马明新

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院,山东东营257017)

撬装加油站的核心是撬装式加油装置,撬装式加油装置是集地面防火防爆储油罐、加油机、自动灭火器于一体的地面加油系统,具有防火防爆、安全环保、占地面积小、安装灵活方便等特点[1-2]。传统的储油罐包括一个单层罐体,在罐体的下方竖向设置卸油管、加油管和油气回收管,这些管道的上端穿过罐体底部的通孔后,伸到罐体内[3]。由于泄油管、加油管和油气回收管都设在罐体下方,这样就导致储油罐的整体高度较高、体积较大,且安装要求较高,在狭小的空间无法安装使用。同时,传统的汽油汽化炉内装有汽油,向内充气加压后,空气与汽油的蒸发气体混合成可燃气体,当遇明火或静电时,罐内的混合气体就会燃烧,容易引起油罐爆炸。

1 普通油罐传热分析

利用ANSYS软件建立储油罐的有限元模型,进行热分析[4-5]。ANSYS几何模型并划分网格如图1所示。

罐内流体温度为505.36 K,与罐壁的对流换热系数为1 419.57 W/(m2·K),接管内流体的温度为310.92 K。接管与罐为同一种材料,它的热物理性能如表1所示。

图1 储油罐几何模型

表1 油管材料的热物理性能

如图2所示为普通油罐热分析结果,从图中可以看出,温度升高速度快,罐内油温基本和外界温度相同,当外部遇到明火时,容易发生爆炸。

图2 ANSYS热分析结果

2 防爆油罐的设计与有限元分析

2.1 防爆油罐的设计

防爆油罐包括罐体,安装在罐体上的充气嘴、压力表、注油口和出油阀。罐体分为储气仓和储油仓,储油仓内填充铝合金抑爆材料,充气嘴通过输气管与储气仓相通,充气嘴上安装指示气压的压力表。

图3为设计的油罐主视图和使用材料的剖面图。

在图主视图中,罐体2的下部焊有底座1,罐体2被隔板3分成上、下两部分,上部分为储油仓2.2,下部分为储气仓2.1。在罐体2的顶盖上安装充气咀8,充气咀8通过输气管9与储气仓2.1相通,充气咀8附带指示压力的压力表7。在罐体顶盖上还安装调压阀1l,与储油仓2.2相通的油压压力表4、注油口10和出油阀5。充气咀8还通过管路6依次连接调压阀11和油压压力表4。储油仓2.2内填充铝合金抑爆材料。储气仓2.1内的气体经调压阀11减压后送入储油仓2.2,使其中的汽油从出油阀5流出。在使用材料图中,储油罐体使用材料,由内到外分别为铝合金、玻璃纤维、不锈钢,其中铝合金厚度为罐体壁厚的1/8,玻璃纤维厚度为罐体壁厚的1/2,不锈钢材料厚度为罐体壁厚的3/8。

由于该罐储油仓内充满铝合金抑爆材料,储油仓内的大部分空间被抑爆材料分割成若干“蜂窝”小空间。当空气与油的蒸发气体混合后,就会被“蜂窝”小空间所分隔,使可燃气体的浓度达不到爆炸极限,因此可有效地防止爆炸事故发生。

图3 设计油罐主视图及使用材料剖面图

2.2 防爆油罐的传热分析

对于设计后和设计前的油罐传热情况用进行热分析,如图4所示,从图中可以看出,当外界温度达到699.8 K时,单层储油罐罐内温度达到678.97 K,而改进设计后的储油罐采用三层设计,罐内温度只有454.86 K,有效的降低有罐内温度。

2.3 防爆油罐的有限元热应力分析

分析中简化储油罐结构为圆筒形储油罐,假设储油罐的底面积半径均为1.261 6 m,那么10 m3和20 m3储油罐的高度分别为2 m和4 m,储油罐的厚度设为10 mm。

分析中假设储油罐遇火后受温均匀,所受温度为873 K,原始温度为273 K,取热传导系数为定值60 W/(m·K-1),通过变换储油罐的弹性模量和热膨胀系数,分别取9种不同的性能参数组合,进行10 m3和20 m3不同容量下储油罐遇热应力分析。

图4 油罐传热温度云图

2.3.1 10 m3储油罐热应力分析

通过图5可以看出,储油罐遇火后最大的热应力分布于储油罐的上端面外侧,热位移最大值分布于上端面中部。

图5 10 m3储油罐弹性模量为1.5×1011Pa、热膨胀系数8×10-6下热应力分析

表2 九种材料性能组合下的热应力和热位移分析数据

通过表2可知:

(1)在相同弹性模量和传导率的条件下,热膨胀系数对热应力影响不大,影响在1%以下。

(2)在相同热膨胀系数和传导率的条件下,弹性模量越大,热应力越大,但热位移越小,这是由于弹性模量越大,刚度越大,材料越难变形,因此热位移越小,热应力越大。

(3)若储油罐的屈服强度为600 MPa,以上材料性能参数的10 m3储油罐都能符合要求。

2.3.2 20 m3储油罐热应力分析

同10 m3储油罐相同,20 m3储油罐遇火后最大的热应力分布于储油罐的上端面外侧,热位移最大值分布于上端面中部。

对比表2,由表3可以看出:

(1)在同种材料性能参数(弹性模量、热膨胀系数、传导率)条件下,10 m3油罐比20 m3油罐所产生的热应力要大,但热位移小。

(2)若储油罐的屈服强度为600 MPa,20 m3储油罐强度符合要求。但同等材料性能参数下,20 m3储油罐所产生的热应力更小,因此在材料选择和加工工艺上具有更广泛的优势。

表3 九种材料性能组合下的热应力和热位移分析数据

3 结 论

(1)储油罐遇火后最大的热应力分布于储油罐的上端面外侧,热位移最大值分布于上端面中部。

(2)在相同弹性模量和传导率的条件下,热膨胀系数对热应力影响不大,热膨胀系数与热位移成正比;在相同热膨胀系数和传导率的条件下,弹性模量与热应力成正比、与热位移成反比。

(3)在同种材料性能参数条件下,20 m3油罐比10 m3油罐所产生的热应力要小,在材料选择和加工工艺上具有更广泛的优势。