大型儲罐中央排水裝置運(yùn)行管理技術(shù)研究

蔡 亮 王志斌 汪世鶴

（1. 中國航油集團(tuán)物流有限公司西南基地建設(shè)指揮部，重慶 401122；2. 寧波鼎實(shí)倉儲有限公司，浙江 寧波 315812；3. 克拉瑪依金鑫油田環(huán)保工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

儲罐是石油行業(yè)重要儲存設(shè)施，大型儲罐設(shè)計(jì)建設(shè)是衡量國家石油行業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志，廣泛使用10×104m3大型浮頂儲罐。為防止積水從浮盤密封處滲入儲罐，設(shè)置中央排水裝置。中央排水裝置是儲罐安全管理的重要附件設(shè)施，因位于儲罐內(nèi)部，如發(fā)生破損即刻油品滲漏，原油經(jīng)排水系統(tǒng)流入生產(chǎn)區(qū)域。中央排水裝置損壞導(dǎo)致油品滲漏、品質(zhì)降低、儲罐意外停產(chǎn)、浮頂積水和浮盤失穩(wěn)，增加儲罐檢測和維修成本，已成為影響儲罐安全運(yùn)行的重要因素。我國儲罐在中央排水裝置可靠性和使用壽命存在不足[1]。介紹了儲罐中央排水裝置發(fā)展歷程和應(yīng)用情況，分析了分軌式中央排水裝置失效型式、原因以及改進(jìn)措施，提出了新建儲罐中央排水裝置設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行維護(hù)建議，對于我國石油庫安全起到支持保障作用。

1 中央排水裝置設(shè)計(jì)型式及應(yīng)用現(xiàn)狀

儲罐中央排水裝置設(shè)計(jì)型式分為三種，剛性回轉(zhuǎn)接頭、柔性回轉(zhuǎn)接頭（樞軸式、分軌式）、全柔性軟管排水系統(tǒng)。

（1）剛性回轉(zhuǎn)接頭與鋼管連接連桿結(jié)構(gòu)是第一代儲罐排水系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)存在相對運(yùn)動副，排水管變形補(bǔ)償不足造成運(yùn)動副滲漏，密封面為旋轉(zhuǎn)動密封，易發(fā)生泄漏。新建儲罐較少采用；

（2）柔性回轉(zhuǎn)接頭是第二代儲罐排水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)四個(gè)樞軸結(jié)合鋼管使用，樞軸內(nèi)是柔性短管，外面不銹鋼絲纏繞。該型式運(yùn)動軌跡固定，動密封點(diǎn)減少。但法蘭連接滲漏概率較大，抗浮盤偏移能力差，柔性接頭撕裂造成儲罐漏油。從2000年開始新建儲罐應(yīng)用較多；

（3）全柔性軟管排水系統(tǒng)是第三代儲罐排水系統(tǒng)，由整根軟管和兩側(cè)法蘭連接而成，連接接頭、密封點(diǎn)少，不受浮盤漂移影響，滲漏概率低，具有安全高效、壽命長（大于20年）、安裝簡便特點(diǎn)。運(yùn)動軌跡不固定，受儲罐油品渦流影響，配重設(shè)計(jì)不合理，可能與浮頂支柱發(fā)生碰撞。從2001年國內(nèi)鎮(zhèn)海石油儲備庫、獨(dú)山子石化、長慶油田國內(nèi)60%新建儲罐應(yīng)用。

調(diào)研大連某油庫10×104m3浮頂儲罐采用樞軸式中央排水裝置，因罐基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致裝置失效，罐區(qū)不能順利投用。金山某煉油廠兩座10×104m3浮頂儲罐采用樞軸式中央排水裝置，因疲勞原因產(chǎn)生滲漏，更換為柔性軟管。樞軸式中央排水裝置在環(huán)境適應(yīng)性和耐用性方面均較差。以西部某原油儲備庫為例，含10座5×104m3外浮頂儲罐和20座10×104m3外浮頂儲罐，圖1是儲罐分軌式中央排水裝置示意圖，2008年投運(yùn)以來未發(fā)生罐體泄漏事故，中央排水裝置滲漏失效發(fā)生過40余次，導(dǎo)致儲罐檢修占全部檢修比例高達(dá)44%，中央排水裝置已成為儲罐停產(chǎn)檢修的最主要原因。中央排水裝置主要失效形式包括[2]：排水管破裂；排水管上部/下部撕裂；排水管偏移且主體鋼結(jié)構(gòu)變形；排水管閥門漏油；排水管與罐壁法蘭連接變形失效；排水管與罐壁法蘭連接處滲漏。

圖1 儲罐分軌式中央排水裝置示意圖

2 中央排水裝置失效原因分析

2.1 中央排水裝置設(shè)計(jì)不合理

分軌式中央排水裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在缺陷，影響設(shè)備可靠性和適用性。中央排水裝置底部固定的金屬管段長度近40m，管段安裝未考慮儲罐基礎(chǔ)不均勻沉降以及罐體變形導(dǎo)致金屬管段與罐壁連接處法蘭應(yīng)力超標(biāo)，法蘭密封失效造成油品泄漏。金屬直管段對焊焊縫未設(shè)置外保護(hù)套管，焊縫處是薄弱點(diǎn)，存在安全隱患。中央排水裝置未用鏈條固定其運(yùn)動軌跡，在浮盤升降過程中受油流影響，整體管段在剪切應(yīng)力作用下以上下鉸鏈為原點(diǎn)產(chǎn)生一定角度偏轉(zhuǎn)；儲罐運(yùn)行過程中，中央排水裝置受到浮艙支柱干擾，整體受力不均勻，存在安全隱患。

