原油儲罐進出口管線位移情況分析

楊曉冬

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300457）

在經濟和科技飛速發展的當今社會，石油作為重要的能源，其儲存和運輸的安全性是一個必須保證的問題。原油儲罐作為儲存原油的重要設施其相連接的管線在設計時要把管線柔性作為配管設計中的一個重要指標進行考慮，以保證管道自身和與其相連的機器、設備的安全。如果在設計過程中沒有考慮全部的工況或者實際工況發生了變化就可能造成管線局部應力及位移過大。某原油處理廠就發生了類似的情況。

1 原油儲罐進出口管線位移情況

1.1 現場情況

現場調研測量后發現有如下問題：（1）兩個儲罐的進出口管線位移較大，局部達到了400mm，進出口相連的軟管變形超出了設計值180mm；（2）由于管線位移，大部分滑動管托已從水泥支墩上脫落，管道直接作用在支墩上（圖1）；（3）部分管道支架傾斜，支撐失效（圖2）；（4）管道發生變形，管道間距不一致，管道與涵洞沒有間隙，存在應力集中（圖3）。

圖1

圖2

圖3

1.2 原因分析

經查閱資料，原始設計的這兩個儲罐的管線為埋地設計，幾年前檢查中發現由于埋地管道下沉，在防火堤內地上管段入地點處管線支墩上的管靴已將原管線頂彎曲變形，管線出現了變形和局部泄露，地上管線已出現了西高東低的變形趨勢。施工單位針對現場情況，進行了改造。改造后仍采用了初始埋地設計時的管道路徑，并且根據經驗設置了一些滑動支架，沒有進行管道應力分析。

此次儲罐管線出現位移現象后設計和施工單位進行了現場調研。調研隊伍經過仔細勘察及分析后，總結了管線出現位移的原因，具體有：

（1）兩個儲罐管線操作溫度為65 ～80 ℃，管徑為28”，操作溫度與安裝溫度相差45 ～60℃。在操作工況下，管道因溫度變化產生熱位移，現場管線布置缺乏足夠柔性，不能有效的吸收位移。根據規范GB/T 20801，在80℃時，管道總膨脹量為0.67mm/m，最長管道（B/D 罐進出口）約為156m，按照中間位置增加止推支架，則管道熱位移約為0.67×156/2=52.26mm（利用CAESAR II 軟件模擬的結果與手動計算結果大體相當）。故可判斷熱位移不是導致儲罐管線支架滑脫的唯一原因。

（2）偶然載荷的作用，主要是水擊力。水擊力的產生，主要是由于原油具有黏性和可壓縮性，在輸送過程中，一旦其穩定狀態受到破壞，流速和壓力發生急劇變化所導致。這種變化的誘因有多種，包括：①由于外輸工況是間歇的，正常外輸時未能充分排氣，介質特性出現微小變化，原油中混入了氣體，使得流速出現分化，進而導致壓力升高，產生水擊力（嚴重時可能會導致泵的氣蝕）。②上一次的外輸停止后，還有介質滯留在管道內，由于黏度較高，管道內部會存在一定的局部阻礙，比如拐彎處、閥門處等。下一次外輸時，局部阻礙會使得外輸開始時介質流通不暢，后期隨著壓力、溫度的增加會有一定的緩解或消失，也會使流速、流量短時間內產生變化，形成水擊力外載。③外輸停止時，泵和閥門會相繼關閉，由于關閉速度過快，導致管道中某一截面的原油流速在極短的時間內突然降低為零，由于慣性作用，前面的介質仍然繼續流動，使得介質被壓縮，轉化為水擊力外載。④此外，儲罐的出口接有金屬軟管，由于金屬軟管的剛度較低，使得系統局部出現了剛度不連續現象，剛度不連續會導致盲板力的出現，一般需要加止推支架，抵擋盲板力。而金屬軟管內層為波紋管，外層為金屬編織層，外層可以抵擋軸向盲板力，但是畢竟剛度較小，如果管道走向改變后沒有導向和止推支架，則無法控制軸向和橫向變形量。盲板力也會在一定程度上對介質產生推力，使得流速出現局部變化。綜上所述，泵的啟停、外輸時未能充分排氣、閥門關閉速度過快、以及盲板力，均為產生水擊力的原因。在長直管道未設置止推支架以及足夠數量和強度的導向支架以抵抗水擊力的情況下（管道本征頻率極低，不到1Hz），會使得管道短時間內迅速連續發生位移，最終累積為大位移，滑動支架滑脫。而從管道應力分析的角度，不管以上哪種原因（或一個以上的原因），分析方法和解決的方案是一致的，即在工況中加載水擊力，分析管道應力、支架荷載，甚至局部應力是否滿足要求。

