油田井場撬裝液態(tài)CO2 臥式儲罐的優(yōu)化設(shè)計

王江云 肖 浪 劉建新 賀 嬌 魏耀東

（1.中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院；2.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)公司）

在油田開發(fā)中，二氧化碳驅(qū)油技術(shù)是一種能夠大幅度提高中低滲油藏采收率的采油工藝。 二氧化碳驅(qū)油工藝將CO2注入地下油層中改變原油、水和油藏的某些性質(zhì)，促使原油更容易被采出，提高油氣采收率，還可以實現(xiàn)CO2的地質(zhì)封存，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。 二氧化碳驅(qū)油技術(shù)需要將CO2捕集、壓縮、液化，再用低溫罐車運輸至油田井場，并卸入油田井場的CO2儲罐中儲存，再實施注入地下操作。 一般油田井場CO2的注入系統(tǒng)是以CO2儲罐為中心， 配置輸送屏蔽泵、輸送管道、水浴式汽化器及多臺并聯(lián)注入泵等附屬設(shè)施［1，2］。 因此，CO2儲罐是二氧化碳驅(qū)油工藝的重要設(shè)備，需要合理、可靠的設(shè)計。

1 撬裝CO2 儲罐的特點

CO2的物理性質(zhì)直接影響其儲存與輸送工藝。 常溫常壓下CO2是一種無色無味、可溶于水的氣體， 熔點－78.5℃， 沸點－56.6℃， 氣態(tài)密度1.997g/L（0℃，101.325 0kPa），液態(tài)密度0.929 5kg/L（0℃，101.348 5kPa）。 CO2的臨界溫度為31.4℃，臨界壓力為7.387MPa。

液態(tài)CO2儲罐的結(jié)構(gòu)與常規(guī)壓力容器的結(jié)構(gòu)有很大不同。 為滿足保冷要求， 中小型的CO2儲罐通常采用獨特的雙層容器套裝結(jié)構(gòu)。 這是一種真空絕熱低溫壓力容器，其結(jié)構(gòu)根據(jù)不同要求在密閉的內(nèi)容器和外容器夾層之間填充絕熱填料，并且使夾層達到一定的真空度。油田井場CO2儲罐有時為了便于移動和運輸需要將CO2儲罐本體及其附件（包括管線、閥門、儀表及電纜等）布置在一個公共基座上， 形成一個獨立的撬裝體。 因此，撬裝CO2儲罐的設(shè)計與常規(guī)壓力容器相比，不僅承受高壓，需要絕熱保溫，而且還要考慮移動、運輸?shù)葐栴}，相應(yīng)的安全和檢驗要求也有一定的特殊性，因此對撬裝CO2儲罐設(shè)計提出了更高的要求。 筆者以一臺中型撬裝液態(tài)CO2儲罐為例對設(shè)計要點進行探討。

2 CO2 儲罐的設(shè)計要點

2.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

液態(tài)CO2儲罐具備儲存液態(tài)CO2和氣態(tài)CO2的雙重功能［3］。通常CO2儲罐是在－30℃低溫條件下運行、使用的，屬于低溫壓力容器。 我國針對低溫壓力容器管理、設(shè)計、制造［4］、檢驗和驗收的主要規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)有TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》、GB/T 18442—2011 《低溫絕熱壓力容器》及GB 3531—2008《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》等。

2.2 材料選擇

通常碳鋼金屬材料隨著使用溫度的降低，會由延性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變， 降低抗沖擊性能。因此，低溫壓力容器的材料選擇主要考慮金屬材料在低溫時產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性破壞。 液態(tài)CO2儲罐的雙層套裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)容器和外容器所處的溫度環(huán)境不同，材料選擇也有所不同。 綜合考慮碳鋼材料的機械性能、制造工藝和焊接性能，液態(tài)CO2儲罐的內(nèi)容器材料選用16MnDR（正火狀態(tài)）低溫用低合金鋼，使用溫度為－40℃。 內(nèi)容器及主要受壓元件用16MnDR 鋼應(yīng)進行低溫V 型缺口沖擊試驗，保證相應(yīng)的低溫條件下具有足夠的低溫韌性。 鍛件材料選用16MnD， 合乎NB/T 47009—2010《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》的規(guī)定，級別需大于等于Ⅲ級，需要進行低溫V 型缺口沖擊試驗，沖擊功值不得低于HG/T 20585—2011《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》的要求。 外容器屬于常溫容器， 殼體材料用具有優(yōu)良焊接性能的Q345R 普通碳素鋼。

