xiàn)象。罐內(nèi)液體的晃動(dòng)不僅會對儲罐結(jié)構(gòu)本體造成損壞，可能還會進(jìn)一步影響到平臺整體結(jié)構(gòu)的安全性，因此關(guān)于儲罐內(nèi)液體晃動(dòng)對結(jié)構(gòu)的影響需開展全面的分析和校核計(jì)算[7]。

ANSYS軟件能夠考慮罐內(nèi)液體和罐外壁的固液耦合，模擬液體晃動(dòng)對儲罐結(jié)構(gòu)的影響，利用力學(xué)有限元分析方法，從而得到結(jié)構(gòu)在所處的環(huán)境工況下的力學(xué)響應(yīng)，為項(xiàng)目決策提供理論計(jì)算依據(jù)[8]。

5 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)一體化矩形儲油罐的應(yīng)用，改變了以往海上平臺儲油罐采用陸地模式的設(shè)計(jì)思路，并且結(jié)合了不同行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。生產(chǎn)儲油平臺設(shè)計(jì)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(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，在今后海上油田的開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用前景。