中央排水软管及金属波纹管在浮顶油罐排水系统中的使用分析.pdf

： 石 油 化 工 安 全环 保 技 术 P E T R O C H E MI C A L S A F E T Y A N D E N V I R O N ME N T A L P R O T E C T I O N T E C H N O L O G Y 2 0 1 0年第2 6卷第5期 中央排水软管及金属波纹管在浮顶油罐 排水系统中的使用分析 郑永博，杨忠平，白 帆，何灵生，李志宏 ( 中国石油庆阳石化公司项 目部，甘肃 西峰7 4 5 0 0 2 ) 摘要：通过对 中央排 水机 构结构形 式的比较 ，分析其优缺 点 ，特 别对波纹 管在 中央 排水 系统 中的使 用、波纹 管的应力腐蚀 、结构特 点和材料 ，以及 对波纹 管在原 油介质 中的 应力腐蚀和电化 学腐蚀进行详细分析 ，推 断其发展 趋势和 市场前景 ，推进技 术革新 ，从 而 保证设备安全 长周期运行 ，有利于企业减轻后期成本 。 关键词 ：中央排水机构；结构；比较 ；分析 ；优劣 在外浮顶 油罐 中，负责排 出雨 水 的 中央排 水系统是非常重要的油罐附件，其重要作用 日 显突 出。它置于油罐 内部 ，如果 出现泄漏情况 ， 油品会流入雨水 系 统 ，污 染环 境 ，产生严 重 的 安全隐患 ，威胁 性大 。只有确 保 中央排水 系统 工作状 态稳 定 、对 浮盘 作 用力 最 小 ，无 泄 漏 ， 才能保证 企 业经 济 利益 和社 会 效益 的最 大 化。 所 以中央排水 系统 的选择要 分析 比较 ，慎重对 待 ，从长计议 。 1 中央排水 系统对油罐的运行影响 ( 1 )对浮盘的侧向力影 响，容易造成浮盘对 油罐单侧长时间侧 向力运行 ，影 响密封效果 以及 刮蜡器 的正常运行和 自身 的使用寿命 ，或增大对 局部罐壁和导向机构固定侧壁的磨损 ，这是引起 浮盘卡塞的主要原因之一。 ( 2 )金属软管在使用于中央排水 系统时 ，主 要产生波纹管中段的疲劳腐蚀穿孔和法兰焊接处 的电位腐蚀穿孔。系统本身结构 的损 害及腐 蚀 ， 会引起 中央排水系统的渗漏 ，影 响油罐的安全运 行 ，并且会因为更换 中央排水 系统而 中止油罐 的 生产 ，影响油罐 的正常运行。 中 央 排 水 系 统 主 要 有 硬 性 和 软 性 之 分 ， 硬性 系统是 由钢 管 与 柔 性 接 头 或旋 转 接 头 组 成 的折 叠 形 式 的排 水 系统 ；软 性 系统 是 指 使 用全柔 性 软 管 的排 水形 式 ，两 者 各 有 优 缺 点 ( 见表 1 ) 。 表 1 硬性系统和软件性系统对比 硬性 系统 软性 系统 除个 别 经验 丰 富 的 专业 厂家 的软 管 系统 稳 定 性较 运动轨迹稳定性好 好外 ，多数 品牌 轨 迹 稳定 性差 对 浮盘侧 向力 及扭 矩大 ，是 对 浮 盘无 侧 向力 ，对非 均布 系 统 有 较 小 的 扭 矩 ， 造成浮盘卡塞的主要 因素 不会造成浮盘 卡塞 法兰 等接 合面 太多 ，本 体 的 刚性对接 合面 的作 用力 易造 成 接 合 面 少 ，且 作 用 小 ， 接合 面渗漏 ，特别是 在有 搅 拌 接合面渗漏的可能性减小 器 的油罐 中，容易渗漏 以橡 胶 或 塑 料 为 主 体 ， 使用大量钢管 ，自身负荷重 重量较轻 在最低 液位或 最 高液位 有将 在运 行 中 的变 形 被 软管 近 9 0度角的弯折状态产 生 ，对 整体 所 承 受，分 配 到 软管 的所 有 部 位 ，变 形 量 小 ， 转动部件的性能有较高要求 结构不易破坏 转 动部件 易损 毁 ，个别 部 件 柔性 管 体 不存 在 结 构失 的结构形 式还 容易 发生结 构 失 稳及溃散的问题 稳及溃散问题 对转 动部 件 的要求 较高 ，使 用 于此处 的接头形式非常少 柔性管体的形式较 多 需 考虑 芳烃 、酸碱 腐蚀 ，还 需考虑芳烃及酸碱腐蚀 特别要考虑 电化学腐蚀 使用寿命短 使用寿命长 液体运动影响小 液体运动影响大 收稿 日期 ：2 0 0 9— 0 6一 O 1 。 