储罐前金属软管引起的盲板力分析与优化

张庆东，王以斌，赵志，陈瑞鑫

(中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071)

0 引言

储罐是油库、油田和炼油厂的附属油库、工厂企业的附属油库用来存储液体的设备，占地面积大，投资高。按照储罐的建筑特点，储罐分为地上储罐、地下储罐、半地下储罐和山洞罐。地上储罐由于投资少、施工快、日常管理和维修比较方便等优点，往往作为企业的首选。

地上储罐在罐体安装施工完成，按照程序需进行充水沉降试验，以确保基础沉降在设计允许的范围内。储罐注水试验应持续72 h，以保证基础充分沉降。在储罐使用过程中，基础仍然会继续下沉。为避免由于储罐下沉导致储罐进出口管道应力超标，地上储罐的进出口管道，应采用柔性连接方式，并应满足地基沉降和抗震要求[1]。

在储罐进出口柔性设计时，一般选用金属软管或大拉杆横向波纹补偿器吸收因储罐沉降等原因产生的横向位移[2]。当进出罐管线公称直径小于DN400时，一般选用金属软管[3]。然而，金属软管在内压作用下，仅能吸收很小的轴向位移；若内压力过大，金属软管本身会伸长约15%[4]，其不能吸收的盲板力必然会作用到储罐的罐嘴和主管带上，引起罐嘴、主管带处弯头、三通等处应力超标、法兰泄漏。

管道应力校核一般包括一次应力校核和二次应力校核(有临时荷载时还要进行临时核载应力校核)。管道承受内压和持续荷载而产生的应力，属于一次应力，管道承受地震荷载、水冲击和安全阀动作冲击等荷载而产生的应力，也属于一次应力，但这些荷载都是属于临时荷载。管道由热胀和其他位移受约束而产生的应力，属于二次应力。通过减小管道中的二次应力的最大值，可以避免管道系统运行时发生疲劳破坏。

以往的罐区管道柔性设计，往往聚焦于主管带由于温度变化产生的二次应力[5]及推力，进行应力分析计算时将与金属软管连接的当作自由端，考察主管带及罐前支管的二次应力状况，致力于防止系统运行时管道发生疲劳破坏及管墩、管架受力过大，较少考虑因金属软管产生的盲板力对管道系统及罐嘴的影响。

在某项目进行中，设计人按照以往罐区设计经验，对罐前管道进行配管设计，并对罐前主管带、罐前支管及金属软管进行了详细CAESAR II 建模研究，发现在管道系统设计压力1.20 MPa/1.55 MPa 时罐前金属软管附近管道一次应力严重超标、罐嘴受力过大。采用CAESAR II 软件详细计算并深入分析管系应力超标原因后，通过调整罐前操作气动阀阀门与罐根气动阀阀门的关断顺序，降低金属软管附近管道系统的内压力，解决了金属软管附近应力超标问题。

1 管道系统概况

1.1 管道参数

进行应力分析的罐区罐前进油工况主要有2 个，分别是：

(1) 来油流程：装置来油→DN100 管道→罐前DN100 气动操作阀→罐前DN250 金属软管→罐根DN250 气动罐根阀→储罐。DN100 来油管道设计压力1.55 MPa；

(2)倒罐流程：本罐区倒罐泵来油→DN250 罐前管道→罐前DN250 气动操作阀→罐前DN250 金属软管→罐根DN250 气动罐根阀→储罐。罐前DN250操作阀前管道设计压力1.20 MPa。

倒罐线口径DN250，与从装置来DN100 管道(设计压力1.55 MPa) 在罐前交汇，共用一路DN250 进罐管线，包括相关金属软管及气动罐根阀，罐前管道正常操作压力0.3 MPa。

根据SH/T 3007—2014 《石油化工储运系统罐区设计规范》 5.4.3“储存I 级和II 级毒性液体的储罐、容量大于或等于3 000 m3的甲B 和乙A 类可燃液体储罐、容量大于或等于10 000 m3的其他液体储罐应设高高液位报警及联锁，高高液位报警应联锁关闭储罐进口管道控制阀”，本罐区将进罐气动罐根阀与储罐高高液位联锁，当储罐达到高高液位时自动关闭储罐进罐气动罐根阀。考虑到上述工况，将气动罐根阀、金属软管、罐前气动操作阀之间的管道系统设计压力定为1.55 MPa。

管道系统均采用DN20 伴热管进行热媒水伴热，热媒水给水温度95 ℃，保温层采用硅酸铝毯，厚度70 mm，工艺管道操作温度15～40 ℃，设计温度120 ℃。

DN250 倒罐线管道参数：钢管采用无缝钢管，材质为20 钢，执行标准为GB/9948—2013 《石油裂化用无缝钢管》；表号SCH20，外径273.1 mm，壁厚6.35 mm，执行标准为SH/T 3405—2017 《石油化工钢管尺寸系列》。装置来DN100 管道参数：钢管采用无缝钢管，材质为20 钢，执行标准为GB/9948—2013《石油裂化用无缝钢管》；表号SCH40，外径114.3 mm，壁厚6.02 mm，执行标准为SH/T 3405—2017 《石油化工钢管尺寸系列》。

