原油儲罐涂層降耗措施的試驗研究*

1中國石油天然氣股份有限公司新疆油田油氣儲運分公司

2西安石油大學材料科學與工程學院

目前，約80%的油罐屬于固定頂式的全密閉型金屬儲罐類型[1]，而在油品的儲存過程中，自然揮發是造成固定頂儲罐蒸發損耗的重要原因[2-3]，其中一半以上屬于小呼吸損耗，特別是在晝夜溫差比較大的地區，小呼吸損耗更為嚴重[4]。因此，對固定頂儲罐采取有效的降溫措施，從而降低油氣損耗，將具有非常重要的意義。

噴淋和保溫層是被廣泛采用的兩種針對固定頂儲罐的降溫措施。噴淋是在儲罐罐頂和罐壁上安裝環形冷卻噴淋水管，并設置自動溫控裝置，當達到一定溫度的時候，噴淋水管就對罐頂進行不斷的均勻的噴淋水冷卻。冷卻水由罐頂經罐壁流下，帶走鋼罐所吸入的太陽輻射熱，從而降低油罐內氣體的溫度，達到冷卻油罐的目的。同時，在儲罐罐壁安裝巖棉保溫層，該保溫材料具有導熱系數低的特點，能夠實現對儲罐的保溫。為了進一步降低成本、節約能源，在儲罐上涂裝隔熱防腐涂層已經成為十分必要的措施[5-8]。當前國內外應用的隔熱涂料降溫性能優異，在夏季，相比普通銀粉漆，可以平均降低溫度10 ℃，低于罐體設計溫度，可以明顯減少呼吸閥的開啟次數，降低油氣排放量，凈化大氣環境，達到節能的目的。劉風章[9]研究表明，當使用涂層時，罐體全天外表面平均溫度可降低21.1%，罐頂外表面平均溫度可降低37.1%，罐內呼吸氣體平均溫度可降低27.4%。隔熱防腐涂料壽命高于一般涂料，又不用噴淋，減少水沖刷，進一步提高了防腐能力。涂層基本不增加油罐荷載，保證了安全運行。本研究遵循固定頂儲罐的工作原理，設計并安裝調試模擬儲罐試驗裝置，通過對比分析兩個模擬儲罐的罐頂表面溫度、油相溫度、油氣空間溫度、罐內壓力和損耗量，探討隔熱反射涂層的降溫隔熱效果及其對罐內油品蒸發損耗的影響規律，并進行經濟性分析。

1 試驗

1.1 試驗裝置

參照新疆油田儲運公司10 000 m3固定頂原油儲罐的設計原理和圖紙，模擬儲罐的設計容積比例為300 000∶1，即模擬儲罐外直徑370 mm，儲罐高300 mm，罐頂部分高度70 mm，罐頂厚5 mm，罐壁和罐底厚10 mm，儲罐標定容積為20 L，材質為Q235鋼。圖1所示為固定頂模擬儲罐原油呼吸損耗裝置的整體結構示意圖及實物圖（圖1b為涂覆普通防銹涂層模擬儲罐，定為1#罐；圖1c為涂覆隔熱反射涂層模擬儲罐，定為2#罐），圖中壓力變送器型號為DG1300，量程100 kPa，精度1 Pa；氣相溫度計和油相溫度計型號為XMY-266，高度可調節，最大高度分別為25 cm和35 cm，量程均為-200～500 ℃，精度為0.1 ℃；機械呼吸閥為GFQ-2-C全天候防爆型呼吸閥，公稱通徑25 mm；電子秤為100 kg工業級，精度1 g；整個儲罐裝備放在電子秤上，可實時測量儲罐的質量。

1.2 試驗流程

對模擬儲罐進行安裝調試后，記錄電子秤所示模擬儲罐在空置狀態的質量，隨后裝入16 kg的原油樣品，再次使用電子秤測量模擬儲罐的質量。將模擬儲罐放置于現場環境（太陽光照射）中，每隔0.5～1 h，用紅外溫度計（精度為0.1 ℃）對儲罐罐頂溫度進行測量，同時記錄儲罐內的油相溫度、油氣空間溫度，以及壓力變送器顯示的罐內壓力；定期記錄電子秤上所顯示的儲罐質量。整個試驗測量周期為15天（2018年8月6日至8月21日）。為了便于對試驗結果進行分析，本次試驗測試所用油品為百聯油，取自新疆油田西北緣區塊。采用國家標準所規定的實驗方法對該原油樣品的密度、硫含量、初餾點等主要理化性能進行多次重復性實驗，測量結果如表1所示。表2為采用GB 11059—2011《原油飽和蒸氣壓的測定（參比法）》測定的百聯油在不同溫度下的飽和蒸氣壓，具體測量步驟可參照文獻[10]。

