刍议高温热油储罐结构形式与运行方式

屈晓禾，刘亚贤，屈 威

（1.中石油云南石化有限公司，云南省安宁市 邮编 650399；2. 中国石油华南化工销售公司钦州调运分公司，广西 钦州535000；3.中国石油天然气集团公司广西石化公司储运中心，广西 钦州 535008；）

设备与自控

刍议高温热油储罐结构形式与运行方式

屈晓禾1，刘亚贤2，屈 威3

（1.中石油云南石化有限公司，云南省安宁市 邮编 650399；2. 中国石油华南化工销售公司钦州调运分公司，广西 钦州535000；3.中国石油天然气集团公司广西石化公司储运中心，广西 钦州 535008；）

随着渣油加氢工艺技术的应用，为节能增效，炼油企业高温热油储罐逐渐增多，储存重油介质温度高达150～190℃左右，完全不同于常规成品油罐储存的条件，对储罐的安全运行提出了更高的要求。为确保高温热油储罐的安全运行，有必要从储存介质性质﹑储罐结构形式及储罐日常操作的方式等方面进行认真研究，找出最佳方法，实现热油罐系统的本质安全运行。

高温热油储罐；储存温度；应力；罐底板防护； 阻火器

新建高温热油储罐（即设计温度大于90℃小于260℃储罐），基本上依据GB 50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》建造，但规范中仅对可能影响的部件（或部位）提出注意，并未进行严格的规定，因此各设计单位在设计高温储罐时依据自己风格设计。这就要求对储罐一些设计细节加以明确，储罐建成后，在正式运行过程中要针对性地建立与之适应的操作方式。

1 高温热油储罐问题

对于高温储罐，最主要的是储罐设备材料的热效应问题﹑罐基础热损及附件的温差梯度问题。

1.1 罐基础

高温热油储罐一般为立式拱顶储罐，直径在30m以内，容积在1万m3左右，用于储存重质油品，如常减压装置的减压渣油等。近年来炼油企业为保证经济效益，从多方面入手，狠抓内部挖潜增效，其中对于常减压装置产出的减压渣油，不采用减温储存，改为高温储存，再供下游装置热料，减少能耗就是一大举措。

为保证罐内介质温度稳定，高温储罐加热系统均采用加温蒸汽，有的地方已使用了中压蒸汽加温。这就要求高温热油罐结构上其基础形式有别于正常储罐。

考虑减少占地面积等因素，国内储罐新建基础基本上采用外环梁结构，对于高温储罐考虑罐底绝缘层受热影响等因素，一般较常见罐基础增加了通风孔道﹑加强隔热层强度[1]。这解决了基础防潮﹑罐底板受高温变形等问题，但同样存在热损，目前情况下解决罐底板热效应问题为最佳方式。

1.2 罐底与罐壁钢板的热效应

钢制油罐罐底，随着储罐大型化趋势，均带有环形边缘板，GB 50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》要求罐底板均匀支撑，底板焊接采用搭接或对接焊接（D＞30m），由于边缘板加厚使之与罐壁厚相接近，故厚度大于中幅板。对于钢板而言薄而宽大受热不均时，临高温面急速膨胀而拉伸，迫使临低温面被压缩，如周边钢材厚度不同，就会产生不同的热胀冷缩，受到拉应力会产生应变，发生不同程度变形，出现边缘板弯曲翘曲现象（发生了局部塑性变形）。高温罐如存在升温的情况，罐底与罐壁最底层会出现显著的温差，而钢板在不同的温度下，屈服强度会发生变化[2]。弹性模量在高温时也会发生变化，钢板会产生一定量弹性变形（在高温下钢板壁厚的许用应力需要修正）。

1.3 罐附件与罐体的温差

罐体附件由于焊接要求，如储罐的抗风圈上部采用连续焊接，下部采用间断焊，就会因与罐壁接触程度不同，附件各部位与高温罐壁的热传导程度不同，出现钢材受热不均，对罐壁产生附加拉应力，出现部分附件与罐体焊接开裂现象。

