一種新型油罐進油口擴散器的設(shè)計

趙 月 王 成 傅偉慶 鄧 鑫

（中國石油管道局工程有限公司）

立式圓筒形儲油罐若進油時流體流速過快，會造成局部靜電的積聚，存在引發(fā)靜電爆炸和火災(zāi)的隱患， 因此 API 650、API RP 2003 和 GB 13348—2009［1～3］明確規(guī)定：為了避免發(fā)生靜電引起火災(zāi)爆炸，空罐進油時進油口流體流速不得高于1m/s。 在以往的油庫項目中，通常通過降低空罐首次輸油量來控制進油流速在安全流速（1m/s）以下，從而保證油罐的安全運行。 但此種方法存在操作復(fù)雜、影響油罐運行效率及增加油罐運營成本等問題，無法滿足業(yè)主“低投入高產(chǎn)出”的需求。 為此，筆者提出一種新型油罐進油口擴散器的結(jié)構(gòu)，并采用有限元方法進行模擬分析，力求得到能夠有效控制油罐進油口流體流速且制造安裝方便、經(jīng)濟性良好的擴散器結(jié)構(gòu)。

1 擴散器總體結(jié)構(gòu)

擴散器的結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒了油罐浮動吸油裝置［4］，即通過在吸油管側(cè)壁開孔的方式，降低流體進入吸油管的流速。 本課題組擬利用這種降速原理研制一種新型油罐進油口擴散器，用以解決油罐進油口流體流速過高的問題。 油罐進油口擴散器的結(jié)構(gòu)形式 （圖1） 為末端封堵的開孔直筒形式，一端與油罐進油口連接，另一端用鋼板封堵。當(dāng)油罐進油時，進油流速設(shè)定為3.4m/s，油品從擴散器上的開孔進入罐內(nèi)，進油過程如圖2 所示。

圖1 擴散器結(jié)構(gòu)形式

圖2 擴散器進油過程

2 擴散器開孔方案

2.1 有限元模型的建立

采用有限元計算分析方法對擴散器開孔方案進行研究。 建立相應(yīng)的擴散器模型：擴散器筒體尺寸 φ610mm×9.53mm， 筒體材料采用 A106 Gr.B 無縫鋼管，端部采用8mm 的盲板進行封堵。擴散器筒體沿環(huán)向、軸向均布開孔，第1 圈擴散孔中心距端部700mm， 每圈擴散孔中心間距600mm。

采用ANSYS 中的FLUENT 軟件對擴散器結(jié)構(gòu)進行有限元分析［5～7］，建立流體模型，并將模型進行網(wǎng)格劃分，在開孔處進行局部網(wǎng)格細化處理，以提高計算精度。 由于本課題關(guān)注的是空罐狀態(tài)下擴散器對流體流速的作用， 因此僅建立了介質(zhì)流體模型，且流體模型僅建立到擴散器外壁，不考慮油罐內(nèi)擴散器外部的流體影響。 流體采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，湍流模型采用k-ε模型，近壁處采用標準壁面函數(shù)法。 入口邊界條件為質(zhì)量流量入口，出口采用壓力出口。 求解方法采用SIMPLE 算法，油品比重 0.843，運動黏度 2.4mPa·s。

為了實現(xiàn)最佳的擴散效果，達到“擴散器出口截面最大流速低于1m/s”的目標，本課題組通過調(diào)整擴散器側(cè)面擴散孔形狀、擴散孔分布情況和擴散孔開孔尺寸，來計算、對比不同的結(jié)構(gòu)形式，從而確定擴散器的開孔方案。

2.2 擴散孔開孔形狀

在圓柱形筒體上開孔， 需要提供足夠的截流面積并保證一定的筒體強度， 因此擴散孔開孔形式以細條形為主。 根據(jù)設(shè)計和施工經(jīng)驗，主要選取了長方形、 長圓形和橢圓形進行了計算研究。 有限元模型的輸入條件見表1，通過有限元計算可得3 種形狀擴散孔的截面最大流速見表2。