圖1 模擬儲罐呼吸損耗試驗裝置的結構示意圖及實物圖Fig.1 Structure diagram and physical diagram of the test device for simulating the breathing loss of storage tank

表1 試驗所用原油樣品的主要理化性能參數Tab.1 Main physical and chemical properties of crude oil samples

表2 試驗所用原油樣品在不同溫度下的飽和蒸氣壓Tab.2 Saturated vapor pressure of crude oil samples under different temperatures

2 試驗結果分析與討論

2.1 模擬儲罐各部位測試溫度分析

圖2為兩個儲罐表面溫度、罐內油相和油氣空間溫度隨時間的變化關系曲線（試驗日期：2018年8月7日）。可以看出，對于1#儲罐，罐頂溫度隨著地表溫度的變化而改變，溫度變化整體呈先升后降、先快后慢的變化規律。隨著試驗的進行，罐頂溫度與試驗初始時溫度的溫差不斷增大，最大溫差分別為32.1 ℃和30.3 ℃。罐內油氣空間溫度的變化趨勢與罐頂溫度的變化趨勢一致，其最高溫度為54.8 ℃，溫差達到了27.2 ℃。與此同時，罐內油相溫度的變化曲線同樣表明其受到環境溫度的影響，最高油溫為51.1 ℃，溫差為23.5 ℃，但是最高溫度出現的時間比油氣空間溫度達到最大值的時間延后1 h左右，說明利用環境溫度對模擬儲罐加熱時，油氣空間能夠很快被加熱，而油溫的升高則需要一定的時間。當地表溫度開始下降時，罐頂、油相以及油氣空間溫度也隨之開始下降，但是由于模擬儲罐具有一定的儲存熱量的能力，因此油相溫度下降速率較為緩慢，最終罐頂、油相以及油氣空間溫度逐漸趨于一致。2#罐各部位溫度變化趨勢與1#罐較為相似，但是罐頂溫度以及油相、油氣空間升溫較為緩慢，當地表溫度達到50 ℃以上時，罐頂和油氣空間溫度在39.9～41.9 ℃之間，油相的最高溫度（40.8 ℃）則延遲了2 h。當地表溫度開始下降時，罐頂、油相以及油氣空間溫度也隨之開始下降，下降速率同樣較為緩慢，最終罐頂、油相以及油氣空間溫度保持在25 ℃左右。與涂覆普通防銹涂層的1#罐相比，涂覆隔熱反射涂層的2#罐罐頂、油相和油氣空間的最大溫降分別為15.2、10.3、12.9 ℃。隔熱反射涂層降溫效果明顯，且地表溫度越高，溫降越明顯。

圖2 模擬儲罐各部位溫度隨地表溫度的變化關系Fig.2 Change relationship between the temperature of each part of simulated storage tank and the surface temperature

統計分析在整個13 h試驗期間，1#罐油相溫度高于30、40、50 ℃的時間分別約為11、7.5、2.5 h，油品損耗主要集中在40 ℃以上溫度區間。相比之下，涂覆隔熱反射涂層的2#罐各部位處于40 ℃以上溫度區間的時間大幅度降低，其中油相所處高溫僅為2 h（30～40 ℃為7.5 h，＜30 ℃為3.5 h），且略高于40 ℃。油品損耗主要集中在30～40 ℃溫度區間。因此，隔熱反射涂層能夠有效降低模擬儲罐各部位（尤其是油相）溫度，這將促進原油蒸發組分發生變化以及罐內油氣空間的壓力和濃度降低。