2 消除方法

2.1 储罐温度限制与温度测量

高温储罐实际操作温度高于200℃时，必须对储罐循环设计寿命评估。为了消除因罐内介质温度超高对循环设计寿命的影响，高温储罐温度一定要低于200℃以下进行操作，工艺操作卡片要严格规定储罐操作温度。

高温储罐测温通用做法是在罐体最低层板设有测温仪表。这虽解决罐的测温问题，但无法测罐壁各部位的温度，对于长时间放置的高温储罐，罐壁纵向之间会出现温差，壁板间出现热应力加强。

为此在储罐内应设置多点温度计，目前多点平均温度计可集成16个温度探头，在高温罐可按“1英尺法”将温度探头设于每层壁板底部以上0.3m处（1ft），准确测知罐内油品的不同层温度，以便采取手段确保储罐内渣油的温度一致，消除温差。

2.2 油品循环

油品储存过程中不可避免地存在散热情况，这就需要储罐使用罐内加热系统升高温度，而加热系统结构决定加热时，会出现局部油品温度较高，远离加热器的油品温度相比偏低，可采用罐壁安置侧向搅拌器搅拌或利用循环泵视情况循环储罐内油品的办法，消除加温油品时油品的温差，尤其是消除罐壁底层与罐底的温差，避免储罐温度升高时，出现不同的热膨胀和温度周期变化等产生的热效应现象。

2.3 最低液位的确定

对于高温储罐最低液位的设置，不能按照送料泵开启15min内不抽空的油品液位高度为储罐最低安全液位。储罐内热油介质要保持一定的液位，可按公式(1)保持：

其中：h为液位高度；d为储罐公称直径，m；t为罐壁底圈公称厚度，m。

在储罐运行过程中还需及时保持罐液位在较高的位置，油品送出后及时补充，减少空置的时间间隔。

2.4 呼吸阀

高温油罐储存渣油等重质油品，因油品油雾凝结于阻火器金属网上，造成通路窄小或堵塞，致使储罐罐顶在付油时产生负压凹陷变形的现象时有发生。按照SH 3007-1999规定，储罐介质的闪点（闭口）大于60℃时，应用通气管，闪点小于等于60℃时应将呼吸阀与阻火器配套使用。但在使用呼吸阀与阻火器时，按SHS 01012-2004《常压式圆筒形钢制焊接储罐维修检修规程》规定，呼吸阀每3个月检查一次，并宜定期标定，对于低温季节，每月进行一次检查，维修工作相当大。对阻火器周期性检查和清洁，会增加重新组装时产生错误的可能性，使阻火器阻断火焰作用失效。美国API std 2000-2000表明，安装呼吸阀具有真空阀作用后，可以作为阻火器的替代，没必要再考虑安装阻火器。API RP2210 Flare arresters for vents of tank string petroleum products，IDT中不建议安装阻火器。

对渣油罐而言，其闪点（闭口）较高，4号燃料油就在55℃以上。另外，根据介绍，沙轻﹑沙中和哈萨克斯坦减压渣油，经SFEF测得沸程达1050K和1434K[3-4]，芳香烃分子比例在50%以上。由此可以根据当地实际情况，在高温渣油储罐上采用通气管装置或只设呼吸阀不用阻火器，可以有效防止因阻火器堵塞造成储罐抽瘪的现象发生。在使用时配套安装紧急爆破人孔。

2.5 储罐附属管线挠度

2.5.1 储罐管线径向位移

储罐附属管线在运行中存在着温变情况，相应的管线热胀冷缩情况经常发生，按规范规定，储罐附属管线为防震而设置的金属软管或波纹管解决储罐横向位移[5]，而径向位移由罐区工艺管线解决。