作者简介：郑永博，男，兰州石油学校化机专业毕 业 ，现在 中国石油庆 阳石化 公 司项 目部 从 事炼 化企 业设备管理工作 ，设备工程师。 2 0 1 0年第2 6卷第5期 * 郑永博等．中央排水软管及金属波纹管在浮顶油罐排水系统中的使用分析 2 硬性 中央排水 系统的几种形式 ( 1 )按照系统侧向力设计 ，主要分为平衡式 和不平衡式。平衡式 的设计 中，系统的总体重心 在集水坑下部 ，虽然在初始启动时仍然具有不平 衡的特点，但设计 中已经尽量降低对 浮盘 的侧 向 力 ，尽量降低 对集水 坑 ( 或罐 中心 ) 的扭矩 作 用 ；不平衡式的设计 中，系统的重心偏离集水坑 是最大 的，在所 有 的中央排 水 系统 中对集水 坑 ( 或罐中心 )的扭矩 和侧 向力都是最大 的，特别 是在使用单个中央排水系统 中，侧 向力和扭矩对 浮盘是不利的；不平衡式系统在使用时应注意对 称的原则 ，不宜单侧布置 。 在 国外知名厂家 中均采取平衡式 中央排水 系 统的设计 ，平衡式设计在硬性 系统是基本的设计 思路。两种形式如图 1所示 。 浮顶 平衡式 一 接集水坑出 口 出水 n 不平衡式 图 1 中央排水 系统 的设计 如上图所示，平衡式利用其整体结构设计， 尽量降低单侧作用力的影响；不平衡式 的设计对 于单侧作用力考虑欠周 ，其单 侧的作用力对浮盘 有侧 向作用。 ( 2 )按照系统中的转动部件 ，硬性 中央排水 系统 主 要分 为 刚性 旋 转 接 头 形 式 和柔 性 接 头 形 式 。 刚性旋转接头形式的中央排水系统 ，由于旋 转面即密封面 ，使密封 面处于旋转研磨 的工作状 态下 ，并且 受到系统 刚性扭 曲和拉压 的作 用力 ， 工作环境差，容易损坏 ，目前 国内外很少使用。 柔性接头形式在国内使用还很多 ，其 中转动 部件 ( 柔性接头) 的形式也非常多，有钢丝骨架 管 、金属软管等 ，如图 2所示。 图2 钢丝骨架管的柔陛接头 钢丝骨架管的柔性接 头由内外两层钢丝骨架 将塑料密封层夹紧，这种结构的最大特点就是具 有非常优 良的弯曲性能 ，具有 很小 的弯 曲半径 ， 可以在浮盘最低液位时弯曲 ，适应较小 的空间结 构，如图 3所示 。 - 图 3 金属软 管柔性接 头 金属软管 由波纹管、接头 和网套组成 ，波纹 管是其最主要的部件 ，波纹管是母线呈波纹形 的 回转薄壁壳体 ，是使用于金属软管 和膨胀节 中的 主体结构 ，主要用于管道 的形变补偿 ，这种补偿 的限制较大 ，一般不用于较大的角变形。 3软性中央排水系统的几种形式 软性 中央 排水 系统 均是 由整体 软管 作 为主 体 ，软管的长度根 据罐 的最 高介 质高度而不 同， 一 般在 2 0～ 2 5 r n 。软管的结构形式主要是橡胶和 塑料两种 ，橡胶 金属复合软 管 以 ME S A为代表 ； 塑料金属软管 以 C O F L E X I P为代表 。目前这种排 水系统是 国内外使用最多 的中央排水 系统。如图 4所示 。 石 油化 工安 全 环 保 技 术 橡胶金属复合软管 翅料金属复合软管 图 4 中央 排水 系统 4 中央排水系统对浮盘的侧向力分析 浮盘受固定侧 向力影响 ，会造成浮盘经常或 始终压在一侧罐壁 ，造成浮盘与罐壁 间距的不均 匀 ，影响密封和刮蜡器效果和寿命 ，增大对局部 罐壁和导向机构的磨损 ，是引起浮盘卡塞的主要 原 因之一 。 