原油儲罐清洗技術分析

＊王美茹 蔡業(yè)彬

（廣東石油化工學院機電工程學院 廣東 525000）

原油儲罐清洗技術分析

＊王美茹 蔡業(yè)彬

（廣東石油化工學院機電工程學院 廣東 525000）

詳細介紹了國內(nèi)外在人工清罐、機械清罐、油罐防沉降設備以及機器人清罐方面的發(fā)展現(xiàn)狀及其工作原理，并對其優(yōu)缺點進行了分析對比。通過綜合分析指出，原油儲罐清洗技術將向機械化、自動化、智能化、便捷化、系統(tǒng)化和設備國產(chǎn)化的方向發(fā)展。

油罐；人工清罐；機械清罐；油罐防沉降設備；清罐機器人

原油在儲罐中經(jīng)過長時間存放，油品中的少量機械雜質(zhì)、沙粒、泥土、金屬鹽類以及石蠟和瀝青等重組分會逐漸沉積在油罐底部形成油泥，這些油泥一般會占到罐容量的1%～2．2%。罐底油泥中含有豐富的烴類物質(zhì)，其中碳氫化合物的含量高達70%，瀝青質(zhì)占7．8%，石蠟占6%，污泥灰分占4．8%，其余約有25%的水和5%的泥沙等無機沉淀物。另外，油泥中還含有苯系物、酚類等對人體有毒有害的物質(zhì)，直接排放不僅造成環(huán)境污染而且是極大的石油資源浪費?？紤]到大量的油泥產(chǎn)生量以及油泥中所含豐富的烴類物質(zhì)，從環(huán)保和經(jīng)濟效益及角度出發(fā)，對其進行回收利用是必要的。

比如，一座10萬m3的油罐經(jīng)過5～6年的運行會產(chǎn)生1000m3～2200m3的油泥。如此大量的罐底油泥不僅會減少儲罐的有效容積，影響油品清潔度，同時油泥中的水分和鹽類物質(zhì)還將會加速罐體和罐內(nèi)附件的腐蝕，影響儲罐的使用壽命。而且，油罐在連續(xù)運行三到五年后，會出現(xiàn)腐蝕、變形、不均勻沉降、罐內(nèi)加熱盤管老化、排水管線不暢等問題，需要對油罐進行部分或全面檢修，以確保儲運的安全。因此我國石油石化行業(yè)規(guī)定原油儲罐間隔5～6年應清洗檢修。另外，在換裝不同種類油品時，為避免油品更換造成相互污染，也需要對油罐進行清洗。因此，設法防止油泥生成和方便快捷地清洗油罐對原油儲備具有重要意義。

1.人工清罐

人工清罐是一種傳統(tǒng)的清罐方式，在20世紀90年代中期以前，國內(nèi)油罐清洗均采用這種方法。清罐時先將油罐中的油品用泵抽吸至最低液位，然后泵入適量清水并通入蒸汽加熱進行蒸罐，加熱至一定溫度后，油泥中的部分油類物質(zhì)就從底泥中上浮至水層上，然后用泵將表層油品抽取回收。為了盡量回收油泥中的油類物質(zhì)，一般進行兩次蒸罐處理。蒸罐工作完成后，將罐底人孔打開，進行自然或強制通風，同時打開罐底齊平清掃孔，使罐底能流動的油水和底泥自流至集泥井，待自流結束后，再從罐中采集氣樣，經(jīng)測爆合格后，由清洗工作人員穿戴防爆服和呼吸器直接進入油罐內(nèi)部，進行收油和擦洗工作，利用人力把殘油轉(zhuǎn)移到罐外，人工完成所有的清淤工作。

這種清罐方式具有使用設備少、操作簡單以及施工成本低等優(yōu)點，但其主要缺點有：

(1)清罐周期長，清洗效率低。由于清罐前需要進行蒸罐、開人孔、通風等準備工作，所需的工序多、步驟復雜，因此清罐全過程所占時間較長。以清理1座5萬m3的油罐為例，一般需要一個半月的時間。另外，人工清罐受油泥量，油罐大小以及天氣等條件的影響很大，隨著油泥量的增加，清罐時間也會大幅度增加。