通常的管线径向膨胀补偿作法是在罐区内，将工艺管线设置膨胀环（或称弯管补偿器）。一般采用的膨胀环深度是宽度的2倍，安装时必须进行预拉伸[6]。管线膨胀系数对碳钢而言，温度对其影响较大，由于管线输送介质为易凝渣油，在生产操作完成后，为防止油品凝结，通常作法是用蒸汽将其吹扫至扫线罐。而在高温油罐区为了油品加温需要已有采用中压蒸汽的作法，其温度可达400℃以上。因此在计算管道膨胀量时，不仅要考虑正常情况下油品温度，还应将管线可能达到的最高温度（蒸汽吹扫）造成的管线膨胀量进行补偿设计。

管道膨胀量计算:

其中：x 为管道膨胀量，mm；a为管线膨胀系数，碳钢100以下0.0149mm·m-1，碳钢200℃以下0.058mm·m-1，300℃以下0.0173 mm·m-1；L为补偿管线（所需补偿管道固定支座间的距离）长度，m；△T为温差，℃。

2.5.2 储罐管线横向位移

解决储罐的抗震温度补偿等问题，除大型储罐外（10万m3以上），一般采用带钢带网套编制的金属波纹软管，原因之一是避免产生共振[7]。其出现的损坏情况，基本上是由于安装不规范造成的。在安装时，一定要保证与管道的同轴度，偏差不大于±5mm，上下或左右的偏差位移角度为±0.1°，不能扭转安装，因其是不吸收扭矩的。金属软管一定不得采用含氯的保温材料，进行水压试验时，水中氯离子含量也不得超过25×10-6。金属软管始终处于自然水平状态。

2.5.3 消防管线安装

消防管常见的安装方式[8]在垂直面内45°位置安装，目的是多向补偿位移，有利于放空残液，一般长度800～1200mm。这种安装方式容易在安装过程中造成金属软管超出最小弯曲半径[9]。在相关的GB 50151中对消防管线有明确要求，在罐区内的消防金属管道不能限制其上下位移。国外对罐区消防管线使用的金属软管安装位置有明确要求，安装位置至少在距一个罐直径之外，但任何情况下不低于15m。消防管线和金属软管安装目的是解决上下位置，因此应水平安装。

2.6 附件设施

高温储罐一些附件在与罐壁﹑顶﹑底连接时，如不能全面紧密连接，就会出现附件与罐体之间出现温差梯度，结果出现膨胀量不同，产生拉压应力。一旦超出许用应力，会出现附件脱落或罐体本体受到损害。

对于与罐体连接的附件，应按安装要求认真执行，对于一些附件，如罐壁与盘梯之间，可以将盘梯腿与罐壁接触处加焊垫板，增加接触面积，减少或消除两者之间温差。

对于罐壁与加强圈之间，按规定要求[10]，抗风圈与罐壁的连接在上侧应采用连续焊，下侧可采用间断焊。这样的作法潜在地存在因钢材的热导面积不同产生构件间温差，为消除这一现象，可采取连接件间加注导热胶泥等办法，保证构件间的受热均匀。

2.7 滴水环和防水设置

储罐边缘板防腐密封，目前有采用DTPU﹑橡胶沥青或环氧玻璃布进行防水，柔性高温（聚酯泡粒）矿脂防腐胶泥配粘弹密封胶带等等方法，但经过一定时间风吹日晒雨淋都会在表面出现微裂纹。对于高温储罐来说，最主要的是罐的基座与罐体底板结合的部位，随着环境主要是温度的变化使底板径向发生伸缩；再有储油量的荷载引起罐体变形。当油罐收液后，罐底和罐壁均受液柱压力的作用，底板的中间部分主要是产生很大的不均匀沉降，而边缘板受力状况则很复杂，这是由于罐壁在静液压力作用下产生很大的环向应力，使油罐沿半径方向产生水平变位，而底层罐壁的下部由于与底板牢固地焊在一起（被约束）无法向外扩张，结果在边缘处发生变形，同时在罐壁与罐底相连接的角缝处产生很大的边缘应力，该应力均超过屈服极限，又由于存在基座反力的抵抗，最终导致底板边缘板的塑性变形。当空罐时，罐体恢复原状，边缘板却由于塑性变形而向上翘曲。这种变形的变形量大小与基础的软硬程度﹑边缘板的厚度﹑储液高度﹑使用周期和时间的长短有关，一般为5～10mm。

