王江云 肖 浪 刘建新 贺 娇 魏耀东

（1.中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院；2.中国石油新疆油田公司工程技术公司）

在油田开发中，二氧化碳驱油技术是一种能够大幅度提高中低渗油藏采收率的采油工艺。 二氧化碳驱油工艺将CO2注入地下油层中改变原油、水和油藏的某些性质，促使原油更容易被采出，提高油气采收率，还可以实现CO2的地质封存，具有很好的经济效益和社会效益。 二氧化碳驱油技术需要将CO2捕集、压缩、液化，再用低温罐车运输至油田井场，并卸入油田井场的CO2储罐中储存，再实施注入地下操作。 一般油田井场CO2的注入系统是以CO2储罐为中心， 配置输送屏蔽泵、输送管道、水浴式汽化器及多台并联注入泵等附属设施［1，2］。 因此，CO2储罐是二氧化碳驱油工艺的重要设备，需要合理、可靠的设计。

1 撬装CO2 储罐的特点

CO2的物理性质直接影响其储存与输送工艺。 常温常压下CO2是一种无色无味、可溶于水的气体， 熔点－78.5℃， 沸点－56.6℃， 气态密度1.997g/L（0℃，101.325 0kPa），液态密度0.929 5kg/L（0℃，101.348 5kPa）。 CO2的临界温度为31.4℃，临界压力为7.387MPa。

液态CO2储罐的结构与常规压力容器的结构有很大不同。 为满足保冷要求， 中小型的CO2储罐通常采用独特的双层容器套装结构。 这是一种真空绝热低温压力容器，其结构根据不同要求在密闭的内容器和外容器夹层之间填充绝热填料，并且使夹层达到一定的真空度。油田井场CO2储罐有时为了便于移动和运输需要将CO2储罐本体及其附件（包括管线、阀门、仪表及电缆等）布置在一个公共基座上， 形成一个独立的撬装体。 因此，撬装CO2储罐的设计与常规压力容器相比，不仅承受高压，需要绝热保温，而且还要考虑移动、运输等问题，相应的安全和检验要求也有一定的特殊性，因此对撬装CO2储罐设计提出了更高的要求。 笔者以一台中型撬装液态CO2储罐为例对设计要点进行探讨。

2 CO2 储罐的设计要点

2.1 设计标准

液态CO2储罐具备储存液态CO2和气态CO2的双重功能［3］。通常CO2储罐是在－30℃低温条件下运行、使用的，属于低温压力容器。 我国针对低温压力容器管理、设计、制造［4］、检验和验收的主要规程和标准有TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB 150.1～150.4—2011《压力容器》、GB/T 18442—2011 《低温绝热压力容器》及GB 3531—2008《低温压力容器用低合金钢钢板》等。

2.2 材料选择

通常碳钢金属材料随着使用温度的降低，会由延性状态向脆性状态转变， 降低抗冲击性能。因此，低温压力容器的材料选择主要考虑金属材料在低温时产生的低应力脆性破坏。 液态CO2储罐的双层套装结构，内容器和外容器所处的温度环境不同，材料选择也有所不同。 综合考虑碳钢材料的机械性能、制造工艺和焊接性能，液态CO2储罐的内容器材料选用16MnDR（正火状态）低温用低合金钢，使用温度为－40℃。 内容器及主要受压元件用16MnDR 钢应进行低温V 型缺口冲击试验，保证相应的低温条件下具有足够的低温韧性。 锻件材料选用16MnD， 合乎NB/T 47009—2010《低温承压设备用低合金钢锻件》的规定，级别需大于等于Ⅲ级，需要进行低温V 型缺口冲击试验，冲击功值不得低于HG/T 20585—2011《钢制低温压力容器技术规定》的要求。 外容器属于常温容器， 壳体材料用具有优良焊接性能的Q345R 普通碳素钢。

2.3 结构形式和尺寸

考虑到一般油田井场CO2注入系统的生产条件，CO2储罐采用卧式容器结构，同时具有撬装功能，便于运输、吊装、安装和维护。CO2储罐总体结构采用双层容器套装结构。 在容积相等的情况下，需首先确定容器的最优长径比，通过优化和对比分析，使主要受压元件筒体和封头在相等容积下容器壁厚相对较薄， 一方面降低储罐的重量，另一方面提高材料的利用率。设计的液态CO2储罐的结构形式和尺寸如图1 所示，主要由内容器 （φ2000mm×16mm）、 外 容 器 （φ2600mm×10mm）、支撑构件及其他附件（包括各种管路系统、安全附件等）构成。