(2)作業(yè)強度高，施工條件惡劣。人工清罐需要用人力將殘油、於渣轉(zhuǎn)移走并對罐內(nèi)進行擦洗和收油工作，勞動強度高，加之罐內(nèi)有毒有害氣體濃度大，作業(yè)環(huán)境極端惡劣。

(3)存在安全隱患。人工清罐需要人員進罐作業(yè)，罐內(nèi)可燃氣體濃度高，如有靜電易發(fā)生火災、爆炸；有害氣體濃度大，且清罐是密閉空間作業(yè)，通風不好極易造成人員缺氧、中毒事故。

(4)易造成環(huán)境污染。人工清罐一般都會在油罐區(qū)附近挖一個污油池，將清挖出的油泥先倒入污油池，然后拉運至回收處理地。大量堆放的油泥揮發(fā)出的有毒、有害氣體直接排入大氣，造成罐區(qū)和周邊地區(qū)的環(huán)境污染，而且在油泥拉運轉(zhuǎn)移的過程中也會造成污染。

(5)資源浪費，原油回收率低。人工清出的罐底沉積物一般都拉運到周邊的土煉油廠，而絕大多數(shù)土煉油廠都沒有完善的原油回收裝置，只能回收油泥中少部分烴類物質(zhì)，不僅原油回收率低，而且還造成石油這種不可再生資源的浪費。

(6)清洗效果不好。人工清罐由于作業(yè)條件以及人力的限制，會存在著一定的清洗盲區(qū)以及人力清洗不到的地方，容易在之后的動火作業(yè)中，引起火災、爆炸等安全事故。

因此，隨著原油儲罐的大型化發(fā)展，以人為本理念的提出以及環(huán)保意識的增強，人工清罐的方式正在被逐漸淘汰。而機械清罐方式因其機械化、自動化、模塊化、密閉化、無污染以及原油回收率高等優(yōu)點得到廣泛應用。

2.機械清罐

國外對機械清罐的研究較早，大約在20世紀40年代初就已經(jīng)開始，到目前為止，已經(jīng)有很成熟的機械自動清罐成套系統(tǒng)，如在東南亞、歐洲、中東等地區(qū)陸上原油儲罐清洗方面得到廣泛應用的日本大鳳COW系統(tǒng)以及在清罐、油泥分離領域處于世界領先地位的丹麥泰福德公司的BLABO機械清洗系統(tǒng)。這兩種清罐系統(tǒng)均具備模塊化、自動化、密閉化、專業(yè)化和便捷化等技術特點。在安全性、清洗效率、清罐效果、原油回收率以及環(huán)境保護等方面均優(yōu)于人工清罐。

我國原油儲罐的機械清洗起步較晚，1995年石油部從日本引進了COWS系統(tǒng)，從此拉開了我國儲油罐機械清洗的序幕。目前我國應用最多的機械清洗系統(tǒng)是日本大鳳公司的COWS系統(tǒng)，以及部分從丹麥、英國、德國等引進的清罐設備。

機械清罐是利用清洗機噴頭噴射一定溫度和壓力的同種類型原油或水對罐內(nèi)油泥進行噴射、破碎、溶解的密閉式清洗方法。機械清罐裝置主要包括：移送裝置、清洗裝置、氮氣注入裝置、氣體濃度監(jiān)測裝置以及油水分離和回收裝置等。其中移送裝置是利用真空泵對儲油罐中能流動的殘油進行抽取和移送，將清洗機清洗的於渣和殘油抽吸到真空抽吸槽中，再由回收泵移送至接收罐。清洗裝置是通過清洗泵向清洗機提供被清洗罐用的同種類型原油和水，為了達到理想的清洗效果，同時利用自身配備的熱交換器給原油和水進行加熱。氮氣注入裝置的作用是向被清洗油罐中持續(xù)輸送氮氣，從殘油移送中產(chǎn)生氣層部時開始，一直進行到清洗機停止作業(yè)為止，同時利用氣體濃度檢測裝置確保被清洗儲油罐中的氧氣濃度在8 VOL %以下，確保儲油罐清洗過程的安全進行。油水分離和回收裝置是對清洗后的廢液進行油和水的分離處理，并對浮油進行回收。

