油罐參照高度變化對能源計量準確性的影響

陳 皚 陳賢雷/舟山市質量技術監督檢測研究院

0 引言

立式金屬罐是石油化工能源產品中轉儲備的最常見器具，也是我國能源計量貿易交接的重要強檢計量器具。立式金屬罐已普遍應用于石化、外貿、航空等各工業系統中。立式金屬罐的計量準確性，直接關系到國內企業的經營結算、成本核算、能源節約各項經濟效益，以及我國對外貿易的經濟利益和國家計量信譽。

影響立式金屬罐計量交接準確性的因素很多，本文主要分析參照高度變化對能源計量貿易交接造成的誤差。參照高度又稱檢尺點高度，定義為計量油罐上計量基準點與下計量基準點直接的垂直距離，是計量罐計量過程中的一個重要參數，與油品液位測量的準確性有著密切的直接聯系，在通常的貿易交接中，參照高度的變化會在很大程度上影響交接準確性。

1 參照高度變化的概念性闡述

參考JJG168-2005《立式金屬罐容量檢定規程》，對參照高度的定義明確，即“罐的下部計量基準點和上基準點直接的垂直距離（圖1），無論罐的裝液、溫度等情況如何，兩次測量之差不得超過1mm，取其平均值作為參照高度。” 但在具體計量工作中，實際測得的參照高度往往偏離基準參照高度，由此產生的計量誤差嚴重影響計量結果的準確性，而引起該偏離的原因是多方面的，首先由立式金屬罐的液位測量方法來分析。

圖1

根據GB/T13894-92《石油和液體石油產品液位測量法（手工法）》，立式金屬罐的液位手工測量通用兩種方法，一是測實法，即用量油尺直接測量罐內液體從罐底基準點到液面的高度，主要應用于測量輕質油品，如汽油、柴油、煤油等；另一種是測空法，即測量自灌頂基準點到液面的距離，再引用參照高度進行計算，間接確定罐內液體的高度，主要應用于黏度較大的重質原油、燃料油，參照高度是測空法測量液位必須引用的參數，至今為止所有在用的液位測量儀表均采用測空法原理進行測量。由于液位測量的誤差，直接影響到計量罐內液體體積數量的準確度，所以參照高度的值對計量罐的能源計量交接影響程度很大。

立式金屬計量罐是建造于岸罐基礎上的大型金屬圓柱薄壁殼體結構物，內外均無支撐性加強結構，計量罐裝入油品后，引起罐底向下沉陷，使罐的下部計量基準點和上基準點直接的垂直距離發生變化。在實際應用中，參照高度是由計量罐容積檢定部門測量確定，并視為一定值。罐容證書是在空罐條件下經過測量計算得出的，但在計量檢定時無法考慮液體重力壓力對罐底造成形變的影響程度，不同液位下罐底的變形量不同，罐底的變形與各種情況相關聯，且影響因數較為復雜，對貿易交接計量造成誤差也難以做有效判斷。

2 參照高度變化原因分析

立式金屬計量罐是一大型金屬圓柱薄壁殼體結構物，當罐體內裝入一定量的油品時，液體物料形成的重力作用于罐底鋼板，對底部形成一定的向下的壓力，造成罐底的形變，其參照高度變化原因主要有以下幾個方面。

其一，罐基因素的影響。計量罐基礎為樁基及澆筑鋼筋混凝土的復雜剛性結構，在上面鋪一層石子和細紗填實，形成圓形地基。計量罐裝入油品后，引起罐底向下沉陷，罐底地基形成一定程度的彈性形變和塑性形變，罐基承受壓力后發生形變，形變幅度與罐基的牢固程度有關，沙質軟基的沉降幅度相對明顯。沙基形變多為塑性形變，不會復原，而鋼筋混凝土結構的硬基，具有剛性特征，一旦發生沉降現象，會形成彈性復原。罐基隨著生產運營的進行，形成緩慢的沉降變形，達到一定限值后，將保持相對穩定狀態。

其二，罐體內壓力因素的影響。罐體頂板是由拱度支撐的空間體，由于鐵板的重力作用會形成一定的位移，使上基準點下移。罐內液體產生的靜壓力影響主要有兩個方面，當岸罐內輸入液體后，一是由于液體自重對罐基產生壓力，罐基對罐底鋼板形成支撐力，作用后形成一定的平衡，壓力的大小與液位的高低和液體的密度大小有著直接關系。二是在液體水平靜壓力作用于圓柱罐體的罐壁使其發生水平方向橫向膨脹，引起罐壁垂直方向的收縮，由此導致上部參照點垂直方向產生位移（圖2）。

圖2 罐體儲油后受力

液體自重的垂直作用使罐底承受壓力，罐底板是覆蓋于罐基混凝土結構之上的一層圓形鋼板，厚度一般在5～20mm左右，主要作用是防止罐內液體的滲漏及對混凝土結構的腐蝕。罐底板與罐基混凝土結構緊密相貼，由一塊塊鋼板組合焊接而成，存在大量分布不均、高度不等的間隙。當受到罐內液體壓力作用時，間隙發生變化，不斷縮小至基本消失；當罐內液體液位降低時，壓力減小，其結構又復原。因此，在罐內壓力作用下，罐底板縱向位移發生彈性變化是一無規律的大概率事件，而參照高度會隨之發生變化。