图1 CO2 储罐的结构形式和尺寸

液态CO2储罐局部的结构形式设计主要考虑应力集中对低温脆断的影响，主要是尽量降低局部的应力集中。 一般结构不连续和焊接产生的残余应力都会引起应力集中，进而成为低温脆断的起源。 为此，设计中要求尽量降低结构不连续导致的局部高应力，结构收缩和膨胀变形引起的温差应力，使结构具有足够的柔性，同时降低过大的温度梯度。 例如，避免结构形状突然变化而采用光滑过渡； 容器的支撑部位设置垫板等措施。

2.4 设计参数选取

2.4.1 设计压力与设计温度

一般液态CO2储罐有保温措施时，容器设计压力取1.6～2.5MPa。 考虑到该CO2储罐有保温措施和工作压力2.0MPa，最后取设计压力2.2MPa。设计温度上限应根据设计压力对应的温度确定，设计温度下限则根据受压元件材料的使用温度确定。 考虑到液态CO2储罐工作温度为－30℃，最后取设计温度为－40℃。 负压根据GB 150.1～150.4—2011《压力容器》规定的罐体外压载荷确定。 依据TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》中的分类CO2介质分组为第一组介质，根据液态CO2储罐的PV 值，容积为20～30m3，压力为2.2MPa，查压力容器类别划分图，该容器属于三类容器。

2.4.2 焊接接头系数

液态CO2储罐的焊接接头系数按HG/T 20585—2011 《钢制低温压力容器技术规定》选取， 所有A、B 类焊接接头进行100%射线或超声检测，设计计算的焊接接头系数取φ=1.00。 因此内容器取焊接接头系数1.00，外容器属于常温容器，取焊接接头系数0.85，腐蚀裕量2.0mm。

2.4.3 额定充满率

液态CO2储罐额定充满率根据储罐的重量限制和标准要求的气相空间确定。 GB/T 19905—2017《液化气体汽车罐车》的要求是2.0%气相空间，而TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》要求是5.0%气相空间，综合考虑到撬装CO2储罐的使用特点，气相空间取10.0%，则额定充满率为90.0%。

2.5 容器强度和稳定性的设计计算

液态CO2储罐采用双层容器套装结构，在压力形式上，内容器筒体和封头承受内压，按照内压容器进行设计， 外容器筒体和封头承受外压，按照外压容器进行设计。在重量载荷上，CO2储罐载荷分为两种情况， 空罐静载荷和满载罐静载荷。 内容器和外容器的壁厚设计计算及校核按照GB 150.1 ～150.4—2011 《 压 力 容 器》、GB/T 18442—2011《固定式真空绝热深冷压力容器》和JB/T 4731—2005《钢制卧式容器》中的规定执行。针对各种工况条件下，对容器可能出现最大应力的部位进行强度校核或稳定性校核。 例如，内容器属于卧式内压容器，按照卧式容器进行强度校核，容器中间横截面上由压力和轴向弯矩引起的轴向应力，在容器支承平面上或靠近支撑平面处圆筒的轴向应力均不超过设计温度下材料的许用应力值。

液态CO2储罐的内容器采用环氧玻璃钢八点支撑结构固定在外容器内，其中4 点为纵向滑动支撑结构，另外4 点为固定支撑结构。 外容器承受外压，采用在容器内部设置多组加强圈来提高筒体承载能力、节省钢材、降低成本。 加强圈采用型钢制造，尺寸则需要单独设计计算。

2.6 保温方式选择

为了保持CO2储罐的低温状态必须采取绝热保温措施。 一般绝热低温真空容器漏热源主要有：通过绝热体的综合漏热；通过容器吊柱、管路及支撑等机械部件的漏热。 因此在绝热方式和绝热材料确定后，容器的结构形式、材料选择及焊接工艺的合理性等各个环节是影响高真空绝热低温容器保温性能和正常使用的重要影响因素［5］。

一般CO2储罐采用的保温方式主要有3 种基本类型：高真空绝热、真空粉末绝热、真空多层绝热。 撬装CO2储罐釆用真空粉末绝热保温方式，绝热材料采用珠光砂（膨胀珍珠岩）。 在全封闭的真空条件下，按照设计的充填程序确保夹层空间的真空度和珠光砂充填密度。 此外内容器和外内器之间的夹层空间确保抽至真空状态，以消除绝热空间气体的对流和传导，维持低温CO2储罐的正常工作。 真空度需要控制在不小于3Pa 的范围，此时导热系数的变化很小［6］。一般保温层厚度达到12mm 时静态蒸发率的变化趋于平缓［7］，夹层空间的尺寸满足这个要求。