清洗機是機械清洗的核心設備之一，關系著清洗質(zhì)量以及清洗的最終效果，決定著清罐的成功與否。它的主要作用是在儲油罐的清洗過程中，對儲油罐的罐底板、罐壁以及浮頂各個部位進行全方位的自動清洗。因此要求清洗機不僅有一定的噴射打擊力，擊碎溶解粘附在罐體上的油泥，還要具備立體全方位各個角度的清洗功能。

目前由于國內(nèi)技術水平的限制，現(xiàn)有的清洗機幾乎全部采用國外進口設備，一般采用低壓原油或水射流，噴射壓力為0．5MPa～0．65MPa。

清洗機是由氣動馬達、槍身、傳動軸、齒輪箱、噴嘴等組成。氣動馬達是清洗機的動力驅(qū)動裝置。其運動工作原理是：氣動馬達驅(qū)動齒輪箱中齒輪組運轉(zhuǎn)，齒輪組將傳動力輸出到中心傳動軸和外傳動軸，中心傳動軸帶動與旋轉(zhuǎn)噴嘴相連接的傘齒輪組嚙合，從而帶動噴嘴自轉(zhuǎn)，由于傘齒輪的偏置角使得噴嘴在自轉(zhuǎn)的同時繞清洗機中心軸在0°～135°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；與此同時外傳動軸帶動槍身作360°旋轉(zhuǎn)，使得噴嘴在自轉(zhuǎn)的同時繞清洗機中心軸線作公轉(zhuǎn)運動。噴嘴的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)相疊加后會形成一個三維立體的半球形覆蓋面，從而達到全方位立體噴射清洗效果。清洗機一般按其噴射射程呈同心圓布置，為滿足清洗要求，每次由兩只清洗機同時作業(yè)。

機械清罐的清洗特點：

(1)無需人員進罐，安全性高。機械清洗采用全封閉式自動清洗，清洗過程中無需人員進罐，從而避免了人員可能發(fā)生缺氧、中毒等事件，保障了人員的人身安全；在清洗全過程中對儲罐進行了氮氣保護，實時監(jiān)測并確保罐內(nèi)的可燃氣體及氧氣濃度始終控制在8VOL%以下，避免了因清洗機高速噴射產(chǎn)生靜電發(fā)生爆炸的危險，使清洗全過程的安全得到了有效保障。

(2)清洗質(zhì)量高，清洗效果好。清洗機的三維立體旋轉(zhuǎn)噴射，使儲油罐內(nèi)得到全方位徹底清洗，清洗后能見罐體金屬本色，清洗質(zhì)量高；采用同種油清洗，清洗后的油泥完全溶解在原油中，清洗后的油品中不含塊狀雜質(zhì)。

(3)原油回收率高。使用原油作為主要清洗介質(zhì)，油泥經(jīng)清洗機噴射、擊碎、溶解后，除少量泥沙外，其余有機沉積物完全溶解在原油中，恢復成標準原油，原油回收率高達98%以上。

(4)密閉作業(yè)，無污染。由于采用全封閉式作業(yè)，不向外界排放含油污水、廢氣，而是將含油污水通過油水分離器分離后把水作為清洗介質(zhì)再循環(huán)利用，并把分離出的油進行回收，不存在環(huán)境污染問題。

(5)清罐周期短，清罐效率高。機械清罐可全天24小時作業(yè)，并且不受油泥量和天氣等因素的影響，大大縮短了清罐時間，提高了清罐效率，減少了油罐停用期，使得油罐的利用率大幅提高，清罐時間是人工清罐時間的四分之一。

目前我國機械清罐主要用于清洗1萬m3～15萬m3的外浮頂原油儲罐，拱頂和內(nèi)浮頂油罐的機械清洗仍需進一步研究和探討。

3.油罐防沉降設備

為防止原油儲罐大量油泥的產(chǎn)生，考慮在原油儲罐中安裝攪拌裝置。由前蘇聯(lián)研制出的環(huán)形射流攪拌器是利用輸送中的原油流經(jīng)攪拌器產(chǎn)生環(huán)形射流，進而沖涮罐底沉渣，并使其懸浮于原油中排走。該裝置結構簡單，射流能量在罐底分布均勻，死角少，操作簡單；缺點是如果射流噴口堵塞或上閥板卡滯時，需要備用罐。