规范中规定，底圈罐壁外表面沿径向至边缘板外缘距离不应小于50mm，需抗震设防水，采用外环梁基础的油罐边缘板的径向尺寸适当加大。据介绍大型储罐（容积不小于105m3）在罐底边缘板和罐壁交界处，应力达到峰值。在与罐底板外侧距离200mm处，应力值达到峰值（501.7MPa[11]）。罐壁与罐底焊缝处应力极为复杂，如高温储罐运行时罐底与相邻壁板有着极大温差，势必在此处增加更大的附加应力，底板形变产生。由此可以看出加大边缘板罐壁外尺寸是很有必要的。

在高温罐体蒸腾基础下部的水分造成蒸汽的排出，也会造成防腐密封失效。国外采用增设滴水环的做法，可将上述情况加以解决。滴水环要求各段之间以及滴水环形板和环形板或底板之间的所有径向接头连续密封焊接，滴水环至少伸展75mm，以超出基础环的外缘，然后在基外径翻折（最多90°），材料为碳钢，最小厚度3mm。它的采用可以有效防止水的进入。另外如将翻边前板厚增加至外边缘板厚度，等于加大了外边缘板尺寸。

2.8 安装完成的罐体新增开孔

罐体投用后，会有各种原因需要新增加开孔。焊接热输入一般可达100kJ·cm-1左右，有时甚至120kJ，导致钢板组织粗化，韧性大幅下降。因此，开孔一定要慎重，必须新增开孔时应安装在人孔等部件上，避免在罐壁开孔。

3 结论

1) 高温储油罐在运行过程中，注意的要点是减少或消除储罐各部位的温差，尽量保证储罐在多数情况下“满罐”运行，并且保证“最低液位”，确保罐下部壁板与罐底不产生温差，从而减少罐钢材的屈服强度变化。

2) 高温储罐各附属设施，除执行常温储罐要求外，还要考虑其高温的特殊性，如适当加大储罐附属工艺管线的热膨胀量，加强储罐液位之间温度测量，增加滴水环等。这些都将为高温储罐的安全运行提供可靠的保障。

[1] 祝春强，屈威，刘亚贤.高温储罐基础结构的研究[J].化工技术与开发，2014，43(5)：62-63.

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

[3] 许志明，赵锁奇，王仁安.沙轻和沙中减压渣油的分离﹑组成与性质[J].石油化工高等学校学报，2003，16(3)：15-17.

[4] 朱静，吴文涛，常勇，等. 哈萨克斯坦减压渣油的评价[J].石油与天然气化工，2008，37(5)：398-399.

[5] SYT 4073-1994，储罐抗震用金属软管和温度补偿器选用标准[S].

[6] GB 50184-2011，工业金属管道工程施工质量验收规范[S].

[7] 郭兆海.石油储罐进出口管段用抗震金属软管[J].管道技术与设备，1998(2)：30-32.

[8] 张彦清.储罐用金属软管[J].管道技术与设备，1993(1)：14-16.

[9] 张穹.波纹金属软管在储油罐上的应用[J].石油工程建设，2003，29(3)：29-32.

[10] GB 50341-2003，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].

[11] 曲晓健，李玉坤，段冠，等.大型储罐罐底及边缘板应力分析方法对比[J].油气储运，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

屈晓禾(1992-)，女，毕业于天津理工大学双学士学位，现就职于中石油云南石化有限公司储运部，地址：云南省安宁市昆畹东路8号中国石油安宁大厦，邮编650399

屈威，15907773317，E-mail:quwei@petrochina.com.cn, 地址：广西钦州市钦州港广西石化办公楼，邮编：535008

2014-10-14