CN113602694B - 一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构 - Google Patents

Abstract

一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，包括柔性油囊、绑带、混凝土顶棚、水平锚链、地锚、输油管、输油管路以及防波堤，防波堤设置在外海，用于减小海浪带来的动力荷载以保证结构的安全稳定；地锚竖直设置于防波堤与岛礁之间的海底，混凝土顶棚的框架与海底的地锚锚固连接，绑带固定设置在柔性油囊的表面，柔性油囊通过绑带和水平锚链固定设置在混凝土顶棚下方的海水中；柔性油囊的上方设置一出油口，出油口与输油管连接，输油管与设置在岛礁内的输油管路连接，输油管路的上方伸出岛礁表面并设置注油口及排油阀门。本发明柔性油囊节约大量陆地空间，充分发挥水下防火、防雷、防爆、防蒸发等优势，极大减少配套储油设施建设的经济成本。

Description

一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构

技术领域

本发明涉及石油存储领域，具体涉及一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构。

背景技术

现如今我国大部分油品都采用油罐进行存储。从存储地域来划分主要包括陆上油罐和水下油罐。陆上油罐投资少、施工快，管理和维修都很方便，但是在城市地表修建石油储藏油罐需要占用大量土地，对陆地空间要求高，油罐造价高、寿命短，并且运营费用高、危险性很大。同时因为油罐需要依靠自身刚度来抵抗其内部的油压，所以在注油排油时也需要外加动力才能实现，十分费时费力；油罐对材料的要求很高，成本十分昂贵，并且存在着易燃易爆的危险，受环境影响极大，不利于维护。陆上油罐的基础有可能发生不均匀沉陷，导致油罐破坏，大量油品瞬时泄出，且油罐体发生脆性破裂；而且即使油罐采取了防腐措施，但不能根治油罐的腐蚀；最重要的是，陆上油罐易受军事打击，不具备战略性储油意义。

水下油罐和众多海洋结构建筑物一样，也是在岸上建造，然后拖运到预定的罐位充水下沉。目前发展了主要包括带环形底盘的储罐、倒盘形储罐、双圆筒混凝土水下储罐、带防波墙的立式钢筋混凝土水下储罐、椭球抛物面形、钟形水下混凝土油罐、带浮顶的立式圆柱形海中储罐、水下软体油罐七种形式。由于海岸空间开发潜力巨大，海岸、海底储存原油因具有占地少、安全、环保、储量大、寿命长、符合战备等优势而受到发达国家的重视而被广泛修建。相比陆上油罐，水下油罐相对更加安全，不仅避免了火灾和雷暴的发生，还大量节约了陆地空间。我国有着高达470万平方公里的领海，具有天然的水文地质条件，并且技术上已经成熟。因此，修建以海岸、海底石油库为主的国家石油战略储备已经完全可行。

尽管现有的水下储油系统形式各异，种类众多，但绝大部分仍为刚性油罐。水下刚性油罐排完油后，油罐将受到的巨大浮力和外在压力，为克服这两个问题，目前水下刚性油罐多需采用油水置换、油水隔离置换、油气置换、油水等流量代换等水下储油方式，其中以油水置换方式最为普遍，即在收发油时通过引入水到储罐，利用水的连通原理来调节储罐的浮力和内外压力，平衡出油和注油时油罐内外的压力。油水置换和油气置换的过程中容易出现渗水、渗油等现象，外来的离子会污染原油致使纯度降低；渗出的石油会扩散到海水中造成污染。除此之外，刚性油罐还存在工程造价昂贵，罐体的耐腐蚀、强度刚度、耐久性要求高、施工及维护管理复杂等问题。