表1 輸入條件（用于確定擴散孔形狀）

表2 擴散孔截面最大流速模擬計算結(jié)果（用于確定擴散孔形狀）

由表1、2 可知，長圓形開孔和長方形開孔的截流面積相差不大，擴散孔截面最大流速沒有明顯的差別， 而橢圓形開孔因總的截流面積較小，所以擴散孔截面的最大流速明顯偏高。 從擴散孔局部速度分布圖（圖3）可知，長方形開孔面積略大于長圓形開孔， 但在尖角處并未圓滑過渡，導(dǎo)致出現(xiàn)了擾流和細流的現(xiàn)象，因而局部流速大于長圓形開孔。 此外，長方形開孔在油壓作用下，局部可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，峰值應(yīng)力的存在也會在一定程度上影響擴散器的使用壽命；而橢圓形開孔雖然有圓滑過渡，但擴散面積較小，降速效果相對較差，與此同時，橢圓形開孔也存在加工困難的情況。 綜上分析，擴散孔的開孔形狀采用長圓形最為理想。

圖3 擴散孔局部速度分布

2.3 擴散孔的分布

油罐進油口擴散器擴散孔的分布主要通過單圈擴散孔數(shù)量和擴散孔布置圈數(shù)來體現(xiàn)。 擴散孔的數(shù)量越多，則截流表面積越大，擴散效果越好。 但是單圈擴散孔的數(shù)量過多會削弱筒體的強度和可靠性；擴散孔的圈數(shù)過多則會直接影響擴散器筒體的長度，在增加制造成本的同時，也會增加進油摩擦阻力，從而增大注油泵的負荷。 因此，合理地布置擴散孔對于確定擴散器的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

本課題組對4 種擴散孔的布置方案進行了計算分析，有限元模型的輸入條件見表3，通過有限元計算可得4 種擴散孔布置方案的截面最大流速見表4。

表3 有限元模型的輸入條件（用于確定擴散孔分布）

表4 擴散孔截面最大流速模擬計算結(jié)果（用于確定擴散孔分布）

從圖4 可以看出，布置2 擴散效果明顯好于布置1，而與布置3、布置4 相比差別不大；且相對于布置3、布置4，布置2 的擴散孔圈數(shù)較少（7圈），有效控制了擴散器筒體的長度，降低了生產(chǎn)成本，減小了進油摩擦阻力。 因此，選擇布置2 作為擴散孔的分布方案。

圖4 擴散孔速度分布

2.4 擴散孔的大小

通過以上計算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擴散器筒體上的擴散孔大小相同（30mm×500mm）、分布均勻時，接近進油口的擴散孔流速較小，而遠離進油口的擴散孔流速較高，因此應(yīng)適當(dāng)調(diào)整擴散孔的大小以達到更為有效的擴散效果。

由計算結(jié)果可知，沿著介質(zhì)流動方向，流速是逐漸增大的。 現(xiàn)逐漸增大末端開孔面積，以調(diào)整流體較為集中同時也是流速較大區(qū)域的流速，通過計算比較，結(jié)果見表5。

表5 輸入條件（非均布擴散孔）

通過表6、圖5 的對比結(jié)果可以看出，調(diào)整各圈擴散孔開孔大小不僅能在較大程度上控制流速，而且可以使流速分布得更加均勻，此時擴散器所有擴散孔的截面流速均低于0.8m/s， 擴散器降速效果滿足空罐進油時進油口流體流速不得高于1m/s 的要求。