2.3 結(jié)構(gòu)形式和尺寸

考慮到一般油田井場CO2注入系統(tǒng)的生產(chǎn)條件，CO2儲罐采用臥式容器結(jié)構(gòu)，同時具有撬裝功能，便于運輸、吊裝、安裝和維護。CO2儲罐總體結(jié)構(gòu)采用雙層容器套裝結(jié)構(gòu)。 在容積相等的情況下，需首先確定容器的最優(yōu)長徑比，通過優(yōu)化和對比分析，使主要受壓元件筒體和封頭在相等容積下容器壁厚相對較薄， 一方面降低儲罐的重量，另一方面提高材料的利用率。設(shè)計的液態(tài)CO2儲罐的結(jié)構(gòu)形式和尺寸如圖1 所示，主要由內(nèi)容器 （φ2000mm×16mm）、 外 容 器 （φ2600mm×10mm）、支撐構(gòu)件及其他附件（包括各種管路系統(tǒng)、安全附件等）構(gòu)成。

圖1 CO2 儲罐的結(jié)構(gòu)形式和尺寸

液態(tài)CO2儲罐局部的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計主要考慮應(yīng)力集中對低溫脆斷的影響，主要是盡量降低局部的應(yīng)力集中。 一般結(jié)構(gòu)不連續(xù)和焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力都會引起應(yīng)力集中，進而成為低溫脆斷的起源。 為此，設(shè)計中要求盡量降低結(jié)構(gòu)不連續(xù)導(dǎo)致的局部高應(yīng)力，結(jié)構(gòu)收縮和膨脹變形引起的溫差應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)具有足夠的柔性，同時降低過大的溫度梯度。 例如，避免結(jié)構(gòu)形狀突然變化而采用光滑過渡； 容器的支撐部位設(shè)置墊板等措施。

2.4 設(shè)計參數(shù)選取

2.4.1 設(shè)計壓力與設(shè)計溫度

一般液態(tài)CO2儲罐有保溫措施時，容器設(shè)計壓力取1.6～2.5MPa。 考慮到該CO2儲罐有保溫措施和工作壓力2.0MPa，最后取設(shè)計壓力2.2MPa。設(shè)計溫度上限應(yīng)根據(jù)設(shè)計壓力對應(yīng)的溫度確定，設(shè)計溫度下限則根據(jù)受壓元件材料的使用溫度確定。 考慮到液態(tài)CO2儲罐工作溫度為－30℃，最后取設(shè)計溫度為－40℃。 負(fù)壓根據(jù)GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》規(guī)定的罐體外壓載荷確定。 依據(jù)TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的分類CO2介質(zhì)分組為第一組介質(zhì)，根據(jù)液態(tài)CO2儲罐的PV 值，容積為20～30m3，壓力為2.2MPa，查壓力容器類別劃分圖，該容器屬于三類容器。

2.4.2 焊接接頭系數(shù)

液態(tài)CO2儲罐的焊接接頭系數(shù)按HG/T 20585—2011 《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》選取， 所有A、B 類焊接接頭進行100%射線或超聲檢測，設(shè)計計算的焊接接頭系數(shù)取φ=1.00。 因此內(nèi)容器取焊接接頭系數(shù)1.00，外容器屬于常溫容器，取焊接接頭系數(shù)0.85，腐蝕裕量2.0mm。

2.4.3 額定充滿率

液態(tài)CO2儲罐額定充滿率根據(jù)儲罐的重量限制和標(biāo)準(zhǔn)要求的氣相空間確定。 GB/T 19905—2017《液化氣體汽車罐車》的要求是2.0%氣相空間，而TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求是5.0%氣相空間，綜合考慮到撬裝CO2儲罐的使用特點，氣相空間取10.0%，則額定充滿率為90.0%。