目前水下储油关键技术研究主要集中在水下刚性储油方式、储罐形式及结构设计、载荷作用下储油装置的安全性和稳定性问题、油液渗透及环保问题等，而关于内陆江河湖海的水下柔性储油装置的研究尚缺少系统性和深入性的研究。水下软体储油的发展前景十分广阔，对水下柔性储油装置及其关键技术的研究具有重要的战略意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有水下储油存在的上述不足，提供一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，不仅拥有水下刚性储油罐防火防爆、安全隐蔽、节省占地面积的优点，还能弥补刚性储油罐承受压力大、造价昂贵，罐体的耐腐蚀、强度刚度、耐久性要求高、施工及维护管理复杂的问题，还能够实现无动力自动注油排油，极大减少配套储油设施建设的经济成本。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，包括柔性油囊、绑带、混凝土顶棚、水平锚链、地锚、输油管、输油管路以及防波堤，所述防波堤设置在外海，用于减小海浪带来的动力荷载以保证结构的安全稳定；所述地锚竖直设置于防波堤与岛礁之间的海底，所述混凝土顶棚的框架与海底的地锚锚固连接，所述绑带固定设置在柔性油囊的表面，所述柔性油囊通过绑带和水平锚链固定设置在混凝土顶棚下方的海水中；所述柔性油囊的上方设置一出油口，出油口与输油管连接，输油管与设置在岛礁内的输油管路连接，输油管路的上方伸出岛礁表面并设置注油口及排油阀门。

按上述方案，所述混凝土顶棚为框架拱结构，包括混凝土拱、混凝土柱与横梁，混凝土柱设置若干，横梁连接各个混凝土柱，混凝土拱与横梁及混凝土柱连接形成网格状结构。

按上述方案，所述混凝土拱、混凝土柱与横梁之间布置的疏密度根据柔性油囊的容量及混凝土顶棚在水中实际需要的浮力要求设计，输油管从混凝土顶棚的开口间隔处穿出，使柔性油囊的出油口通过输油管与输油管路相连。

按上述方案，所述柔性油囊通过绑带和多个水平锚链与混凝土顶棚多处相连接。

按上述方案，所述输油管的管壁分为内壁和外壁两层，内壁起隔离作用，具有足够的隔水抗渗能力以及抗腐蚀性；外壁起保护作用，具有足够的强度和韧性以及耐腐蚀能力；内壁选用丁腈耐油橡胶管。

按上述方案，所述柔性油囊为双层结构，包括外膜和内膜，内膜起隔离作用，具有足够的隔水抗渗能力以及抗腐蚀性；外膜起保护作用，具有足够的强度和韧性以及耐腐蚀能力。

按上述方案，所述内膜采用HDPE防渗膜。

按上述方案，注油口的高度、排油阀门的位置与柔性油囊的水下放置深度相关联，储油时将注油口升高至足够高度，利用注油口与柔性油囊间的水头差，实现无动力自动注油；排油时将注油口放下，此时由于油与海水的比重差异，致使柔性油囊内外压力不同，油在柔性油囊外水的压力作里下被自动压送到岛礁地面上沿输油管路排出，实现不用泵而用水的静压自动排油。

本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：

1、本发明利用液压平衡原理，在水中布置柔性油囊，借助地锚和防波堤及岛礁结构实现储油，与现有的刚性油罐相比，节省了钢材的使用以及大量的陆地空间，降低了储油罐的成本和施工复杂程度，同时避免了钢材在海岛环境下出现腐蚀以及大型材料运输不便的问题，水中柔性油囊储油的价格比其余储油方式要低的多，充分展现了其经济性；相对于水下刚体油罐而言，软体油罐受波浪影响较小，抗腐蚀能力较强，配套设施建设难度低，经济性相对更高，不仅可以用于存储海洋岛礁石油，亦可在内陆水体用于燃油存放；

2、与传统的陆上储油相比，水中柔性油囊除了具备一般水下储油装置的优点外，还不必考虑整体耐压问题，还可以利用柔体的静压通过控制液压差实现无动力注油及排油，节约能源消耗；注油效率高，结构强度要求低，造价低、易于施工维护；而且水下的储油环境不仅可以节约大量陆地空间，更可充分发挥其防火、防雷、防爆、防蒸发等优势，极大减少配套储油设施建设的经济成本，同时更加安全隐蔽；囊体耐腐蚀，抗渗性好，油液不易外溢渗透，环保性好；借助液压和浮力，囊体和基础负荷小，囊体耐压需求低，而且海洋幅员辽阔，巨大的水下储油能力，储油量潜力极高；

