高寒地区低温空载储油罐安全保障措施评价

忻平　（大庆油田有限责任公司储运销售分公司）



高寒地区低温空载储油罐安全保障措施评价

忻平（大庆油田有限责任公司储运销售分公司）

大庆油田地处高寒地区，对于越冬后再投产的储油罐，需要铺设一定厚度珍珠岩进行保温，以避免恶劣的环境温度对储罐基础的安全可靠性造成不良影响。为了明确珍珠岩保温层的安全性和经济性，对其保障措施进行了评价。采用有限元方法对储罐罐底铺设不同厚度珍珠岩保温层的温度场进行数值模拟，以降温时间10 h、罐底下表面中心节点的温降结果作为评价保温层保温效果的依据，同时结合罐内铺设保温材料施工的难易程度和保温材料的铺设费用，优选确定储罐罐底珍珠岩保温层的最佳厚度为5～10 cm。

低温空载；储油罐；珍珠岩；保温效果；评价

大庆油田地处北方高寒地区，冬季最低气温可达到-35℃，原油储罐冬季运行过程的安全性和经济性是生产管理所关注的主要问题，该问题一方面体现在大庆油田高含蜡原油的安全储存上［1］；另一方面，储罐在冬季运行，尤其是空罐越冬过程中罐体结构的安全性也是储罐安全、平稳运行的重要方面［2-3］。根据储油罐的建设要求和油库的生产规划，新建成的储油罐和需要检修的在役储油罐均有可能越冬后再投产，需要铺设一定厚度珍珠岩进行保温，以避免恶劣的环境温度对储罐基础的安全可靠性造成不良影响，为了明确珍珠岩保温层的安全性和经济性，需要对其保障措施进行评价。

1　储罐热分析

1.1模型建立

储油罐在正常工作时，外壁保温层与外界环境温度相同，内部与室内环境温度相同可简化成稳态温度场问题。对储罐进行整体热分析时，忽略接管等局部结构的影响，整个储罐可视为轴对称结构。储罐的基础参数按前述内容确定。

按照稳态温度场分析理论［4］，各部件的温度分布规律与时间无关，仅与各部件的结构尺寸、材料和热边界条件有关。为此，根据储油罐的结构，把壁板、底板、边缘板、大角焊缝、保温材料综合考虑，选择整个罐体的一个平面为研究对象，建模时采用轴对称模型建模，取纵向剖面一半进行分析，建立了图1所示的轴对称稳态温度场分析的模型。其有限元模型见图2，由于罐体壁厚、底板厚度与整体尺寸相比太小，图中罐壁厚度截面呈现为一条直线。

图2　储罐有限元模型

1.2载荷及边界条件

1）载荷。储油罐内温度取为-20/-40℃，保温层外侧温度取为-30/-60℃，对储罐结构施加温度载荷。

2）边界条件。保温层与壁板之间为热传导；空气与保温层、空气与壁板之间为热对流。

2　计算工况

超大型15×104m3立式浮顶储罐保温材料热分析中考虑储罐空载越冬承受的载荷主要为温度载荷，针对大庆油田南三油库18#空罐的实际保温材料使用状况，在环境温度为-30℃时，对铺有厚度分别为0.025 m、0.05 m、0.075 m、0.1 m、0.2 m的珍珠岩保温层储罐进行数值模拟，应用ANSYS瞬态分析，计算其热应力场分布状况。根据北方冬季实际情况，取降温时间为10 h，提取罐底下表面中心节点的温度随时间的变化情况，确定不同厚度保温层的保温效果。

3　结果分析

1）珍珠岩厚度0.025 m，环境温度-30℃。当珍珠岩厚度为0.025 m时，罐底下表面中心节点的温度在10 h内由-10℃下降到-14.7℃，温降值为4.7℃。10 h后，最低温度为-20.176℃，出现在罐壁处，最高温度为-14.597℃，出现在罐底板靠近罐心处。

2）珍珠岩厚度0.05 m，环境温度-30℃。当珍珠岩厚度为0.05 m时，罐底下表面中心节点的温度在10 h内由-10℃下降到-12.5℃，温降值为2.5℃。10 h后，最低温度为-20.176℃，出现在罐壁处，最高温度为-12.481℃，出现在罐底板靠近罐心处。

3）珍珠岩厚度0.075 m，环境温度-30℃。当珍珠岩厚度为0.075 m时，罐底下表面中心节点的温度在10 h内由-10℃下降到-11.44℃，温降值为1.44℃。10 h后，最低温度为-20.176℃，出现在罐壁处，最高温度为-11.419℃，出现在罐底板靠近罐心处。

4）珍珠岩厚度0.1 m，环境温度-30℃。当珍珠岩厚度为0.1 m时，罐底下表面中心节点的温度在10 h内由-10℃下降到-10.8℃，温降值为0.8℃。10 h后，最低温度为-20.176℃，出现在罐壁处，最高温度为-10.785℃，出现在罐底板靠近罐心处。

5）珍珠岩厚度0.2 m，环境温度-30℃。当珍珠岩厚度为0.2 m时，罐底下表面中心节点的温度在10 h内由-10℃下降到-10.038℃，温降值为0.038℃。10 h后，最低温度为-20.176℃，出现在罐壁处，最高温度为-10.038℃，出现在罐底板靠近罐心处。

根据工况1～5的计算结果，绘制保温层厚度与温降值的曲线，如图3所示。

图3　保温层厚度—温降曲线

4　结论

随着保温层厚度的增加，温降值逐渐减小；保温层厚度越大，保温效果越好。考虑到罐内铺设保温材料施工的难易程度和保温材料的经济性，选择珍珠岩进行罐底板保温效果最好，但保温材料铺设也不宜过厚，保持在5～10 cm最佳，进一步增大保温厚度，保温效果增加并不明显，但保温投资却显著增大。

［1］赵健.高寒地区原油储存过程中的传热问题研究及工艺方案优化［D］.大庆：东北石油大学，2013.

［2］杨林.高寒地区原油储罐保温材料时效性测试与分析［J］.石油石化节能，2015，5（7）：49-50.

［3］郭俊杰.大型非锚固原油储罐低温越冬应力分析［J］.油气田地面工程，2010，29（7）：22-24.

［4］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006，52-65.

（编辑贾洪来）

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忻平，工程师，2005年毕业于大庆石油学院，从事油田基本建设和土地管理工作，E-mail：xinping@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆市萨尔图区奔二村大庆油田储运销售分公司基建管理中心，163453。

2015-12-05