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大型油品儲罐進出口管線柔性設計

文檔作者：宋義偉郭慧軍張永東田鶴楊振東安宗旺文檔來源： (1．中國石油集團工程設計有限責任公司 2．中國石油冀東油田分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月16日
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第4o卷第1期
2011年1月
石油化工沒備
PETRO CHEMICAI EQUIPMENT
Vo1．40 No．1
Jan．2011
文章編號：1000—7466(2011)01—0099—05
大型油品儲罐進出口管線柔性設計
宋義偉 ， 郭慧軍 ， 張永東 ， 田 鶴 ， 楊振東 ， 安宗旺
(1．中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘062552；
2．中國石油冀東油田分公司，河 E 唐山063200)
摘要：分析了大型儲罐進出口管線柔性設計的必要性，介紹了金屬軟管和波紋補償器的結構形式、
作用及設備選型需考慮的因素，提出了在進行儲罐罐前柔性安裝時應注意的問題。
關鍵詞：儲罐；金屬軟管；柔性設計；波紋補償器；選型；安裝
中圖分類號：TQ 050．3；TE 972．1 文獻標志碼：B
Flexible Design in the Inlet and Outlet Pipeline of
Large Storage Tank
SONG Yi—wei ，GUO Hui-jun ，ZHANG Yong-dong ，
TIAN He ，YANG Zhen—dong2，AN Zong-wang2
(1．North China Company，China Petroleum Engineering Co．Ltd．of CNPC，
Renqiu 062552，China；2．Jidong Oilfield Company of CNPC，Tangshan 063200，China)
Abstract： The necessity of flexible design in the inlet and outlet pipeline of large storage tank
was analyzed． The structure，function and selection of equipment of metal hose and corrugated—
pipe com pensator were presented． The m atters that needed attention about installation of m etal
hose and corrugated—pipe com pensator were also introduced simply．
Key words：storage tank；metal hose；flexible design；corrugated—pipe Compensator；selection；
jnsta11arion
儲罐作為儲備庫最重要設備，近年來隨著國內(nèi)
原油、成品油儲備庫建設規(guī)模的不斷加大，其設計、
建造技術也在不斷迅速提高。大型儲罐單位儲油耗
鋼量和占地面積均低于小容量儲罐，可有效節(jié)省投
資和建設用地。因此，儲罐建設的總趨勢是大型化。
對于大型儲罐，為了防止儲罐的沉降引起的危
險，在其進出口一般均應當設置柔性連接。根據(jù)
GB 50074-2002~石油庫設計規(guī)范》6．0．16條規(guī)定，
油品儲罐的主要進出口管道宜采用撓性或柔性連接
方式_】]。SY／T 4O73 94《儲罐抗震用金屬軟管和
波紋補償器選用標準》則從抗震設防方面對此做出
要求[2]，抗震設防烈度為6～9度地區(qū)安裝的常壓立
式圓筒形鋼制儲罐主要進出口管線應安裝金屬軟管
或波紋補償器。此條款在GB 50341-2003~立式圓
筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》中也有相應的規(guī)定口]。
