原油储罐进出口管线位移情况分析

杨晓冬

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300457）

在经济和科技飞速发展的当今社会，石油作为重要的能源，其储存和运输的安全性是一个必须保证的问题。原油储罐作为储存原油的重要设施其相连接的管线在设计时要把管线柔性作为配管设计中的一个重要指标进行考虑，以保证管道自身和与其相连的机器、设备的安全。如果在设计过程中没有考虑全部的工况或者实际工况发生了变化就可能造成管线局部应力及位移过大。某原油处理厂就发生了类似的情况。

1 原油储罐进出口管线位移情况

1.1 现场情况

现场调研测量后发现有如下问题：（1）两个储罐的进出口管线位移较大，局部达到了400mm，进出口相连的软管变形超出了设计值180mm；（2）由于管线位移，大部分滑动管托已从水泥支墩上脱落，管道直接作用在支墩上（图1）；（3）部分管道支架倾斜，支撑失效（图2）；（4）管道发生变形，管道间距不一致，管道与涵洞没有间隙，存在应力集中（图3）。

图1

图2

图3

1.2 原因分析

经查阅资料，原始设计的这两个储罐的管线为埋地设计，几年前检查中发现由于埋地管道下沉，在防火堤内地上管段入地点处管线支墩上的管靴已将原管线顶弯曲变形，管线出现了变形和局部泄露，地上管线已出现了西高东低的变形趋势。施工单位针对现场情况，进行了改造。改造后仍采用了初始埋地设计时的管道路径，并且根据经验设置了一些滑动支架，没有进行管道应力分析。

此次储罐管线出现位移现象后设计和施工单位进行了现场调研。调研队伍经过仔细勘察及分析后，总结了管线出现位移的原因，具体有：

（1）两个储罐管线操作温度为65 ～80 ℃，管径为28”，操作温度与安装温度相差45 ～60℃。在操作工况下，管道因温度变化产生热位移，现场管线布置缺乏足够柔性，不能有效的吸收位移。根据规范GB/T 20801，在80℃时，管道总膨胀量为0.67mm/m，最长管道（B/D 罐进出口）约为156m，按照中间位置增加止推支架，则管道热位移约为0.67×156/2=52.26mm（利用CAESAR II 软件模拟的结果与手动计算结果大体相当）。故可判断热位移不是导致储罐管线支架滑脱的唯一原因。

（2）偶然载荷的作用，主要是水击力。水击力的产生，主要是由于原油具有黏性和可压缩性，在输送过程中，一旦其稳定状态受到破坏，流速和压力发生急剧变化所导致。这种变化的诱因有多种，包括：①由于外输工况是间歇的，正常外输时未能充分排气，介质特性出现微小变化，原油中混入了气体，使得流速出现分化，进而导致压力升高，产生水击力（严重时可能会导致泵的气蚀）。②上一次的外输停止后，还有介质滞留在管道内，由于黏度较高，管道内部会存在一定的局部阻碍，比如拐弯处、阀门处等。下一次外输时，局部阻碍会使得外输开始时介质流通不畅，后期随着压力、温度的增加会有一定的缓解或消失，也会使流速、流量短时间内产生变化，形成水击力外载。③外输停止时，泵和阀门会相继关闭，由于关闭速度过快，导致管道中某一截面的原油流速在极短的时间内突然降低为零，由于惯性作用，前面的介质仍然继续流动，使得介质被压缩，转化为水击力外载。④此外，储罐的出口接有金属软管，由于金属软管的刚度较低，使得系统局部出现了刚度不连续现象，刚度不连续会导致盲板力的出现，一般需要加止推支架，抵挡盲板力。而金属软管内层为波纹管，外层为金属编织层，外层可以抵挡轴向盲板力，但是毕竟刚度较小，如果管道走向改变后没有导向和止推支架，则无法控制轴向和横向变形量。盲板力也会在一定程度上对介质产生推力，使得流速出现局部变化。综上所述，泵的启停、外输时未能充分排气、阀门关闭速度过快、以及盲板力，均为产生水击力的原因。在长直管道未设置止推支架以及足够数量和强度的导向支架以抵抗水击力的情况下（管道本征频率极低，不到1Hz），会使得管道短时间内迅速连续发生位移，最终累积为大位移，滑动支架滑脱。而从管道应力分析的角度，不管以上哪种原因（或一个以上的原因），分析方法和解决的方案是一致的，即在工况中加载水击力，分析管道应力、支架荷载，甚至局部应力是否满足要求。

（3）支架设置不合理。现场观察发现这些管线采用的大部分是滑动支架，小部分为导向加滑动支架，没有设置止推支架，管道产生的热位移没有得到约束。另一方面，是支架具体形式选用不合理。如图2 所示，该支架的受到热位移影响达到侧翻临界位置的时候，没有有效的防止侧翻的限制，使得侧翻形成一个更大的推力，进而加剧了相连管道位移，致使大部分管道的管鞋都脱离水泥支墩。

2 应力分析及改造方案

首先需要进行详细的管道应力计算，然后根据计算结果优化管道布置。此次管道应力计算选用CAESARII 应力分析软件。CAESARII 是一个完整的管道应力分析程序，它将管线应力、柔性分析的计算、评判标准内置在软件中，其建立方程、求解方程的过程完全是由电子计算机来完成的，具有数据简单，图形生成和计算结果直接明了的特点。目前国内外的大多数设计院或工程公司都在采用CAESARII 进行管道的应力分析。

对于管道所采用的设计规范，如ASME 体系（许用应力法），已经考虑了3 倍的安全系数，力的具体大小在规范中没有说明和限制，一般需要在设计时保守考虑。管道的壁厚较薄，D/t 已经超过了100，再考虑到流体产生的偶然荷载的作用会存在使管道局部产生永久变形的风险，因此，计算时应当尽量调整模型，使得管线止推处的受力处于一个比较低的范围内。经过计算，若无膨胀弯缓解热位移，则将止推支架处的推力将较大。A 罐进出口：94178N/83517N，B 罐进出口：136606N/141075N。增加膨胀弯后，部分热位移被吸收，会大大缓解止推支架处的推力。经过计算，支架推力如下。A 罐进出口：25506N/25334N，B 罐进出口：27970N/26097N。由以上可知，增加膨胀弯后，止推支架受力大大缓解。用ANSYS 模拟分析支架推力反作用于管线上的结果，当止推力为60000N 时，计算得到的管线应力值约等于管线的许用值137MPa；止推力超过60000N 时，管线和管鞋焊接处的应力值将超出许用值，局部不符合规范。

解决方案如下：（1）在长直管道适当的位置，增加膨胀弯，以缓解热膨胀带来的位移及荷载，降低止推支架承受的推力。（2）在适当的位置，增加止推支架，以抵抗水击力。（3）设置一定数量的导向支架，提高管道本征频率（提高至2.55Hz 以上），以降低局部失稳的风险。（4）根据介质流速、密度、管道尺寸、壁厚等参数，初步计算作用于弯头处的外载，并考虑1.5 ～2 倍的动态系数，加载到CAESAR II 模型中，作为OCC 工况的F 进行分析，校核管道系统应力和支架荷载情况。（5）将计算结果综合分析，得到每个支架的荷载，并反馈给专业工程师进行反校核和支架设计。

除了上述解决方案还有如下建议：（1）建议外输前尽量充分排气，尽可能降低混入气体的风险。（2）适当降低阀门关闭速度。

3 结语

通过上面分析可见，储罐及其附属设施的布置设计是一个需要各专业整体综合考虑的问题，管线的应力分析需要引起大家的重视。