2.5 容器強度和穩(wěn)定性的設(shè)計計算

液態(tài)CO2儲罐采用雙層容器套裝結(jié)構(gòu)，在壓力形式上，內(nèi)容器筒體和封頭承受內(nèi)壓，按照內(nèi)壓容器進行設(shè)計， 外容器筒體和封頭承受外壓，按照外壓容器進行設(shè)計。在重量載荷上，CO2儲罐載荷分為兩種情況， 空罐靜載荷和滿載罐靜載荷。 內(nèi)容器和外容器的壁厚設(shè)計計算及校核按照GB 150.1 ～150.4—2011 《 壓 力 容 器》、GB/T 18442—2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器》和JB/T 4731—2005《鋼制臥式容器》中的規(guī)定執(zhí)行。針對各種工況條件下，對容器可能出現(xiàn)最大應(yīng)力的部位進行強度校核或穩(wěn)定性校核。 例如，內(nèi)容器屬于臥式內(nèi)壓容器，按照臥式容器進行強度校核，容器中間橫截面上由壓力和軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力，在容器支承平面上或靠近支撐平面處圓筒的軸向應(yīng)力均不超過設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力值。

液態(tài)CO2儲罐的內(nèi)容器采用環(huán)氧玻璃鋼八點支撐結(jié)構(gòu)固定在外容器內(nèi)，其中4 點為縱向滑動支撐結(jié)構(gòu)，另外4 點為固定支撐結(jié)構(gòu)。 外容器承受外壓，采用在容器內(nèi)部設(shè)置多組加強圈來提高筒體承載能力、節(jié)省鋼材、降低成本。 加強圈采用型鋼制造，尺寸則需要單獨設(shè)計計算。

2.6 保溫方式選擇

為了保持CO2儲罐的低溫狀態(tài)必須采取絕熱保溫措施。 一般絕熱低溫真空容器漏熱源主要有：通過絕熱體的綜合漏熱；通過容器吊柱、管路及支撐等機械部件的漏熱。 因此在絕熱方式和絕熱材料確定后，容器的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇及焊接工藝的合理性等各個環(huán)節(jié)是影響高真空絕熱低溫容器保溫性能和正常使用的重要影響因素［5］。

一般CO2儲罐采用的保溫方式主要有3 種基本類型：高真空絕熱、真空粉末絕熱、真空多層絕熱。 撬裝CO2儲罐釆用真空粉末絕熱保溫方式，絕熱材料采用珠光砂（膨脹珍珠巖）。 在全封閉的真空條件下，按照設(shè)計的充填程序確保夾層空間的真空度和珠光砂充填密度。 此外內(nèi)容器和外內(nèi)器之間的夾層空間確保抽至真空狀態(tài)，以消除絕熱空間氣體的對流和傳導(dǎo)，維持低溫CO2儲罐的正常工作。 真空度需要控制在不小于3Pa 的范圍，此時導(dǎo)熱系數(shù)的變化很小［6］。一般保溫層厚度達到12mm 時靜態(tài)蒸發(fā)率的變化趨于平緩［7］，夾層空間的尺寸滿足這個要求。

2.7 內(nèi)容器支撐方式

內(nèi)容器通過支撐件與外容器相連接，支撐件應(yīng)最大程度減小外部熱量進入內(nèi)容器。 支撐件的結(jié)構(gòu)形式有：玻璃鋼支撐結(jié)構(gòu)、吊拉帶結(jié)構(gòu)、玻璃鋼和吊拉帶結(jié)合結(jié)構(gòu)以及鋼管和膠木支撐結(jié)構(gòu)等。 這些支撐結(jié)構(gòu)不在低溫容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)所列結(jié)構(gòu)之中，因此需要對這些結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的儲罐部位進行強度和剛度分析［8～10］。CO2儲罐內(nèi)外筒之間采取八點支撐，其結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)外容器安裝容易，尤其適用于夾層狹小的高真空絕熱保溫。 設(shè)置支撐件2 組共8 個熱阻較大的環(huán)氧玻璃鋼，其中一組為固定支撐，另一組可以允許內(nèi)容器滑移，以適應(yīng)儲罐的熱脹冷縮帶來的熱應(yīng)力。 八點支撐結(jié)構(gòu)屬于接觸問題，要求殼體局部有足夠的強度和剛度，也要求支撐件在壓、剪、彎組合載荷下有足夠的強度和穩(wěn)定性。 為此設(shè)置支撐件墊板，墊板直徑是支撐管直徑的1.8～2.0 倍， 墊板厚度是筒體厚度的1.0～1.2 倍， 綜合比較支撐結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強度與環(huán)氧玻璃鋼材料的最大層間剪切力因素，支撐件的安裝角度在30～40°之間力學(xué)性能達到最好［11］。