3、本发明在柔性油囊的表面设置了绑带，与一般的柔性薄膜相比，可以通过绑带实现柔性油囊与锚索直接的连接，增大了薄膜的受力面积，避免了柔性薄膜连接处出现应力集中而导致损坏；

4、混凝土顶棚的优点是可以利用其自重抵消柔性油囊受到的浮力，同时起到防护作用，为柔性油囊抵挡来自上方的冲击荷载；采用顶棚式连接的储油结构与采用地锚式连接的储油结构最显著的区别是增加了混凝土顶棚，同时取消了直接连接柔性油囊、绑带与海底地面的竖直锚索，取而代之的是通过绑带将柔性油囊固定在混凝土顶棚上的水平锚链，混凝土顶棚通过锚索与设置在柔性油囊表面的绑带相连接，这样做的意义是可以避免柔性油囊表面与海底直接接触从而产生摩擦导致薄膜损坏，同时也能减少海底生物的附着；由于绑带的存在增大了受力面积，使得柔性油囊表面受力更加分散，利于避免出现局部应力集中导致柔性油囊破坏的情况发生，固定在海底的混凝土顶棚本为结构提供了更高的抗侧刚度，本身也具有一定的防波性能，柔性油囊通过绑带和与混凝土顶棚多处相连接，与地锚式的油囊结构相比更加的稳定，在波浪作用的情况下动力响应也会相对减小。

附图说明

图1为本发明顶棚式柔性储油结构的注油过程示意图；

图2为本发明顶棚式柔性储油结构的排油过程示意图；

图3为本发明顶棚式柔性储油结构的混凝土顶棚左视图；

图4为本发明顶棚式柔性储油结构的混凝土顶棚正视图；

图5为本发明顶棚式柔性储油结构的混凝土顶棚俯视图；

图6为本发明顶棚式柔性储油结构的输油管的正面图；

图7为本发明顶棚式柔性储油结构的输油管的侧面剖面图；

图中，1-柔性油囊，2-绑带，3-混凝土顶棚，4-水平锚链，5-地锚，6-输油管，7-输油管路，8-防波堤，9-注油口，10-排油阀门，11-内膜，12-外膜，13-出油口，14-岛礁，61-内壁，62-外壁。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

参照图1～图2所示，本发明实施例提供的一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，包括柔性油囊1、绑带2、混凝土顶棚3、水平锚链4、地锚5、输油管6、输油管路7以及防波堤8，防波堤8设置在外海，用于减小海浪带来的动力荷载以保证结构的安全稳定；地锚5设置于防波堤8与岛礁14之间的海底，混凝土顶棚3的框架与海底的地锚5锚固连接，绑带2固定设置在柔性油囊1的表面，柔性油囊1通过绑带2和水平锚链4固定设置在混凝土顶棚3下方的海水中；柔性油囊1的上方设置一出油口13，出油口13与输油管6连接，输油管6与设置在岛礁14内的输油管路7连接，输油管路7的上方伸出岛礁14表面并设置注油口9及排油阀门10。

如图3～图5所示，混凝土顶棚3为框架拱结构，包括混凝土拱、混凝土柱与横梁，混凝土柱设置若干，横梁连接各个混凝土柱，混凝土拱与横梁及混凝土柱连接形成网格状结构。混凝土拱、混凝土柱与横梁之间布置的疏密度根据柔性油囊1的容量及混凝土顶棚3在水中实际需要的浮力要求设计。输油管6可以从混凝土顶棚3的开口间隔(混凝土拱的间隔)处穿出，使柔性油囊1的出油口13通过输油管6与输油管路7相连。根据实际的需要拱柱以及横梁的排列疏会有所要求：拱柱与横梁布置过疏，则其自重小于柔性油囊1和混凝土顶棚3在水中的浮力，无法起到平衡柔性油囊1所受浮力的作用；反之若布置过密，则不仅消耗大量材料，其过大的自重还会使整体结构在底部发生沉降，导致不必要的事故发生。因此，混凝土顶棚3的具体方案应结合柔性油囊1的容量进行设计。