為此，近年來新建和改擴建的油庫工程中，在儲油罐
與管道之間均采用了柔性連接，以降低儲油罐區(qū)危
險。文中對儲罐進出口管線采用的柔性連接方式進
行分析，提出了在進行儲罐罐前柔性安裝時應注意
的問題。
1 儲罐進出口設置柔性連接必要性
在儲罐罐體安裝施工完成后，需進行充水沉降
試驗，以觀測基礎沉降是否在設計允許的范圍內(nèi)。
收稿日期：2010—08—25
作者簡介：宋義偉(1977一)，男，河北黃驊人，工程師，碩士，主要研究方向為油氣儲運工程。
石油化工設備 201i年第4O卷
待基礎沉降穩(wěn)定后，方可進行工藝配管的安裝。但
在儲罐使用過程中仍會發(fā)生基礎繼續(xù)下沉的現(xiàn)象，
特別是大型儲罐基礎，不均勻沉降現(xiàn)象更為嚴重且
極難控制。當儲罐基礎不均勻沉降達到一定程度，
會造成儲罐罐體和進出口管線之間的二次應力，使
管線發(fā)生彎曲變形。此外，根據(jù)相關資料，在地震烈
度大于或等于7，度、地質松軟的情況下，當發(fā)生7，度
以上地震時，儲罐會發(fā)生相應的翹離。這種動態(tài)的
翹離運動會加大地震對儲罐的破壞程度，使罐底產(chǎn)
生過大應力，在進出口管線的約束下，進一步造成罐
底和罐壁的毀壞。因此，在工程設計中應盡可能采
取措施使管線與罐壁柔性連接，避免剛性連接。
2 金屬軟管與波紋補償器結構及特點
金屬軟管和波紋補償器的主要構件都是金屬波
紋管，其材質有奧氏體不銹鋼、Monel、Ioconel等。
金屬軟管和波紋補償器具有良好的撓性，其縱向鋼
度和抗彎鋼度小，可以在額定曲率半徑內(nèi)工作，具有
很強的抗腐蝕能力和很好的溫度穩(wěn)定性。金屬波紋
管的彈性決定了是否具有良好的柔軟性和抗疲勞
性，使其很容易吸收各種運動變形和循環(huán)載荷，尤其
在管路系中有補償大位移的能力。
用作金屬軟管的波紋管公稱直徑為4～
400 mm，材料壁厚為0．15～1．5 mm。用作波紋補
償器的的波紋管公稱直徑為40～ 4 000 mm，材料
壁厚為0．2～ 4 mm。有些特殊使用場合，也有公
稱直徑超過4 000 mm，壁厚達到幾十毫米的情況。
2．1 金屬軟管
金屬軟管主要由波紋管、網(wǎng)套和接頭組成，具有
防震、承受彎曲、吸收應力的作用。
(1)波紋管波紋管是金屬軟管的主體，起撓性
作用，是一種具有橫向波紋的圓柱形薄壁殼體。在
軸向拉力或壓力作用下，可以伸長或者縮短。如果
給它施加一個產(chǎn)生彎曲力矩的橫向力，則可以沿軸
平面得到相應的位移，具有很強的抗腐蝕能力和很
好的溫度穩(wěn)定性。
(2)網(wǎng)套 網(wǎng)套起加強、屏蔽的作用，是由不銹
鋼絲或卷鋼帶按照一定的參數(shù)編織而成的，屬于安
裝在壓力管道中的主要承壓件。因此，金屬軟管具
有較大的承載能力。根據(jù)管道中的壓力大小及應用
場所，可以選擇1層或多層的不銹鋼鋼絲或鋼帶進
行編織。
(3)波紋金屬軟管兩端的接頭 接頭的作用首
先是將網(wǎng)套與波紋管聯(lián)接為一體，同時，接頭又是金
屬軟管與金屬軟管或其它管件、設備相聯(lián)接的部件。
接頭的材料通常與波紋管、網(wǎng)套的材料相同，多以不
銹鋼為主。接頭的結構形式大體上分為螺旋式、法
蘭盤式和快速式3大類，對于大型儲罐，一般采用法
蘭盤式接頭。根據(jù)文獻[3]中的規(guī)定，當公稱直徑不
大于600 mm時，宜采用一端平焊，一段松套的法蘭
連接形式。平焊法蘭可按照JB 8l 94《平焊鋼法
蘭》選用 ]，松套法蘭可按照JB 83—94《平焊環(huán)松套
法蘭》選用 。
2．2 波紋補償器
波紋補償器也稱伸縮器、膨脹節(jié)，主要由波紋管
和端管、支架、法蘭及導管等附件組成，具有吸收管
線、導管及容器等由熱脹冷縮等原因而產(chǎn)生的尺寸
變化，或補償管線、導管、容器等軸向、橫向和角向位
移的作用。
與金屬軟管相比，波紋補償器外表無金屬絲或
金屬套編制的網(wǎng)套，但裝有拉桿、鉸鏈、加強環(huán)之類
約束裝置，同時波紋管內(nèi)還設有2個帶位移的內(nèi)襯
筒，2個內(nèi)襯筒分別通過外緣固定在左右法蘭上，內(nèi)
襯筒中段空缺處設有由導流筒、導流筒環(huán)板、套筒、