故欧美国家成熟的排水 系统 中，均采用平衡 式设计，尽量降低侧向力对于浮盘的影响，特别 是当浮盘处于高位时，由于油罐施工 质量 、罐壁 应力释放等因素，使得罐壁上部的圆度较差，如 果浮盘受到较大的侧 向力 ，就会大大 降低一、二 次密封对浮盘与罐壁的同 tL , 作用 ，促使浮盘偏 向 一 定的罐壁位置 ，造成浮盘与罐壁 间的环形 间距 差异较大 ，产生 如下 弊端 ：间隙过大 造成局 部 一 、二次密封失效 ；间隙过小部位 的一次密封受 压严重 ，变形大；浮盘限位装置 紧贴罐壁 ，易卡 塞 ；间隙过大造成局部静 电导 出片接触不 良；浮 盘偏斜。故而考虑对浮盘的影 响，这种不平衡式 的设计不应使用于单套系统的油罐当中，也不应 使用于非均布 ( 非对称)设计的油罐 当中。 5 波纹管在中央排水系统中的使用 5 ． 1 波纹管的结构特性 波纹管是母线呈波纹形的回转薄壁壳体。波 纹管最主要的几个数据为波高 H、外径 D、内径 D ； 、波距 w、壁厚 、波峰和波谷曲率半径等。 波纹管按照波形分为 U形 、S形、n形、c形 等等，金属软管 中一般 U形较多 ，U形制造工艺 简单，受压 能力一 般，下面 谈论 的均 为 u形 波 纹管。 增加波纹管壁厚 ，将对波纹管疲 劳寿命产生 不利影响 ；但壁厚较 薄 ，柔性增加 ，强度下 降， 易失稳 。一般波纹管厚度为 0 ． 3～3 m m ( D N 2 0 0 以下) ，图 5为波纹管壁厚 8与 内径 D。 的关 系， 2 0 1 0年 第2 6卷第 5期 应在 A E和 A’E’曲线中选择 。 2 5 0 2 0 0 l o o 5 0 l ／ I ／ J I ／ ， ． f I ● J ， J l J I f ， I t I ， J ， J ， C 『 f C 』 l | | | ， 『 l D | | f 由于要补偿变形 ，不能使用较大的壁厚 ，为 降低 腐 蚀 速 度 ，一 般 多 采 用 不 锈 钢 ，其 中 以 S U S 3 0 4不锈钢为主 ，两端的法兰一般为碳钢 ，采 用焊接连接。波纹管 由于多采用压制 ，故存在较 大的不均匀形 ，所说的壁厚均为名义壁厚 ，下面 以内径 D i = 2 5 0 mm的 u形波纹管壁厚为例 ，图 6 是测量的 U形波纹的壁厚 ： E J MA ( 美国膨胀节制造 商协会 )标准简化 公式 ： 【 由上表所示 ，峰顶的减薄量达到 1 9％ ，为波 形最薄弱点。 5 ． 2 波纹管应用于中央排水系统 ( 1 )系统形式的设计 ：在柔性接头使用于国 内油罐之前 ，有不少油罐使用 自己设计制作的 中 央排水系统 ，金属软管为中央排水系统的转 向节 部分 ，金属软管 中间均为不锈钢波纹管 ，但这些 排水系统均采用平衡式 的设计形式 ，尽量减少对 浮盘的侧向力。外浮顶油罐始于上世纪 2 0年代 ， 经过近 1 0 0年的发展，欧美发达 国家的设计 已经 非常多样化和成熟 ，硬性系统全部使用平衡式设 沿波壳弧线 不同测点处相对厚度 的变化 断面名义壁厚 ( = O ．4 8 1 序号 测定位置示意 in l n C ) m ，f ~ l l n 】 几 O ．o 0 0 ．4 O 2 638 0 ． 4 3 3 1 2．7 5 0 ． 4 0 4 八 19 ．13 0 ．3 8 5 人 2 5 ．7 0 O 3 5 图 6 U形波纹管的测量壁厚 计 ，这也反映出平衡式设计对于浮盘漂移是有利 的，平衡式设计是应 当重点使用的。 ( 2 )波纹管的使用 ：由于中央排水系统需要 上下运动，硬性排水系统中链接部位负责弯曲链 接，使得链接处于弯曲的工作状态中。硬性系统 中的链接部位如果使用金属软管 ( 波纹管) ，也 是处于不停 的弯 曲运动 中。