2.2 溫度對油品損耗特性的影響

圖3所示為油氣空間溫度和罐內壓力隨時間的變化關系。從圖3可以看出，1#罐內部壓力隨時間變化顯著，變化范圍約在-100～1 000 Pa之間，內部壓力隨著油氣溫度的升高而升高。從試驗開始（8:00）至3 h（11:00）時，油氣溫度從27.6 ℃升高到41.2 ℃，此時罐內壓力上升明顯，達到了969 Pa；當試驗持續至11 h（19:00）時，油氣空間均保持較高的溫度，約為45～55 ℃，壓力變化曲線基本保持穩定狀態，罐內壓力在900 Pa上下波動，這表明在該試驗時間內，呼吸閥以較高的開啟頻率向外呼出氣體，使得罐內壓力基本保持穩定。當試驗超過11 h（19:00）后，罐內壓力開始以較大速率下降（與油氣空間溫度曲線的變化保持一致）。與普通防銹涂層的1#罐相比，由于隔熱反射涂層顯著的隔熱降溫作用，2#罐從試驗開始（8:00）一直到14:30，罐內壓力較低，約在600 Pa以下；當試驗從15:00持續至19:00，油氣空間溫度保持在40 ℃左右，呼吸閥開啟，在此時間段內，記錄到呼吸閥開啟頻率明顯低于普通防銹涂層模擬儲罐；在19:00以后，由于溫度降低，罐內壓力開始以較大速率下降。從上述分析可知，溫度顯著影響到模擬儲罐內部油氣空間壓力的變化趨勢，從而影響到呼吸閥的開啟頻率，隔熱反射涂層顯著降低了呼吸閥的開啟頻率。

圖3 模擬儲罐油氣空間溫度和罐內壓力的變化曲線Fig.3 Variation curve of the oil and gas space temperature and pressure in the simulated storage tank

若將罐內油氣空間的混合氣體視為飽和氣體，同時假設油氣空間的混合氣體為理想氣體（由于儲罐處于靜置儲存狀態），從而可將罐內溫度場視為穩態場，即罐內的油氣溫度、壓力、濃度保持不變，油相和油氣的導熱系數均為定值，其不隨溫度的變化而變化。因此，在不考慮油品相變熱產生的溫度變化，且在已知飽和蒸氣壓（表2）和罐內壓力的條件下，可以認為油氣空間的油氣分壓等于該溫度下油品的飽和蒸氣壓[11-12]。在上述假設基礎上，通過理想氣體狀態方程pV=nRT，可以計算得出試驗時間內1#罐上部油氣的最大濃度和平均濃度分別約為35.81%（摩爾分數，下同）和24.35%，隨著溫度的升高，油氣濃度逐漸增大。由于油氣空間溫度主要集中在40 ℃以上溫度區間，在該溫度區間，油氣空間壓力增大，大分子的烴類濃度上升，密度增大，原油損耗率將顯著上升。2#罐由于隔熱反射涂層降低了罐內油氣空間烴類的濃度，因此最大油氣濃度從35.81%降低到30.04%，平均油氣濃度從24.35%降低到21.05%（圖4）。隔熱反射涂層能夠顯著降低模擬儲罐各部位溫度，尤其是油相的溫度，促進了油氣空間的壓力下降和油氣濃度降低。

圖4 普通防銹涂層和隔熱反射涂層模擬儲罐油氣濃度的對比分析Fig.4 Comparison and analysis of oil and gas concentration between normal anti-corrosion coating and heat-insulating reflective coating in the simulated storage tank

2.3 溫度對油品損耗量的影響

圖5所示為試驗測試期間，模擬儲罐罐頂、油相、油氣空間最高溫度以及呼吸損耗量與大氣最高溫度之間的對應關系。從圖5可以看出，1#罐表面溫度和罐內溫度與環境溫度的升降趨勢一致，但環境溫度的升溫和降溫曲線較為平緩，最高環境溫度的變化范圍在26～37 ℃，溫差為11 ℃。表面溫度和罐內溫度的升溫和降溫曲線較陡，當環境溫度較高時，儲罐表面溫度和罐內溫度與環境溫度的溫差較大，最大溫差在30℃左右；當環境溫度較低時，儲罐表面溫度和罐內溫度與環境溫度的溫差較小，最大溫差僅為3℃左右。這表明高溫對1#罐表面溫度和罐內溫度的影響較大。與普通防銹涂層相比，在相同大氣溫度條件下，涂覆隔熱反射涂層的2#罐各部位溫度明顯下降，其罐頂、油相和油氣空間最高溫度的降幅分別為3.1～15.8 ℃、5.8～16.3 ℃、7.0～15.9 ℃，且環境溫度越高，降溫幅度越大。

試驗測試周期內，溫度的波動顯著影響原油的損耗量，當最高環境溫度高于30 ℃時（12天），1#罐油相和油氣空間最高溫度在50 ℃左右，此時罐內壓力較大，呼吸閥頻繁開啟呼出氣體，并且油氣濃度較高，損耗量較大，平均損耗量約為15 g/d。相比之下，2#罐的平均呼吸損耗量僅為4 g/d，顯著低于普通防銹涂層的1#罐。這主要是由于隔熱反射涂層能夠顯著降低2#罐內油相和油氣空間的溫度（測試期間，油相及油氣空間最高溫度僅分別為40.8 ℃、41.3 ℃），與1#罐相比，2#罐油氣空間壓力較低，呼吸閥開啟頻率下降，油氣濃度降低，呼吸損耗量顯著減小。