套筒環(huán)板構成的伸縮圈。
波紋補償器種類較多，按特性分為軸向型(內(nèi)壓
和外壓或有推力和無推力或架空型直埋型)、角向型
(平面和復式)和橫向型(平面和復式)3種。大型儲
罐進出口使用的波紋補償器為大拉桿、橫向型波紋
補償器。這種補償器屬于約束型補償器，由中間管
所連接的2個波紋管及拉桿、端板和球面與錐面墊
圈等結構件組成，能吸收任一平面內(nèi)的橫向位移并
能承受波紋管內(nèi)壓推力，其結構簡圖見圖1。
囂’一避
(a)結構簡圖 (b)橫向變形
圖1 大拉桿補償器結構及變形
3 設備選型安裝要求
3．1 地震設防烈度和場地類別
在地震作用下，儲罐罐壁發(fā)生翹離或者罐基礎
發(fā)生不均勻沉降、傾斜現(xiàn)象，使得儲罐和配管連接處
遭到破壞，這是常見的地震災害之一。根據(jù)文獻[2]
的要求，在6度區(qū)Ⅳ類場地上的儲罐上應當安裝金
屬軟管或波紋補償器。罐前安裝的金屬軟管或者波
紋補償器的橫向補償量主要與地震烈度有關，軟管
第1期 宋義偉，等：大型油品儲罐進出口管線柔性設計
和補償器的最大橫向位移補償量與地震烈度的關系
見表1[ 。
表1 儲罐進出口金屬軟管或波紋補償器橫向
補償量與地震烈度關系
3．2 儲罐基礎下沉和不均勻沉降量
隨著油品儲罐建設規(guī)模的加大和建設投資相應
減少的趨勢，由于地質條件的限制，基礎自然下沉的
問題給設計人員帶來困擾。基礎幾十米甚至上百米
的儲罐，很難找到均勻一致的地質條件，尤其是飽和
松砂、軟塑至流塑的輕亞粘土、沖填土及人工填土的
儲罐基礎。儲罐投產(chǎn)后很可能會發(fā)生整體下沉或局
部不均勻下沉。目前，各國標準對儲罐的下沉量均
有規(guī)定，但由于儲罐下沉造成的連接管道和罐壁損
壞是必須解決的問題。
在儲罐進出口連接管路上設置金屬軟管或波紋
補償器是解決這一問題的好辦法。因此，選擇合適
的金屬軟管或波紋補償器使補償量能滿足相應要求
就顯得尤為重要。
3．3 介質性質和工作溫度
儲罐儲存和輸送油品的性質對波紋管材質選擇
有很大的影響。目前，常用的波紋管材料一般為具
有優(yōu)良的耐蝕性的奧氏體不銹鋼(SUS304、
SU$304L、SUS316、SUS316L、SUS321等)，高溫腐
蝕環(huán)境下，可以選用Incoloy800H 或者Inconeil600
材質。
常見介質條件下波紋管推薦材料見表2。
表2 各種介質條件下波紋管的推薦材料
水
海水
蒸汽
原油
輕質油
重油
低溫鍋爐氣
高溫鍋爐氣
煤氣
煙氣
空氣
氧氣
氮氣
焦爐氣
煉油廠催化裂化
高溫裝置
3．4 接管直徑和連接方式
金屬軟管或波紋補償器的公稱通徑一般與儲罐
的進出口管徑保持一致。根據(jù)金屬軟管或波紋補償
器的特點，當儲罐進出口管徑在DN400 mlTl以上
時，常選用波紋補償器；進出口管徑在DN40O mm以
下時，選擇金屬軟管。
管線與軟管或補償器的連接方式主要有焊接和
法蘭連接2種，由于儲罐區(qū)不允許動火。因此，為保
證罐區(qū)安全，通常采用法蘭連接方式。
3．5 長度選擇
軟管長度可根據(jù)儲罐沉降、溫度變形、安裝偏差
和地震等因素產(chǎn)生的橫向位移來確定。對于一定長
度的軟管，有一個最大允許橫向位移量。在進行金
屬軟管和波紋管補償器選擇時，可參考文獻[2]表
3．2．2和表3．2．3提供的數(shù)據(jù)。
3．6 與儲罐的共振影響
儲罐與主要進出口管線的剛度比和質量比相差
較大，如果兩者的基本自振頻率相同和相近，在地震
作用下將發(fā)生共振，從而加重破壞程度。根據(jù)文獻
[2]要求，金屬軟管或波紋補償器的自振頻率應高于
儲罐基本自振頻率的5O 。
實驗及理論計算表明，儲罐用金屬軟管的自振
頻率一般在10 Hz以上。因此，當儲罐的基本自振
頻率不大于7 Hz時，可不考慮儲罐與金屬軟管或波
紋補償器的共振影響。
儲罐與儲液耦連振動基本自振頻率按照下式進
行計算：
1
式中，， 為儲罐與儲液耦連基本自振頻率，Hz
為底圈罐壁平均半徑，t? 為液面高度1／3處的
罐壁厚度(不包括腐蝕裕度)，h 為液面高度，m；
r0為儲罐體形系數(shù)，按文獻[3]表4．0．5進行
選擇。
根據(jù)式(1)，對目前國內(nèi)2萬m。以上的大型儲