在 油罐处 于低 液位 时，H M T ／ B T E等厂家的排水系统中有一个接头 处于弯 曲9 0 。 的状态 ，但其使用的接头产 品的弯 曲性 能极好 ，其主体为塑料和钢丝构成 ，不会引 起应力腐蚀等 问题 ，而在高液位时各接头的弯 曲 角度都在 7 0 。 以下 ，在油罐运行 的大部分时间都 处于较小的弯 曲状态下 ，工作状态 比较有利 。而 硬性 中央排水系统虽然避免 了浮盘 在低液位时的 弯曲，但当浮盘在高液位时，基本全部达到弯曲 7 0 。 的工作状态 ，由于油罐在运行中大部分时间处 于高位 ，故硬性排水系统在工作时几乎都处 于较 大的弯 曲中，工作状态不利于系统的长期运行。 金属软管的波纹管多用薄壁奥 氏体不锈钢制 造 ，波纹管在压力和轴 向位移作用下 ，应力水平 相当高 ，波峰和部分波谷 的局部基本上在塑性范 围内工作 ，而对于弯曲工作状态 ，波纹管两侧波 峰和波谷均处于较大的塑性变形状态内，很 容易 在较低的循环次数下产生疲劳失 效。国内技术 软 管 的主要标 准为 《 波纹金属软管通用技 术条件》 ( G B T 1 4 5 2 5— 9 3 )和 《 金属波纹管》 ( J B T 6 1 6 9— 2 0 0 6 ) 。在这两个标准 中，对 于波纹 管仅提 供 了 其轴向微小变形 的使用寿命 ，在 3万 ～3 O万次之 间 ，但对于塑性变形更加严重的弯曲工作状态则 没有任何表述。 ( 3 )波 纹管 的应力腐蚀 ：在波 纹软 管弯 曲 时，上侧的波峰和波谷均处 于拉伸状态 中，下侧 的波峰和波谷均处于压缩状态 中，上下两侧均处 于塑性变形中，但处于上侧拉伸状态的部位受到 的影响较处于压缩状态的部位更加容易收到应力 腐蚀的影响，且波峰及波谷部分的壁厚较薄，所 以在这种系统 中金属软管中间部位的上侧经常发 生应力腐蚀穿孔的问题。 为了增加柔性 ，波纹管应尽 可能使用 薄壁 ， 这也增加了塑性变形区域的损坏可能性，但增加 壁厚 ，不但降低波纹管的柔性 ，而且也使得变形 部位应力升高 ，更加促进腐蚀过程 ，加上波纹管 不断伸缩弯曲 ，材料表面 的氧化保护层很容易剥 落 ，腐蚀进程会进一步加速。对于弯 曲工作状态 的波纹管，其变形 量远远大于拉伸工作状态 ，应 力腐蚀尤其严重。 在原油中，波纹管多使用 S U S 3 0 4 ( 0 C r l 8 N i 9 ) 、 S U S 3 2 1 、S U S 3 1 6 ( O C r l 7 N i l 2 Mo 2)不 锈 钢 进 行 制造 。虽然具有一定 的抗腐蚀性能 ，但其缺点是 在某些腐蚀性工作介质中出现应力腐蚀和点蚀问 题，特别是在 c I 一 离子和 s 离子环境中，腐蚀速 度较快 ，建议使用 S U S 3 1 6 L不锈钢 ，可以在一定 程度上延长使用寿命。 ( 4 )波纹管的电位腐蚀 ：波纹管的主体使用 不锈钢材料 ，但接头法兰等采用 碳钢较多 ，并采 用焊接形式进行连接。由于不锈钢与碳钢的电位 不 同，在不锈钢与碳钢 ( 碳钢法兰和钢管 )之间 形成电流，会在焊接部位 ( 连接部位)形成 电位 腐蚀穿孔。 ( 5 )波纹管应用于排水系统 中：由于波纹管 的结构特点和材料原 因，主要应用与轴 向位移补 偿和轻微的径向位移补偿 ，对于较大的角度变化 石 油 化 工 安 全 环保 技 术 是不适宜使用的。波纹管在原油介质 中的应力腐 蚀和电化学腐蚀焊缝部位 的问题是排水系统产生 渗漏的主要原因 ，这与波纹管不宜应用于弯曲环 境是很有关系的。 6 结语 参考文献 ： [ 1 ] [ 2 ] 中央排水系统选用结构合理 的布置形式 ，对 于油罐的安全长周期运行有很大好处 ；弯曲性能 [ 3 ] 良好的部件 ，是整个排水系统长寿命 、安全使用 [ 4 ] 的保证。 