表6 擴散孔截面最大流速計算結(jié)果

圖5 擴散器速度分布

3 擴散器與進油口連接方式

擴散器與進油口的連接主要有法蘭連接和焊接連接兩種方式。

法蘭連接是將墊片放入一對固定在兩個管口上的法蘭中間，用螺栓拉緊使之緊密結(jié)合起來的一種可拆卸的接頭。 對于本課題的研究內(nèi)容，在法蘭的選型方面需要采用標準平焊法蘭24″Class150 SO RF A105，執(zhí)行標準為ASME B16.5，材料選用A105 鍛件，壓力等級為Class150，法蘭密封面型式為突面。 螺栓采用M33mm×190mm A193 Gr.B7，螺母采用M33 A194 Gr.2H，墊片采用 SS316 24″Class150 F.G。

焊接連接是儲罐建設(shè)中最常見的連接方式，對于本課題的研究內(nèi)容，采用E4315 焊條對擴散器與進油口之間進行焊接， 采用單面兩道焊，焊縫長度為1 920mm。

現(xiàn)對法蘭連接和焊接連接兩種方式的經(jīng)濟性進行比較，結(jié)果見表7。 從表7 中可以看出，法蘭連接和焊接連接均能滿足施工方便、安全可靠的要求， 但焊接連接的經(jīng)濟性遠優(yōu)于法蘭連接的，故在此選擇焊接連接作為擴散器與進油口之間的連接方式。

表7 兩種連接方式經(jīng)濟性比較

4 擴散器的支撐形式

要想達到較好的擴散效果，則擴散器需要有足夠的擴散面積，因此擴散器一般都較長、較重；在油罐剛進油時， 油罐內(nèi)油品還未漫過擴散器，因而沒有油品提供的浮力，此時與擴散器相接的進油口不僅需要承受擴散器的重量，還要承受擴散器中油品的重量，共計約2 160kg。 此外，較大流速的油品經(jīng)過擴散器進入油罐內(nèi)時，會發(fā)生流體誘導(dǎo)振動，如果不能保證進油口與罐體的連接強度，會給儲罐乃至整個罐區(qū)帶來安全隱患。

為保證油罐安全運行，在自重和振動較大的擴散器下應(yīng)設(shè)置支腿，以減小擴散器對罐壁產(chǎn)生的間接作用力。 合理的支腿設(shè)置能較好地改善罐壁的受力情況，也不會影響油品的擴散效果。 在布置支腿時要保證支腿的位置不能影響擴散孔的擴散面積，同時還需要避開罐底板的搭接焊縫及其他的罐內(nèi)附件， 因此支腿并非越多越好，需要綜合考慮支腿的個數(shù)和位置。 考慮到以上影響因素，分別對4 種不同支腿個數(shù)布置方案進行計算分析，結(jié)果列于表8。可以看出，支腿越多，擴散器與罐壁連接結(jié)構(gòu)的受力情況越好，然而較多的支腿會在擴散孔、罐底焊縫、罐內(nèi)附件的布局上捉襟見肘， 故在此選用2 個支腿的支撐形式，不僅能夠在很大程度上改善受力情況，而且便于合理布局。

表8 不同支腿個數(shù)的受力情況

5 擴散器結(jié)構(gòu)的確定

綜合以上分析結(jié)果確定了擴散器結(jié)構(gòu)的最終方案，如圖6 所示，該擴散器具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、造價低廉及安全可靠等特點，目前已成功應(yīng)用于國外油庫項目。

圖6 油罐進油口擴散器結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語

本課題組借鑒浮動吸油裝置的降速原理，提出了一種新型油罐進油口擴散器， 通過有限元分析的方法驗證了該結(jié)構(gòu)的降速效果并確定了具體的擴散器結(jié)構(gòu)方案。 有限元計算結(jié)果顯示，該擴散器的應(yīng)用使得進油流速由3.40m/s 降至0.78m/s。本擴散器結(jié)構(gòu)成本低廉， 有效地降低油罐進油口流體流速至安全流速（1m/s）以下，解決了因進油流速過高而產(chǎn)生的靜電問題，避免了火災(zāi)事故的發(fā)生，保障了油罐高流量輸送的安全運行。