另有應用較成功的噴嘴攪拌器，典型的噴嘴攪拌器是美國Butterworth公司開發(fā)的皮托管射流器以及英國的儲罐淤泥清除器。攪拌器的工作原理與現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器大致相仿，不同之處是該類型攪拌器兩噴嘴交替打開或關閉，可單一使用也可一起使用。這種攪拌器安全可靠，操作簡便；缺點是結構較復雜，當發(fā)生噴嘴堵塞時仍需備用罐。

目前常用的油罐防沉降設備有側向伸入式攪拌器和旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器。為防止油泥沉降永久安裝在罐內(nèi)，定時啟動防止油泥生成。

(1)側向伸入式攪拌器

側向伸入式攪拌器一般安裝在罐壁相對底部位置，在罐壁開孔，采用法蘭連接。攪拌器的葉輪采用單螺旋槳型，葉輪旋轉(zhuǎn)時，使其周圍液體產(chǎn)生沿螺旋槳軸向和周向兩個方向的運動，使罐內(nèi)液體達到充分攪拌的效果，從而使罐底沉降物重新溶解在原油中。根據(jù)儲罐直徑的大小，可安裝一個或多個攪拌器。一般采用可變插入角型攪拌器，攪拌器的軸線與儲罐中心線之間的夾角可按需要在左右30°范圍內(nèi)調(diào)整，從而達到全方位的攪拌效果。

側向伸入式槳葉攪拌器能有效的使油品調(diào)和均勻，并且適當?shù)姆乐褂湍嗟某练e。然而這種攪拌器的不足之處在于：

①這種攪拌器因插入角可變，在密封面處易出現(xiàn)滲漏，而且無論采用何種密封都無法避免漏油問題；

②存在安全隱患。由于需要配套驅(qū)動電機，就需要用動力電纜線接入動力電源等，對于油庫這類防爆要求較高的區(qū)域，無疑增加了安全隱患；

③攪拌效果不理想。運行噪音大，攪拌時罐內(nèi)存在死角區(qū)，而且對長時間形成的沉積物攪拌效果不明顯；

④經(jīng)濟性差。攪拌器、配套電機等設施需定期維護保養(yǎng)，投入成本較高，費時費力。

(2)旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器

鑒于側向伸入式攪拌器的諸多不足，隨著射流理論的發(fā)展，研發(fā)了旋轉(zhuǎn)噴射攪拌裝置并用于儲油罐的攪拌清淤工作，效果明顯。

旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器一般安裝在罐底相對中央位置，根據(jù)有效射程和罐徑可布置一個或多個，進口接進油管線，利用循環(huán)泵加壓輸出的流體經(jīng)過攪拌器噴嘴形成射流束，對周圍流體進行卷吸和擾動，利用射流打擊力將油泥打散重新溶解在原油中，達到防止油泥沉降的作用。

旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器主要由軸流渦輪、噴嘴、主機、調(diào)速機構（傳動機構）和密封系統(tǒng)等組成。攪拌器本身無需任何外帶驅(qū)動裝置，它的動力來自流體動能，軸流渦輪是該系統(tǒng)的驅(qū)動源。系統(tǒng)運行時，由循環(huán)泵加壓輸出的流體驅(qū)動軸流渦輪，軸流渦輪將動力傳輸?shù)秸{(diào)速機構（傳動機構），同時被壓送出來的流體傳送到主機。噴嘴在主機上呈偏心布置或?qū)ΨQ布置：對于偏心布置噴嘴，利用噴嘴射流時產(chǎn)生的偏心旋轉(zhuǎn)力矩帶動主機水平運轉(zhuǎn)，為防止主機轉(zhuǎn)速過快設有調(diào)速機構；對于對稱布置噴嘴，利用傳動機構將動力傳給主機，從而帶動主機水平啟轉(zhuǎn)。噴嘴的旋轉(zhuǎn)速度可根據(jù)工程需要進行設置。