圖5 試驗周期內模擬儲罐各部位最高溫度、環境溫度及損耗量與時間的變化關系Fig.5 Change relationship between maximum temperature in each part，ambient temperature and loss amount of the simulatled storage tank and time during the test period

圖6為試驗周期內隔熱涂層和普通防銹涂層模擬儲罐的總損耗量隨時間的變化曲線。從圖6可以看出，隨著試驗的進行，在相同溫度條件下，由于罐內油氣濃度與試驗開始時相比會有所降低，原油總的呼吸損耗量的增大趨勢變緩，但涂覆隔熱反射涂層的2#罐油品的總損耗量變化趨勢更為緩慢。在整個15 d的試驗周期中，1#罐總的損耗量約為200 g，損耗率為1.25%，2#罐的總損耗量約為50 g，損耗率僅為0.3%，與1#罐相比，其損耗率降低了76%。因此，在環境溫度較高條件下，在罐頂涂覆隔熱反射涂層能夠從源頭上阻止熱量向儲罐內部的傳遞，對儲罐起到明顯的隔熱降溫作用，進而達到降低油品損耗的目的。

圖6 測試周期內模擬儲罐總的呼吸損耗量變化曲線Fig.6 Change curve of the total evaporation loss of the simulated storage tank within the test period

2.4 涂層降耗措施經濟性分析

油品損耗試驗研究表明，當環境溫度高于30 ℃時，儲罐原油的損耗量明顯增大，因此，對原油儲罐采取適宜的降耗措施，應該具有良好的經濟性。通過對新疆油田西北緣區塊近5年的環境溫度進行統計分析發現，新疆油田每年大于30 ℃的高溫天氣主要集中在5月到10月，平均為79天。尤其是7月和8月，最高氣溫基本在40 ℃左右。

因此，以新疆油田油氣儲運分公司位于新疆油田西北緣區塊的某3 000 m3固定頂儲罐為例，假設儲罐運行工況為公稱容積的平均容量，即1 500 m3（現場測量液位約為5 m）；平均每周進行2次運行調整，按照3 000 m3油品計算，由于溫度高于30 ℃時，儲罐的小呼吸損耗顯著上升。涂覆普通防銹涂層時，儲罐的損耗率為1.25%（15天），而涂覆隔熱反射涂層時，儲罐的損耗率為0.3%（15天）；涂覆普通防銹涂層時年損耗量約為162 t，涂覆隔熱反射涂層時年損耗量約為38.7 t，即可節約油品損耗123.3 t。原油價格按照4 500元/t計算，每年可增效55.5萬元。

該固定頂儲罐罐頂涂裝隔熱反射涂層的面積約為300 m2，綜合隔熱反射涂層的最佳使用期限（5年）、價格（80元/m2）和施工費（50元/m2），該儲罐5年可提升收益273.6萬元，使用隔熱反射涂層降耗措施具有良好的經濟效益。

3 結論

（1）在相同大氣溫度條件下，與涂覆普通防銹涂層的模擬儲罐相比，涂覆隔熱反射涂層的儲罐各部位溫度明顯下降，其罐頂、油相和油氣空間最高溫度的降幅分別為15.8、16.3、15.9 ℃，且環境溫度越高，降溫幅度越大。在測試時間范圍內，普通防銹涂層儲罐中油相溫度主要集中在40～50 ℃，所處高溫時間為9 h，隔熱反射涂層儲罐油相溫度主要集中在30～40 ℃，所處高溫時間僅為2 h（僅略高于40 ℃），隔熱反射涂層能夠大幅度降低模擬儲罐各部位溫度及高溫停留時間。

（2）溫度是影響儲罐油品損耗的關鍵因素，隔熱反射涂層能夠促進儲罐內油氣壓力、油氣濃度和呼吸閥開啟頻率下降。

（3）在15天的測試周期內，普通防銹涂層模擬儲罐總的呼吸損耗量約為200 g，油氣蒸發導致的呼吸損耗率約為1.25%，損耗主要集中在40 ℃以上溫度區間；隔熱反射涂層儲罐的呼吸損耗率主要集中在30～40 ℃溫度區間，其總損耗量約為50 g，損耗率為0.3%，相比于普通防銹涂層降低76%。使用隔熱反射涂層具有良好的經濟效益。