1.2 罐区概况

本罐区新建3 座6 500 m3罐，直径21 m，罐壁高度19.8 m；新建1 座10 000 m3组分罐，直径28 m，罐壁高度17.86 m。四座储罐均为内浮顶储罐，每座储罐采用2 组DN50 热媒水加热盘管进行维温伴热，储罐储存温度为40℃，储罐罐顶设氮气密封及油气回收。

1.3 管道走向

储罐基础高1 000 mm；罐前主管带采用管墩敷设，管墩高300 mm。主管带管线2‰自罐区坡向泵区，罐前管线采用单层管架敷设，罐前管线5‰坡向主管带，为降低罐嘴开口高度，罐前管线与主管带之间采用45°弯头斜向下扣向罐前主管带。

3 个6 500 m3的储罐(TK-607～609) 金属软管轴向90°指向储罐中心布置。由于10 000 m3储罐(TK-610)的外径较大，为节省罐区占地面积，将其罐前金属软管倾斜45°布置。

2 计算软件介绍

采用的计算软件为CAESAR II。CAESARII 管道应力分析软件是由美国COADE 公司研发的压力管道应力分析专业软件。它既可以分析计算静态分析，也可进行动态分析。

CAESAR II 计算结果由三种应力类型：SUS 代表冷态，一般指安装状态，可用于考察一次应力；OPE代表热态，一般指工作状态；EXP 表示纯热态，包括温度和附加位移，可用于考察二次应力。

盲板力属于一次应力，可通过考察CAESAR II计算报告中SUS 工况的计算结果进行分析。

3 计算模型设置及计算结果

罐嘴节点6300 代表为TK607～609 罐的罐嘴，节点6100 处设置罐前管架支撑，节点6020 为罐前支管扣向主管带的45°弯头。罐嘴节点7280 为TK610罐的罐嘴，节点7110 为罐前45°弯头，节点7010 为罐前支管扣向主管带的45°弯头。

模型中位各罐嘴节点设置向下50 mm 的偏移，用于模拟储罐的沉降。

另外在罐根阀附近设置了生根于储罐基础的竖直向上的罐前支撑。

根据以往设计经验，考虑到导致罐前一次应力、推力过大的原因是金属软管产生的盲板力引起的，从防止管道一次应力超标和罐嘴处推力过大出发，设置以下四种方案。

3.1 方案一

工艺流程控制设计：装置来油工况下储罐高高液位联锁时关闭气动罐根阀，则DN250 罐前气动操作阀前面(顺介质流向) 最大操作压力为1.20 MPa，DN250 操作阀后(靠近罐侧)最大操作压力1.55 MPa；罐前管架不设置任何止推措施。

CAESARII 模型具体设置：气动罐根阀、金属软管、罐前气动操作阀之间的管道系统Pressure 1 定为1.55 MPa；DN250 罐前气动操作阀前Pressure 1 定为1.20 MPa。

计算结果：计算完成后，在CAESAR II 软件静力计算结果菜单(Static Output Processor)中，选择Load Cases Analyzed 下的(SUS)W+P1+F1，Report Options中的Stresses，然后选择Options 菜单中的View Reports，查看SUS 工况下的计算结果，发现：金属软管轴向指向罐中心的配管方案，罐嘴节点6300 处受到的推力为88 770 N，力矩118 N·m；金属软管45°安装的配管方案，罐嘴节点7280 受推力144 370 N，力矩46 089 N·m。节点6100 处一次应力值为9 194.6 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值的6.7%；节点6020 处一次应力值为412 950.2 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值301.4%；节点7010 处一次应力值为460 886.8 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值336.4%；节点7110 处一次应力值为234 598.6 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值171.2%。

由以上分析可得出：由于设计内压力高引起的内压盲板力较大，导致罐前主管带与进罐分支管道处一次应力超标；罐嘴处受推力过大。同时，45°安装的金属软管附近管道一次应力超标，而轴向指向罐中心的金属软管附近管道一次应力则在许可范围内。

3.2 方案二

为抵消盲板力对罐前主管带的推力，考虑在金属软管两侧管道上设置止推。由于防沉降要求，与罐嘴直接相连接的气动罐根阀处管道支架需生根在储罐基础上，由此导致此支架无法承受较大水平推力，因此本方案仅能在罐前气动操作阀前管架上设置止推，无法在金属软管靠近储罐一侧设置止推。

工艺流程控制设计：装置来油工况下储罐高高液位联锁时关闭气动罐根阀，则DN250 罐前气动操作阀前面(顺介质流向)最大操作压力为1.20 MPa，DN250 操作阀后(靠近罐侧)最大操作压力1.55 MPa。

配管设计：罐前气动操作阀前管架设置指向储罐的单向止推。

CAESARII 模型具体设置：气动罐根阀、金属软管、罐前气动操作阀之间的管道系统Pressure 1 定为1.55 MPa；DN250 罐前气动操作阀前Pressure 1 定为1.20 MPa。罐前气动操作阀前管架设置指向储罐的单向止推，即节点6100 处设置指向储罐中心的单向止推。