圖1 射流式流體攪拌器運動傳動機構圖

另外，王澤貴等學者設計了一種偏角噴嘴旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器，如圖1所示。這種攪拌器的噴嘴可在上下左右30°范圍內(nèi)調(diào)整，利用主機旋轉(zhuǎn)的同時帶動與噴嘴相連接的傘齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動噴嘴自轉(zhuǎn)，主機的公轉(zhuǎn)加上噴嘴的自轉(zhuǎn)，形成在其射程范圍內(nèi)的上下噴射對流和擾動，起到三維立體的噴射攪拌作用。

旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器的特點：①安裝方便，使用壽命長。

只需利用現(xiàn)場的循環(huán)泵和進出油管線進行安裝；攪拌器結構簡單，耐久性和耐磨性優(yōu)越，使用壽命長。

②攪拌效果好，性能優(yōu)良。

由于攪拌器在以360°均勻旋轉(zhuǎn)的同時高速噴射出原油，能充分地攪拌和溶解堆積的於渣，不存在攪拌死角區(qū)。

③安全可靠。

由于攪拌器是靠流體壓力驅(qū)動，不需額外配置電力驅(qū)動裝置，且運動過程完全沒入液體內(nèi)部，確保其本身的防爆性能及安全性能。

④經(jīng)濟性高。

攪拌器安裝在罐內(nèi)，不存在軸密封問題，不會漏油，日常無需對攪拌器進行維護保養(yǎng)，減少了維護保養(yǎng)的經(jīng)費；且系統(tǒng)是間斷、短時運行，耗電量少；也簡化了油罐檢查時的清洗工作，并大幅度地減輕了清掃費用。

但在使用時還應注意：

①攪拌器的射流強度過高會對罐內(nèi)附件產(chǎn)生影響，如加熱盤管，中央排水系統(tǒng)，液下消防管等，從而影響儲罐的功能；

②油品的粘度會影響攪拌效果：當油品的粘度較大時，射流強度減弱，攪拌效果會降低；

③由于攪拌器的運轉(zhuǎn)是由循環(huán)泵提供的帶壓流體驅(qū)動的，所以攪拌系統(tǒng)對泵的要求較高。

由于旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器在安裝成本、安全性能、攪拌效果以及后期維護方面都優(yōu)于側向伸入式攪拌器，因此目前國內(nèi)大型原油儲罐在選用攪拌器時優(yōu)先考慮旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器。

周會萍等人2011年提出了利用原油儲罐已有的防沉降攪拌設備實施在線原油儲罐清洗技術：該技術利用原油儲罐側壁安裝的側向伸入式攪拌器或安裝在罐底的旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器，采用機械攪拌和熱油循環(huán)相結合的方法，減少進罐原油的沉降，并使已經(jīng)沉積的油泥溶解并輸出，達到防止油泥生成的目的。該方案為油罐清洗提出了新思路。

4.清罐機器人

國外在清洗機器人方面的研究較早，如1986年拉格比Hydrovac工業(yè)和石油服務有限公司開發(fā)的罐內(nèi)作業(yè)工具水力推土機Hydrodozer；1999年美國Petroleum Ferment公司開發(fā)的用于流化和噴擊底泥的水力車以及后來英國Surface Control公司研發(fā)的真空槽車等。目前國內(nèi)尚未見有相關方面的研究報道。

國內(nèi)清罐機器人是近年來才發(fā)展起來的，目前正處于研發(fā)試驗階段。清罐機器人是一種集人工智能、自動控制、傳感控制、環(huán)境識別以及現(xiàn)代設計方法等諸多學科于一體的清罐方式。