（3）支架設置不合理。現場觀察發現這些管線采用的大部分是滑動支架，小部分為導向加滑動支架，沒有設置止推支架，管道產生的熱位移沒有得到約束。另一方面，是支架具體形式選用不合理。如圖2 所示，該支架的受到熱位移影響達到側翻臨界位置的時候，沒有有效的防止側翻的限制，使得側翻形成一個更大的推力，進而加劇了相連管道位移，致使大部分管道的管鞋都脫離水泥支墩。

2 應力分析及改造方案

首先需要進行詳細的管道應力計算，然后根據計算結果優化管道布置。此次管道應力計算選用CAESARII 應力分析軟件。CAESARII 是一個完整的管道應力分析程序，它將管線應力、柔性分析的計算、評判標準內置在軟件中，其建立方程、求解方程的過程完全是由電子計算機來完成的，具有數據簡單，圖形生成和計算結果直接明了的特點。目前國內外的大多數設計院或工程公司都在采用CAESARII 進行管道的應力分析。

對于管道所采用的設計規范，如ASME 體系（許用應力法），已經考慮了3 倍的安全系數，力的具體大小在規范中沒有說明和限制，一般需要在設計時保守考慮。管道的壁厚較薄，D/t 已經超過了100，再考慮到流體產生的偶然荷載的作用會存在使管道局部產生永久變形的風險，因此，計算時應當盡量調整模型，使得管線止推處的受力處于一個比較低的范圍內。經過計算，若無膨脹彎緩解熱位移，則將止推支架處的推力將較大。A 罐進出口：94178N/83517N，B 罐進出口：136606N/141075N。增加膨脹彎后，部分熱位移被吸收，會大大緩解止推支架處的推力。經過計算，支架推力如下。A 罐進出口：25506N/25334N，B 罐進出口：27970N/26097N。由以上可知，增加膨脹彎后，止推支架受力大大緩解。用ANSYS 模擬分析支架推力反作用于管線上的結果，當止推力為60000N 時，計算得到的管線應力值約等于管線的許用值137MPa；止推力超過60000N 時，管線和管鞋焊接處的應力值將超出許用值，局部不符合規范。

解決方案如下：（1）在長直管道適當的位置，增加膨脹彎，以緩解熱膨脹帶來的位移及荷載，降低止推支架承受的推力。（2）在適當的位置，增加止推支架，以抵抗水擊力。（3）設置一定數量的導向支架，提高管道本征頻率（提高至2.55Hz 以上），以降低局部失穩的風險。（4）根據介質流速、密度、管道尺寸、壁厚等參數，初步計算作用于彎頭處的外載，并考慮1.5 ～2 倍的動態系數，加載到CAESAR II 模型中，作為OCC 工況的F 進行分析，校核管道系統應力和支架荷載情況。（5）將計算結果綜合分析，得到每個支架的荷載，并反饋給專業工程師進行反校核和支架設計。

除了上述解決方案還有如下建議：（1）建議外輸前盡量充分排氣，盡可能降低混入氣體的風險。（2）適當降低閥門關閉速度。

3 結語

通過上面分析可見，儲罐及其附屬設施的布置設計是一個需要各專業整體綜合考慮的問題，管線的應力分析需要引起大家的重視。