設(shè)計支撐件套筒φ320mm×10mm×30mm（L）與內(nèi)外容器點焊固定。 支撐件的制造材料是環(huán)氧玻璃鋼，主要由環(huán)氧樹脂基體和增強材料（纖維及其織物）構(gòu)成，是通過二者之間的界面復(fù)合而成的成型材料，尺寸為φ300mm×50mm×258mm（L），插入套筒中，如圖2 所示。 整個液態(tài)CO2儲罐固定在2 組鞍座上，牢固可靠，公共基座上設(shè)計專門的吊掛結(jié)構(gòu)，可以充分保證運輸和起吊過程的方便性、安全性。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)

2.8 罐體接管

一般CO2罐體開孔有人孔、進出液口、液位計口、安全閥口。 在設(shè)計上，除了必要開孔外，應(yīng)盡量減少罐體上開孔， 并盡量合并開孔的功能。由于CO2儲罐的夾層空間有限，需要合理設(shè)計夾層管路的尺寸和形狀。 由于這些管路受到低溫CO2液體的冷沖擊，會產(chǎn)生大的變形和應(yīng)力，為了保證管路的安全運行，使管路具有足夠的柔性變形，需要對這些管路進行柔性計算和優(yōu)化。 例如，在管路的直管段增加彎頭，使之轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫婀芟祷蛄Ⅲw管系，柔性增大熱應(yīng)力減小。 雖然設(shè)置彎頭增加了管路的整體重量， 導(dǎo)致一次應(yīng)力增大，但可以大幅度吸收溫差帶來的變形，緩解變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力，有效降低管路變形產(chǎn)生的二次應(yīng)力［12］。

管路的柔性設(shè)計主要是計算其一次應(yīng)力和二次應(yīng)力， 并確保這兩種應(yīng)力處于準(zhǔn)則許用的范圍之內(nèi)。管路中由于壓力、重力和其他持續(xù)載荷所產(chǎn)生的一次應(yīng)力（即管路的縱向應(yīng)力之和）應(yīng)小于材料設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。管路中由于冷縮、端點位移等所產(chǎn)生的二次應(yīng)力（即計算出的最大應(yīng)力）應(yīng)小于二次應(yīng)力的許用應(yīng)力范圍。 一般二次應(yīng)力具有自限性特點， 即局部屈服或少量變形可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而使變形不再增大。管路只要不反復(fù)加載和卸載，二次應(yīng)力就不會導(dǎo)致管路的疲勞破壞。

2.9 耐壓和泄漏試驗

依據(jù)GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》的規(guī)定進行內(nèi)容器和外容器的水壓試驗。 水壓試驗壓力為1.25 倍的設(shè)計壓力。水壓試驗主要目的是考察容器的整體強度、剛度和穩(wěn)定性，焊接接頭的密封性和致密性以及密封結(jié)構(gòu)的泄漏性能等。 低溫壓力容器的真空度是決定壓力容器使用壽命的關(guān)鍵性能指標(biāo)。 外部管道與罐體組裝完畢，在水壓耐壓試驗合格后，需與罐體一起進行氣密性試驗，確定容器是否存在不允許的泄漏，以確保設(shè)備的安全性。 最后要求CO2儲罐封口真空度不小于3Pa，內(nèi)容器漏率不大于2×10-7Pa·m3/s；夾層漏率不大于2×10-6Pa·m3/s；夾層漏放氣速率不大于6×10-5Pa·m3/s。

3 結(jié)束語

液態(tài)CO2儲罐是二氧化碳驅(qū)油工藝的主要設(shè)備之一，有時需要進行移動和運輸，故其設(shè)計不同于一般壓力容器的設(shè)計。 通過對油田撬裝液態(tài)CO2儲罐的設(shè)計參數(shù)確定、罐體結(jié)構(gòu)形式和尺寸設(shè)計、支撐支座的分析及保冷方式選擇等多方面進行了設(shè)計要點的討論和分析，以達到最優(yōu)設(shè)計的目標(biāo)。