罐的基本自振頻率進行計算，計算結果見表3。
表3 幾種儲罐的自振頻率
石油化工設備 2011年第4O卷
3．7 軟管與波紋管膨脹節(jié)的選擇
在進行儲罐進出口柔性設計時，可選用大拉桿
補償器和金屬軟管。就設計制造標準來說，大拉桿
型波紋補償器的設計制造有嚴格的標準。同時，其
疲勞壽命計算、自振頻率計算要比金屬軟管計算科
學準確。
在運行過程中，由于內(nèi)壓產(chǎn)生的盲板力全部由
大拉桿補償器自身的拉桿承受，不會對與其相連接
的設備(儲罐)產(chǎn)生更大的作用力，因而可以保證儲
罐的管口受力在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。法蘭的受力也
要在允許的范圍內(nèi)，以保證法蘭不會發(fā)生密封失效。
通過控制波紋管的單層厚度和層數(shù)來控制其自振頻
率、剛度及補償量，以滿足相關規(guī)范的要求。
金屬軟管的相關計算是模糊的，更沒有自振頻
率和疲勞壽命的計算，其使用壽命未知。由于內(nèi)壓
作用，其管體本身會伸長大約15 。因而，盲板力
必然會作用到儲罐的管口上，會引起設備接管處的
局部應力超標、法蘭泄漏，尤其是對管徑大于等于
DN400 mm的管道，其潛在的風險更大。
目前，國外一些公司在進行罐區(qū)設計時，基本上
也是以DN350 mm分界，大于DN350 mm 的接管
采用大拉桿波紋補償器，而小于DN350 mm 的接管
采用金屬軟管。
4 安裝要求及應注意的問題
4．1 安裝方式
金屬軟管和波紋補償器通常安裝在儲罐前閥門
與管道連接處，而且其后也應有控制閥門，使儲罐與
管道之間形成軟連接，以便于金屬軟管的檢修以及
更換。
金屬軟管和補償器主要吸收系統(tǒng)產(chǎn)生的橫向位
移，而系統(tǒng)產(chǎn)生的軸向位移需要由管道的布置來吸
收。目前常見的安裝方式主要有I 型和Z型，兩種
安裝方式示意圖見圖2。
從圖2可以看出，采用Z型安裝管系的軸向位
移可由管系自身吸收，從而減少了波紋管和罐壁的
軸向應力，有利于管系的穩(wěn)定。而采用L型安裝管
道所產(chǎn)生的軸向應力將作用于波紋管和罐壁，對設
備造成一定的損害。
軸向熱脹量按下式計算_7 ：
△Z—La1At (2)
式中，△z為管道熱脹量，cm；L為固定支架間距，m；
a 為管道用鋼材的線膨脹系數(shù)，cm／(m ·℃)；At
為管道安裝溫度和工作溫度的溫差，℃ 。
(a)I 型
金屬軟
(1o)Z型
圖2 儲罐罐前安裝方式示圖
以某油庫罐前安裝管線為例，從罐壁出口到主
管道距離為30 ITI，儲罐罐前管線安裝溫度和工作溫
度的溫差大約為30 ℃ ，鋼材的線膨脹系數(shù)為
0．001 25 cm／(m ·℃)，則這段管線的熱脹量為
1．125 cm，補償量較小。由于從儲罐出口到罐前匯
管距離較近(一般只有十幾米)，同時管道安裝與工
作時溫差較小。因此，目前國內(nèi)安裝的儲罐仍有很
大部分采用L型安裝方式，采用此方式具有整體整
齊美觀、減少管道安裝長度的優(yōu)點。
4．2 安裝中應注意問題
(1)在安裝金屬軟管和波紋補償器時，應將其保
持在自由狀態(tài)下直線安裝。
(2)在吊裝過程中，不應采用對產(chǎn)品有損害的吊
裝方法。
(3)如果在設計時未進行特殊考慮，則禁止采用
使金屬軟管和波紋管膨脹節(jié)變形的方法來調整管道
的安裝偏差，也不應該采用強制拉緊法蘭、螺栓的方
法消除安裝偏差。強行拉、壓或者彎曲會造成金屬
軟管的網(wǎng)套脫網(wǎng)。壓縮安裝后，設備在輸送介質時
會產(chǎn)生垂直于波紋管的力，使波紋管產(chǎn)生較大幅度
上下擺動，造成波紋管疲勞受損。采用機械硬性壓
縮可能將波紋管壓壞。硬性安裝違反了金屬軟管和
波紋補償器安裝的基本原則，在安裝過程中是必須
避免的。
(4)必須注意保護波紋管，使其免受敲擊、劃傷、
焊液飛濺等原因造成的損害。
(5)在金屬軟管和波紋管補償器上不應設置任
何托架或支撐。
(6)在管道、金屬軟管(膨脹節(jié))和支架等管道系
統(tǒng)安裝完畢進行系統(tǒng)試壓之前，應將膨脹節(jié)的運輸保
護裝置拆除，這些保護裝置一般涂有黃色油漆。同時