柔性油囊1通过绑带2和多个水平锚链4与混凝土顶棚3多处相连接。混凝土顶棚3的框架可以直接锚固在海底地面，也可以通过可伸缩的锚索固定在海底地面。

如图6-图7所示，输油管6所选用的材料与柔性油囊类似，输油管6的管壁同样分为内壁61和外壁62两层，内壁61起隔离作用，具有足够的隔水抗渗能力以及抗腐蚀性，目的是防止内部渗油污染海洋环境以及柔性油囊1外离子渗入致使油的纯度下降；外壁62起保护作用，具有足够的强度和韧性以及耐腐蚀能力，目的是保护内壁61在液压以及波压的作用下不发生破坏；与柔性油囊1不同的是，输油管6选用的材料可以适当减少柔性、提高刚度，内壁61选用丁腈耐油橡胶管，丁腈耐油橡胶管具有良好的耐油性，它的长期使用温度可达到120度，同时丁腈耐油橡胶管有良好的耐低温性能，玻璃化温度可达-55度，化学性能稳定，加工性能良好，随着丁腈含量的增加，橡胶管的延展性，拉伸性逐渐增加，回弹性和耐低温性就会降低，但是这些并不影响耐油性，它的耐油性远远大于其他材质的橡胶管，如三元乙丙橡胶管、硅胶管等。

柔性油囊1为双层结构，包括外膜12和内膜11，内膜11起隔离作用，具有足够的隔水抗渗能力以及抗腐蚀性，目的是防止内部渗油污染海洋环境以及囊外离子渗入致使油的纯度下降；外膜12起保护作用，具有足够的强度和韧性以及耐腐蚀能力，目的是保护内膜11在液压以及波压的作用下不发生破坏。

实施例中内膜11采用HDPE防渗膜做防渗，HDPE防渗膜耐酸碱，耐腐蚀：能耐80多种强酸强碱等化学介质腐蚀，防渗性能好：水蒸汽渗透系数K≤1.0×10¹³g﹒cm/(cm﹒s﹒Pa)，耐低温：冷脆温度-60度～-70度，耐高温：熔化温度110度～120度，综合造价低，防腐防渗效果显著，不会发生渗漏。

现有陆地刚性储油罐以50m³钢内衬加玻璃钢外壳双层卧式S/F储油罐为例，价格约为每个6万元，需借助油泵收放油，以常见的1000m²厂房进行估价，包括土建、给排水、暖通、电器在内工程总造价预计3-5亿，按占地面积计算每个油罐约花费6万元，土地购置价格以南宁为例，约为1万元每平米，折算到每个油罐约花费50万元，合计每个油罐约花费62万元；现有水中刚性储油罐根据耐压、抗腐蚀、抗渗等要求较高的特性，预估其价格为陆上刚体储油罐的2-3倍，同样需借助油泵收放油，即便省去了土地购置及储油场地的费用，但仍远高于水中柔性油囊的价格；而本发明采用在水中布置柔性油囊1，囊体(外膜12)为高强度耐腐蚀的TPU材料，容积为50m³，价格约为每个1万元，利用水下空间，无土地购置及储油场地建设费用，装置成本低。

具体储油过程如图1所示，储油时将输油管路7的注油口9升高至足够高度，利用注油口9与柔性油囊1间的水头差，实现无动力自动注油；具体排油过程如图2所示，排油时将注油口放下，此时由于油与海水的比重差异，致使柔性油囊1内外压力不同，油在柔性油囊1外水的压力作里下被自动压送到岛礁14地面上沿输油管路7排出，实现不用泵而用水的静压自动排油，减少能源损耗。