2.2 中央排水裝置制造質(zhì)量

國內(nèi)中央排水裝置在制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量存在差異和不足。中央排水裝置主體材料是天然橡膠混合丁苯橡膠，但這兩種材料耐油性一般，但中央排水裝置運(yùn)行環(huán)境是長時(shí)間浸沒在原油或成品油中。軟管橡膠層在硫化過程不充分，橡膠層與波紋管粘接性能較差，存在安裝配合間隙，橡膠在油中浸沒溶脹體積增大，脫離橡膠層本體產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，鋼絲編織層從套管中分離。油品融入橡膠層，力學(xué)性能顯著降低，軟管與套管接觸應(yīng)力減小，當(dāng)小于編織層擴(kuò)張應(yīng)力時(shí)，鋼絲編織層從套管中分離。

2.3 中央排水裝置安裝施工

儲罐建設(shè)施工中罐體垂直度及罐底板凹凸度偏差不可避免，罐底金屬管道如存在安裝尺寸偏差，導(dǎo)致中央排水裝置長期應(yīng)力不均衡，降低使用壽命。

2.4 旋噴攪拌器

儲罐底板中心位置安裝單向出口的中央旋噴攪拌器（SRJ），在儲罐投產(chǎn)初期以及較低液位情況下可能啟用，會對中央排水裝置產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞作用。文獻(xiàn)[8]利用ANSYS軟件建立儲罐殼體模型和管道實(shí)體模型，設(shè)定射流邊界條件，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表面，中央排水裝置軟管部分在旋噴攪拌器的噴射作用下呈現(xiàn)簡諧運(yùn)動，噴射原油壓力通過軟管變形傳遞至接頭，軟管接頭同時(shí)承受拉伸和壓縮應(yīng)力；特別是低液位情況下對軟管沖擊作用更大。軟管在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生扭曲，經(jīng)過一定周期，排水管軟管內(nèi)部剛性波紋管與法蘭連接處疲勞開裂。

2.5 儲罐操作運(yùn)行條件

儲罐操作運(yùn)行過程中，因油品性質(zhì)、環(huán)境溫度、充裝流速、儲罐基礎(chǔ)沉降，導(dǎo)致罐體變化、浮盤偏移，導(dǎo)致中央排水裝置長期受力，偏移正常軌跡，影響其可靠性和使用壽命。

3 中央排水裝置設(shè)計(jì)施工改進(jìn)措施

結(jié)合國內(nèi)儲罐生產(chǎn)實(shí)踐，為避免儲罐低液位攪拌對中央排水裝置的破壞，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5921-2017《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)范》規(guī)定油品摻混專用儲罐、中轉(zhuǎn)儲罐、自循環(huán)用儲罐液位低于6m禁止啟用旋噴攪拌器。分軌式中央排水裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)如下：

（1）金屬管與罐壁法蘭連接處設(shè)置波紋管應(yīng)力補(bǔ)償器，減少儲罐變形和底板沉降對法蘭密封的影響；

（2）罐底金屬直管段對焊焊縫安裝套管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；

（3）金屬軟管安裝環(huán)性卡套限位裝置，減少油品充裝和旋噴攪拌器對金屬軟件擾動影響；

（4）鉸鏈支座增加支板厚度，增加加強(qiáng)筋，增強(qiáng)抗擾動攪拌性能；

（5）選擇耐油性好的橡膠材料，加強(qiáng)對金屬軟管橡膠硫化工藝的監(jiān)控；

（6）合理安排儲罐檢修周期，分析可能對中央排水裝置產(chǎn)生影響的因素，例如分析儲罐不均勻沉降，檢測導(dǎo)向柱垂直度，監(jiān)測浮盤偏移情況。

鑒于柔性軟管在適用性、耐用性和可靠性方面均優(yōu)于樞軸式排水裝置，目前新建儲罐主要采用全柔性軟管排水系統(tǒng)。柔性軟管需要解決軟管空間布置、運(yùn)行軌跡穩(wěn)定性和液位較低時(shí)可能與支柱碰撞損壞等問題。解決措施是在鋼絲和纖維纏繞上加力處理，軟管在工廠預(yù)制時(shí)強(qiáng)制成園定型，且分為左旋和右旋兩類，保證兩個(gè)軟管在儲罐內(nèi)布置時(shí)不會發(fā)生干擾；軟管具有一定強(qiáng)度和剛性，不會發(fā)生扭曲問題。軟管采用比油重、懸垂設(shè)計(jì)方式，減少油流對軟管的沖擊作用。在軟管附近安裝保護(hù)架，防止軟管下落時(shí)與支柱碰撞。

4 結(jié)語

中央排水裝置是儲罐完整性管理的重點(diǎn)，為保證中央排水裝置長期有效可靠運(yùn)行，應(yīng)從裝置設(shè)計(jì)、選型、制造工藝和施工質(zhì)量等方面入手，定期開展儲罐附件設(shè)施維護(hù)檢測，關(guān)注金屬管腐蝕減薄情況，降低因中央排水裝置失效導(dǎo)致儲罐檢修的次數(shù)。目前全柔性軟管排水裝置已成為主流技術(shù)產(chǎn)品，新建儲罐優(yōu)先選擇可靠性更高的全柔性中央排水裝置。