應當注意不能將非運輸保護裝置的膨脹節(jié)附件拆除。
第4O卷第1期
2011年1月
石油化工設備
PETRO—CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．40 NO．1
Jan．2011
文章編號：1000—7466(2011)0l一0103一O4
亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼封頭應力開裂分析
杜紅元 ， 魏獻玲 ， 胡效軍
(1．中原石油勘探局工程建設總公司，河南濮陽457003；
2．華北油田分公司基建工程部，河北任丘062552)
摘要：對低溫條件下使用的亞穩(wěn)態(tài)奧氏體封頭在使用后不久產(chǎn)生的開裂原因進行了詳細分析，指
出了在內(nèi)應力及復雜介質條件下采用亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，其封頭的成型工藝會直接影響產(chǎn)品質
量，并提出了改進措施。
關鍵詞：封頭；奧氏體不銹鋼； 成型；內(nèi)應力；開裂
中圖分類號：TQ 050．3；TE 965 文獻標志碼：B
Analysis on Stress Cracking of Sub—stabilization Austenitic
Stainless Steel Elliptical Head
DU Hong-yuan ，WEI Xian—ling ，HU Xiao-jun
(1．ECGC of ZPEC，SINOPEC，Puyang 457003，China；
2．Base Construction Engineering Section of Huabei Oilfield Company，Renqiu 062552，China)
(7)在進行設備安裝時，可在軟管或膨脹節(jié)遠離
儲罐的一端設置一段短管，通過調整短管的尺寸來
補償安裝偏差。
5 結語
對儲罐進出口管線柔性連接的必要性，柔性連
接方式及金屬軟管和波紋補償器的結構、特性及安
裝注意事項進行了詳細的分析，認為可根據(jù)儲罐進
出口管線管徑大小確定金屬軟管或波紋補償器的選
擇，當管徑為DN150 mm～DN400 mm 時，宜設置
金屬軟管；當管徑在DN400 mm 以上時，宜設置雙
波紋拉桿式波紋補償器。
設備選型時，應當綜合考慮地震設防烈度、場地
類別、工藝布置、工作溫度、輸送介質、氣候條件、管
徑大小和最大位移補償量等因素，使設備既能滿足
柔性管件的橫向位移，也能滿足由各種因素產(chǎn)生的
軸向位移。
參考文獻：
E1] GB 50074- 2002，石油庫設計規(guī)范Es]．
[2] SY／T 4O73 94，儲罐抗震用金屬軟管和波紋補償器
選用標準Is]．
[3] GB 50341-2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范
[s]．
[4] JB 81～94，平焊鋼法蘭r-s]．
Es] JB 83～94，平焊環(huán)松套法蘭[s]．
[6] 李征西．油品儲運設計手冊[M]．北京：石油工業(yè)出版
社，1997．
[7] 張德姜．石油化工工藝管道設計與安裝[M]．北京：中
國石化出版社，2007．
[8] 張金和．管道安裝工程手冊l-M]．北京：機械工業(yè)出版
社，2006．
[9] 董同武．熱力管道的補償設計及典型問題分析[J]．石
油化工設備，2005，34(1)：40-42．
[1o]韓麗艷，劉 錄，車俊鐵．高壓乙烯壓縮機出入口管線振
動分析及改造__J]．石油化工設備，2007，36(6)：98～100．
[¨]賈振柱，左才，李希會．煙機入口膨脹節(jié)變形過熱應
力評定及分析[J]．石油化工設備，2005，34(4)：34—36．
[12]顧海明，黃振仁，廖傳華．管道柔性設計EJ]．石油化工
設備，2001，30(6)：32—34．
(許編)
收稿日期：2010-07—28
作者簡介：杜紅元(1974一)，男，河南濮陽人，工程師，主要從事壓力容器設計、制造及質保體系管理工作。

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