值得注意的是，本发明注油口9的高度、排油阀门10的位置与柔性油囊1的水下放置深度相关联，根据液压平衡原理，注油过程中，令上部油压大于下方水压，满足P_油>P_水；而排油时，令上部油压小于下方水压，即P_油<P_水；除了油压和水压问题，还需要考虑柔性油囊1在海水中受到来自波浪的荷载。根据线性波理论，波浪场中任一点p(x,y)的波面高程

根据液体压强计算公式，考虑波压的作用，则有：

注油时：

出油时：

其中，h为入射波的速度势，ρ_油为所储油的密度；ρ_海为当地海水密度；g为当地标准重力加速度；H为柔性油囊1底部到海平面的垂直距离；h₁为排油阀门10到海平面的垂直距离；h₂为排油阀门10到注油口9位置的垂直距离；Z为波面高程；k为与波浪周期相关的系数；R为波浪场中选取点的极坐标半径。

由此可知，油水密度差距越大、柔性油囊1所固定在海中的位置越深、海浪波压越大，要求的注油高度就越高；注油高度不足则油压小于高于水压及波压，注油工作无法进行；但输油塔的高度同样不宜过高，否则会使油难以运输至注油口9，工作更加费时费力。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，其特征在于：包括柔性油囊、绑带、混凝土顶棚、水平锚链、地锚、输油管、输油管路以及防波堤，所述防波堤设置在外海，用于减小海浪带来的动力荷载以保证结构的安全稳定；所述地锚竖直设置于防波堤与岛礁之间的海底，所述混凝土顶棚的框架与海底的地锚锚固连接，所述绑带固定设置在柔性油囊的表面，所述柔性油囊通过绑带和水平锚链固定设置在混凝土顶棚下方的海水中；所述柔性油囊的上方设置一出油口，出油口与输油管连接，输油管与设置在岛礁内的输油管路连接，输油管路的上方伸出岛礁表面并设置注油口及排油阀门。

2.根据权利要求1所述的一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，其特征在于：所述混凝土顶棚为框架拱结构，包括混凝土拱、混凝土柱与横梁，混凝土柱设置若干，横梁连接各个混凝土柱，混凝土拱与横梁及混凝土柱连接形成网格状结构。

3.根据权利要求2所述的一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，其特征在于：所述混凝土拱、混凝土柱与横梁之间布置的疏密度根据柔性油囊的容量及混凝土顶棚在水中实际需要的浮力要求设计，输油管从混凝土顶棚的开口间隔处穿出，使柔性油囊的出油口通过输油管与输油管路相连。

4.根据权利要求1所述的一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，其特征在于：所述柔性油囊通过绑带和多个水平锚链与混凝土顶棚多处相连接。

5.根据权利要求1所述的一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，其特征在于：所述输油管的管壁分为内壁和外壁两层，内壁起隔离作用，具有足够的隔水抗渗能力以及抗腐蚀性；外壁起保护作用，具有足够的强度和韧性以及耐腐蚀能力；内壁选用丁腈耐油橡胶管。

6.根据权利要求1所述的一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，其特征在于：所述柔性油囊为双层结构，包括外膜和内膜，内膜起隔离作用，具有足够的隔水抗渗能力以及抗腐蚀性；外膜起保护作用，具有足够的强度和韧性以及耐腐蚀能力。

7.根据权利要求6所述的一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，其特征在于：所述内膜采用HDPE防渗膜。

8.根据权利要求1所述的一种适用于外海岛礁的顶棚式柔性储油结构，其特征在于：注油口的高度、排油阀门的位置与柔性油囊的水下放置深度相关联，储油时将注油口升高至足够高度，利用注油口与柔性油囊间的水头差，实现无动力自动注油；排油时将注油口放下，此时由于油与海水的比重差异，致使柔性油囊内外压力不同，油在柔性油囊外水的压力作用下被自动压送到岛礁地面上沿输油管路排出，实现不用泵而用水的静压自动排油。

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