2.7 内容器支撑方式

内容器通过支撑件与外容器相连接，支撑件应最大程度减小外部热量进入内容器。 支撑件的结构形式有：玻璃钢支撑结构、吊拉带结构、玻璃钢和吊拉带结合结构以及钢管和胶木支撑结构等。 这些支撑结构不在低温容器设计标准所列结构之中，因此需要对这些结构及对应的储罐部位进行强度和刚度分析［8～10］。CO2储罐内外筒之间采取八点支撑，其结构简单，内外容器安装容易，尤其适用于夹层狭小的高真空绝热保温。 设置支撑件2 组共8 个热阻较大的环氧玻璃钢，其中一组为固定支撑，另一组可以允许内容器滑移，以适应储罐的热胀冷缩带来的热应力。 八点支撑结构属于接触问题，要求壳体局部有足够的强度和刚度，也要求支撑件在压、剪、弯组合载荷下有足够的强度和稳定性。 为此设置支撑件垫板，垫板直径是支撑管直径的1.8～2.0 倍， 垫板厚度是筒体厚度的1.0～1.2 倍， 综合比较支撑结构的最大应力强度与环氧玻璃钢材料的最大层间剪切力因素，支撑件的安装角度在30～40°之间力学性能达到最好［11］。

设计支撑件套筒φ320mm×10mm×30mm（L）与内外容器点焊固定。 支撑件的制造材料是环氧玻璃钢，主要由环氧树脂基体和增强材料（纤维及其织物）构成，是通过二者之间的界面复合而成的成型材料，尺寸为φ300mm×50mm×258mm（L），插入套筒中，如图2 所示。 整个液态CO2储罐固定在2 组鞍座上，牢固可靠，公共基座上设计专门的吊挂结构，可以充分保证运输和起吊过程的方便性、安全性。

图2 支撑结构

2.8 罐体接管

一般CO2罐体开孔有人孔、进出液口、液位计口、安全阀口。 在设计上，除了必要开孔外，应尽量减少罐体上开孔， 并尽量合并开孔的功能。由于CO2储罐的夹层空间有限，需要合理设计夹层管路的尺寸和形状。 由于这些管路受到低温CO2液体的冷冲击，会产生大的变形和应力，为了保证管路的安全运行，使管路具有足够的柔性变形，需要对这些管路进行柔性计算和优化。 例如，在管路的直管段增加弯头，使之转变为平面管系或立体管系，柔性增大热应力减小。 虽然设置弯头增加了管路的整体重量， 导致一次应力增大，但可以大幅度吸收温差带来的变形，缓解变形约束产生的应力，有效降低管路变形产生的二次应力［12］。

管路的柔性设计主要是计算其一次应力和二次应力， 并确保这两种应力处于准则许用的范围之内。管路中由于压力、重力和其他持续载荷所产生的一次应力（即管路的纵向应力之和）应小于材料设计温度下的许用应力。管路中由于冷缩、端点位移等所产生的二次应力（即计算出的最大应力）应小于二次应力的许用应力范围。 一般二次应力具有自限性特点， 即局部屈服或少量变形可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而使变形不再增大。管路只要不反复加载和卸载，二次应力就不会导致管路的疲劳破坏。

2.9 耐压和泄漏试验

依据GB 150.1～150.4—2011《压力容器》的规定进行内容器和外容器的水压试验。 水压试验压力为1.25 倍的设计压力。水压试验主要目的是考察容器的整体强度、刚度和稳定性，焊接接头的密封性和致密性以及密封结构的泄漏性能等。 低温压力容器的真空度是决定压力容器使用寿命的关键性能指标。 外部管道与罐体组装完毕，在水压耐压试验合格后，需与罐体一起进行气密性试验，确定容器是否存在不允许的泄漏，以确保设备的安全性。 最后要求CO2储罐封口真空度不小于3Pa，内容器漏率不大于2×10-7Pa·m3/s；夹层漏率不大于2×10-6Pa·m3/s；夹层漏放气速率不大于6×10-5Pa·m3/s。

3 结束语

液态CO2储罐是二氧化碳驱油工艺的主要设备之一，有时需要进行移动和运输，故其设计不同于一般压力容器的设计。 通过对油田撬装液态CO2储罐的设计参数确定、罐体结构形式和尺寸设计、支撑支座的分析及保冷方式选择等多方面进行了设计要点的讨论和分析，以达到最优设计的目标。