清罐機器人是指利用機器人在罐內(nèi)自動移動的同時借助推鏟和噴射裝置破碎并打散罐底油泥，通過泵將罐內(nèi)破碎的沉積物抽出。清罐機器人系統(tǒng)主要包括：移動機構和驅(qū)動系統(tǒng)、清洗裝置、吸附裝置、傳感裝置和控制系統(tǒng)等。為拆裝方便，機器人主體采用模塊化設計，主體由移動機構和驅(qū)動機構組成，移動機構的移動方式主要有車輪式、履帶式和足腳式。三種移動方式各有其優(yōu)缺點，可根據(jù)不同需要選用：車輪式移動速度快，控制靈活，但吸附力差；履帶式吸附能力強，但移動不靈活；足腳式對場地的適應性較強，但移動緩慢。驅(qū)動機構一般采用滿足安全防爆要求的液壓驅(qū)動或氣壓驅(qū)動。吸附裝置采用磁吸附技術，可實現(xiàn)機器人的爬壁功能。清洗裝置是指安裝在主體上的機械推鏟和高壓噴射器等，在機器人行走的過程中，利用機械推鏟和高壓噴射器對油泥進行清除、破碎，達到清洗油罐的目的。傳感裝置用來采集罐內(nèi)清洗狀況信息，并將信號傳輸給控制中心，以便對機器人進行遠程控制或人工控制。

清罐機器人的特點有：

(1)拆裝方便。由于機器人主體的模塊化設計，使得機器人可進罐拆裝。

(2)安全性高。由于機器人采用液壓或氣壓驅(qū)動，且進罐裝置采用防爆材料，滿足防爆要求，安全可靠。

(3)清洗效果好。機器人采用機械推鏟和高壓水射流相結合的清洗方式，清洗效果好，清洗效率高。

(4)自動化程度高。使用自動傳感技術，實現(xiàn)自動化、智能化清洗，可將人工從清罐現(xiàn)場解脫出來，降低工人勞動強度和危險性。

(5)清洗周期短。密閉化、機械化運作，不受天氣等條件的影響，施工周期短，是人工清罐的三分之一。

另外，機器人主體雖采用模塊化設計，但仍需人員進罐進行組裝和拆卸，存在一定的危險性。

我國對清罐機器人的研究處于起步階段，該項技術的成熟有待相關學科以及各項關鍵技術的研發(fā)和提高。

5.結束語

隨著我國大型原油儲罐的大量建設，人工清罐由于其清洗周期長，安全性差，清洗效率低，原油回收率低，環(huán)境污染嚴重等弊端已不符合環(huán)境和發(fā)展的客觀要求，淘汰人工清罐是歷史的必然選擇。機械自動清罐技術由于其安全環(huán)保、清洗周期短、清洗效果好、原油回收率高、無需人員進罐等優(yōu)勢得到了廣泛應用。防沉降攪拌設備的應用，不僅可以防止油泥堆積過厚對儲罐造成的不良影響，而且減輕了清罐的工作量，延長了儲油罐的使用年限。機器人清罐技術剛剛起步，隨著科學技術的提高和關鍵技術的突破，清罐機器人的清洗功能將會越來越完善，智能化、自動化程度越來越高，具有很好的應用前景。

綜上所述，原油儲罐清洗技術將向著機械化、自動化、智能化、便捷化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。通過學習借鑒國外成熟的機械清罐技術，開發(fā)我國具有自主產(chǎn)權的機械清罐成套設備具有緊迫的現(xiàn)實意義和廣闊的市場應用前景。

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Analysis of the technology of crude oil tank cleaning

Wang Meiru, Cai Yebin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Guangdong, 525000)

This paper introduces the working principles of manual cleaning, mechanical cleaning, preventing sludge settlement equipment and robot cleaning in detail, and compares and analyzes their advantages and disadvantages. Through comprehensive analysis, it is proposed that the crude oil tank cleaning technology will develop towards mechanization, automation, closing, intelligence, facilitation, systematization and localization of equipment.

oil tank；manual cleaning；mechanical cleaning；preventing sludge settlement equipment；cleaning robot

T

A

((責任編：盧鳳英)

國家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目（12C26214405347）、廣東省教育部產(chǎn)學研結合項目（2010B090400237）、廣東省教育廳科技創(chuàng)新項目（2012KJCX0076）。

王美茹（1987～）女，廣東石油化工學院機電工程學院，研究方向：化工機械。

蔡業(yè)彬（1968～）男，廣東石油化工學院機電工程學院，研究方向:化工過程機械、機電一體化。