2 0 1 0年第 2 6卷第5期 李永 生，李建 国 ．波形膨胀 节 实用技 术 —— 设计、制造与应用 [ M]．北京 ：化 学工业出版社，2 0 0 2 ． G B T 1 4 5 2 5—9 3波纹金属软 管通 用技术条 件 [ S ]． 1 9 9 3 ． J B T 6 1 6 9—2 0 0 6金属波纹管 2 0 0 6 ． E J MA ( 美国膨胀节制造商协会)标准第七 版，1 9 9 9年南京4 L _v - 大学波纹管中心翻译 ． 天津石化环保管理提升三个效益 走进天津石化的生产装置区，天蓝水清、四季常青的绿色环境首映眼帘。在不断扩大生产规模 同时，天津石化积极 探索企业环境保护举措，“ 以创建环境友好型石化企业为 目标的环保管理”项 目，获第十六届全国企业管理现代化创新 成果二等奖。该成果实施后，每年减少原辅材料消耗 1 ． 9万吨，减少新鲜水用量8 5万吨，节约用电3 4 8万千瓦时，蒸汽 2 2万吨，每年减少废水排放 1 0 6万吨，减少废气排放9万吨，实现经济效益2 ． 5亿元，取得了明显的经济、社会和环境 效益。 层级管理与环保教育并行。采取网络式管理模式，实行环保工作层级负责制；通过层层签订年度 《 H S E承诺书》 ， 进一步明确了各级岗位人员HS E职责，并将环保管理的各项要求贯彻落实到企业基层。环保工作- 9基础管理双促，将 环保管理融入日常各项基础管理，做到了环保工作与多项工作有机结合，同时积极开展现代化管理创新成果、Q C成果、 职工合理化建议征集、申报、测评和成果转化普及活动，做到环保管理和各项基础管理的两促进。 在严把项目设计关口的同时，加强对重点排污源头的管理，实行企业内部排污收费制度，减少或避免了生产过程中 污染物的产生和排放。结合高硫原油加工基地建设，加快技术改造，增产清洁燃料。在 “ 三废”综合利用挖潜工作中， 实施 了系列污水 回用项 目，使 工业水重复利用 率提高 至 9 8％ ，硫磺 回收、火炬气回收项 目也取得 良好 的经济效益。 ( 摘 自 《 石化行业信 息》2 0 1 0年 第 9期) 扬子公 司芳烃装置运行水 平居 中石化前列 扬子石化公司芳烃厂积极主动与先进 同类装置对标 ，科学决 策 ，勇于赶 超 ，采取 针对 性的节 能减排 、挖 潜增效措 施，取得明显成效。今年上半年，万元产值综合能耗比公司指标降低 1 4 ． 0 7％，“ 三苯”收率和对二甲苯收率分别名列 中国石化公司同类装置第一、第二名，使联合装置的经济运行水平位居中石化同类装置前列。 今年，芳烃厂为了节能降耗，制定了赶超先进的措施。厂里紧紧围绕加热炉等节能重点全面落实节能减排措施。对 各加热炉 的排烟温度 、氧含量 、燃烧状况 勤调整 ，上半年全 厂 2 9台在 运加 热炉平均 热效率达 9 0 ． 5 2％ 。厂里还组 织开 展水冷器专项检查和治理，严格控制出口和进 口温差，使循环水浓缩倍数稳步提高到5 ． 0以上；每月开展火炬气系统检 查 ，减少装置波动排放 ，火炬气排放量比去年 有 了显著 下降。厂里还采用科学手段优化操作参数 ，努力确保装 置经济运 行 。厂里根据昼夜温差 变化及 时调整装置操作 ，提 高工 艺指标控制平 稳率；实施 “ 卡边” 操作控制塔 系统最佳 回流 比， 提高装置运行经济水平；对重芳烃塔操作实施参数优化后，上半年减少物料损失2 4 0 0 t ；对甲苯择形歧化装置加工流程 进行优化配置，使对二甲苯收率同比提高 1 ． 1 3％。同时，芳烃厂大力开展 “三剂” 降耗技术攻关，上半年二甲苯装置 解析 剂和溶剂环 丁砜单耗 显著下 降。 ( 摘 自 《 石化行业信息》2 0 1 0年第9期)