从评价结果可见(表2、图2)，研究时段内张家界市世界地质公园人均生态足迹呈增长的趋势。2005年该公园人均生态足迹为0.9665，2015年人均生态足迹为1.2047，年均增长率为1.48%。根据武陵源区提供的同期统计数据显示，全区近年来形成了以地质旅游业为支柱的产业，全区经济增长保持了强劲的发展势头，武陵源区GDP从2005年的9.60亿元增长为2015年的52.60亿元。因此公园人均生态足迹的增长趋势与武陵源区该时段内经济社会发展趋势呈正相关关系，符合经济增长对区域消费需求增长的客观实际。

计算结果：SUS 工况下，罐嘴节点6300 处受到的推力为87 434 N，力矩698 N·m；节点6100 处一次应力值为23 197.2 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值的16.9%；主管带处节点6020 处处一次应力值为18 394.2 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值13.4%。

由以上分析可得出：单向止推的存在可以极大减小罐前主管带附近所受内压推力，降低管道系统的一次应力。由于金属软管靠近储罐一侧受限没有条件设置止推，无法采用止推减小罐嘴受力及一次应力超标问题。

3.3 方案三

考虑到内压产生的盲板力是导致罐嘴受力过大、罐前管道一次应力超标的决定性因素，结合工艺流程控制方案，拟通过采取调整罐前关阀顺序、降低金属软管附近管道系统内压力的措施来解决相关问题。

工艺流程控制设计：储罐高高液位联锁时先关闭相应储罐所有罐前气动操作阀，待罐前气动操作阀关闭后，再关闭气动罐根阀，此过程总关闭时间不超过3 分钟。罐前气动操作阀返回关到位信号，触发相应储罐进罐气动罐根阀关闭；如操作阀关闭时间+10 s后操作阀未返回关到位信号，自动关闭进罐气动罐根阀。按照以上阀门关闭顺序，倒罐泵罐前气动操作阀前最大操作压力为1.20 MPa，操作阀至气动罐根阀之间管道系统的最大操作压力为储罐最高静液位产生的压力，取保守值0.3 MPa。

配管设计：无特殊考虑。

CAESARII 模型具体设置：气动罐根阀、金属软管、罐前气动操作阀之间的管道系统Pressure 1 定为0.3 MPa；DN250 罐前气动操作阀前Pressure 1 定为1.20 MPa。

计算结果：SUS 工况下，罐嘴节点6300 处受到的推力为16 229 N，力矩135 N·m；罐嘴节点7280 受推力26 452 N，力矩7 700 N·m。节点6100 处一次应力值为8 255.5 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值的6.0%；主管带处节点6020 处一次应力值为65 864.8 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值48.1%。节点7010 处一次应力值为99 633.5 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值72.7%；节点7110 处一次应力值为42 068.3 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值30.7%。

以上分析可得出：通过调整罐前气动操作阀及气动罐根阀的关闭顺序，降低金属软管处管道系统的内压力，可以极大减小管道系统的一次应力，极大减小罐嘴处所受推力。

3.4 方案四

由于方案三种节点6020 处一次应较高，拟在方案三的工艺流程控制设计的基础上，在配管时增设止推，进一步减小盲板力的影响。

工艺流程控制设计：同方案三。

配管设计：罐前气动操作阀前管架设置指向储罐的单向止推。

模型设置：气动罐根阀、金属软管、罐前气动操作阀之间的管道系统Pressure 1 定为0.3 MPa；DN250罐前气动操作阀前Pressure 1 定为1.20 MPa。罐前气动操作阀前管架设置指向储罐的单向止推，即节点6100 处设置指向储罐中心的单向止推。

计算结果：SUS 工况下，主管带处节点6020 处一次应力值为18 597.4 kPa，规范允许应力值为137 000 kPa，占规范允许应力值13.57%。与方案三相比，6020 节点处的一次应力大幅降低。

4 结语

文章研究了罐前金属软管附近管道系统在不同内压力、不同金属软管安装角度下内压盲板力对罐前管带一次应力及罐嘴推力的影响，得到如下结论：

(1)将进罐操作阀设为自动阀，并将高液位联锁关阀命令联锁到操作阀及气动罐根阀，待所有操作阀完全关闭后，再关闭气动罐根阀，由此可可有效降低金属软管附近管道系统的内压力，避免因单独关闭气动罐根阀引起金属软管处内压力过大，导致罐前管带一次应力超标及罐嘴推力过大。

(2)如(1)不具备条件实施，建议采用横向大拉杆横向波纹补偿器代替金属软管，以避免内压盲板力的产生。

(3)罐前采用金属软管时，建议金属软管与主管带之间的管架设置止推，以减小主管带所受盲板力及一次应力；同时建议校核罐嘴受力是否在允许范围内。

(4) 金属软管45°安装的布置方案，会在罐嘴附近引起较大弯矩，导致罐嘴处管子一次应力超标，建议尽量避免此种安装方式。