其三，溫度變化因素的影響。根據熱力學原理，所有物質隨溫度變化而發生脹縮現象。罐體受環境溫度和罐內液體溫度的影響將隨之發生縱向的線性脹縮變化。在自然環境中冬夏溫差大，部分油品的液溫可高達60 ℃以上，在這種條件下罐壁產生縱向位移已不容忽略。金屬計量罐以鋼質材料構建而成，鋼材的線脹系數一般公認為α＝0.000012，依據GB/T 8927-2008測量得到罐內液體的實際溫度，通過計算得到膨脹變化值。

式中：d—膨脹長度，mm；T—工作溫度，℃；t—安裝環境溫度，℃，s—鋼管長度，mm。

例如，罐內液體的溫度加熱至50 ℃，對一座滿罐、標高為20 m的大型保溫岸罐而言，按照理論計算，參照高度變化值可達到6mm左右。可見，當罐內液體溫度發生變化時，罐體會發生復雜的縱向和橫向變化，使計量罐的參照高度發生影響。

其四，測量檢尺點的影響。在罐體容量計量檢定時，國家計量檢定規程描述“將量油尺從參照點重力垂直下落，尺錘頂部剛好觸到下計量基準點，并確認尺錘垂直，讀取上計量基準點所對應的刻度。”可見，測量時垂直下尺的過程中，檢尺點具有一定的隨機性。另外，基準點測量時標高測量點也具有一定的隨機性，一般采用基準圓面均勻測量5點取平均值的方法進行（圖3），測量點選取1，3，5，7，9時候與選取2，4，6，8，9時所測量得到的基準標高不等。量油尺測量時下尺點分布的概率又不同，因此，形成參照高度測量所得的值不同。

圖3 計量板平面

3 油罐參照高度變化數據解析

因此，總結多年在油品計量交接過程中的沉降數據，來分析參照高度變化形成的原因，以2500～100000m3的立式金屬計量罐為例。

1）巖石基礎罐底下沉平均為3mm左右，軟土基礎罐底下沉平均達12mm以上，且變化值比較穩定，相對而言巖石基礎上建造的岸罐參照高度變化值要明顯小于軟土基礎上建造的岸罐，如表1所示。

2）軟土地基儲罐的儲油高度為12 m（2000m3）時罐底平均下沉8mm左右，出油至0.5 m液位左右時罐底下沉5mm，至基本放空后依然形成了5mm左右的沉降，說明軟土地基罐體下沉也是以塑性為主，但會通過一定生產經營時間而趨于穩定（表2）。

3）巖石地基的立式金屬計量罐（50000m3）儲油高度0.5 m以上時罐底下沉20mm左右，出油至0.5 m液位以下時罐底恢復至下沉2mm，說明罐體越大、儲油越多，對罐底形變的影響越大，且巖基罐體下沉以彈性為主（表3）；罐的參照高度變化與罐內液體高度有著直接關系，根據統計，液體高度在0.5～1 m以上的范圍，罐底變形基本為彈性形變，這部分形變會在液體放空后恢復；液位高度在0.5 m以下位置時，罐底變形基本不大，通常只有1～3mm，類型為塑性形變，基本為軟基壓實的過程，這部分的形變將不會恢復。

4）根據多次計量對溫度變化的反映數據，參照高度未隨罐內液體溫度和環境溫度的變化而變化，可以判斷罐基沉降是造成上述兩個岸罐參照高度變化的主要因素。

表1 靜態考察岸罐測量數據

表2 動態參照導讀測量數據

表3 動態參照導讀測量數據

4 參照高度變化影響能源計量準確性的解決方法

鑒于立式金屬油罐參照高度變化的普遍性和隨機性，意識到參照高度變化對計量結果準確性產生的嚴重影響，為盡可能減少或消除由此引起的計量誤差，在實際計量工作中建議采取以下措施予以修正。

第一，罐體所建造的基礎很大程度上決定了參照高度變化的大小，在油庫選址或罐基建造的過程中，盡量選擇巖基或設計合理的樁基進行，同時可采用將計量板焊接安裝在靠近底部的罐壁上的方法，建議計量管垂直軸線距罐壁以及管底部距罐底板距離至少300mm，使罐底的下沉不在很大程度上影響參照高度。

第二，部分計量罐參照高度變化值相對穩定，變化幅度小，且大部分貿易交接均在0.5 m以上液位進行，建議計量部門在復檢時，充分考慮參照高度變化的規律特征，及時予以修正。

第三，在一次完整的油品計量交接過程中，對參照高度變化值較大但相對穩定的岸罐，建議前后測采用相同的檢尺方法，特別是收油前罐內液體為低液位、收油后為滿罐的情況，或發油前為高液位、發油后為低液位，切忌為圖方便而采取不同的檢尺方法。

第四，考慮參照高度的變化映射出罐底的形變，且罐底變形具有不可預知性，不可能對其完全修正，建議在油品計量交接的罐底墊0.3～0.5 m的水或油品，將底量的變化控制在所墊水的范圍內，這樣可大大提高計量的準確性。

5 結束語

本文側重于計量罐參照高度變化對能源計量準確性影響的理論研究和實際驗證，發現計量罐參照高度變化的原因非常復雜，總體具有隨機性和不確定性，對計量結果準確性的影響明顯，同時通過多組數據的對比分析，發現有一定的變化規律，為解決參照高度變化引起計量誤差的問題提供參考。

因各個計量罐參照高度的變化原因各異，本文給予解決問題的建議，對于實際工作中因參照高度變化所引起的計量問題，還需要通過數據積累和分析，并在罐體建造、油品交接等過程中采取對應的方案。

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