原油儲罐一、二次密封使用現(xiàn)狀分析及改進建議*

張玉平，吳 昌，陶 彬，劉全楨

(1.中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071 2.中國石化管道儲運有限公司黃島油庫，山東青島 266500)

隨著我國環(huán)保要求的日益提高，浮盤邊緣密封作為原油儲罐控制VOCs排放最重要的附件越來越受到人們的重視。浮盤密封主要分機械密封和軟式密封兩種類型，當前我國原油罐一次密封以泡沫軟密封為主。由于泡沫軟密封變形補償量小、密封內(nèi)部油氣空間大等缺點，在使用過程中給油庫帶來諸多問題。

本文就原油儲罐浮盤一、二次密封進行研究，找出存在的問題，提出了改進建議。

1 密封在我國的發(fā)展和使用

我國原油儲罐浮盤密封起初的結(jié)構(gòu)型式是以“一次密封+擋雨板”為主，為減少油氣揮發(fā)損耗，于1994年開始逐步使用二次密封，到2004年，我國原油儲罐基本全部實現(xiàn)了雙重密封。而美國在20世紀80年代、歐洲國家在1997年就已實現(xiàn)了外浮頂儲罐的雙重密封[1]。

在使用密封結(jié)構(gòu)方面，一次密封最初以重錘式機械密封為主，后來逐漸被剪刀式機械密封所取代。直到2006年之后的一段時間內(nèi)，我國的原油儲罐發(fā)生了數(shù)起雷擊密封爆燃事故，這些事故發(fā)生的主要原因是機械密封在遭受雷擊后金屬構(gòu)件發(fā)生了放電[2]，見圖1、圖2。自此之后，我國開始逐步將機械密封更換為泡沫軟密封。密封在國內(nèi)的發(fā)展過程見表1。

2 我國密封的使用現(xiàn)狀

2.1 一、二次密封結(jié)構(gòu)

2.1.1泡沫一次軟密封

圖1 密封遭雷擊之后持續(xù)燃燒

圖2 事故過后的浮盤密封

時間一次密封機械密封軟式密封重錘式剪刀式泡沫封充液封二次密封擋雨板油氣隔膜1970多用沒用少用沒用全用沒用1980多用沒用多用少用全用沒用1990多用多用少用少用全用多用2000多用多用多用少用全用全用2008有用沒用全用少用全用全用

當前，我國原則上已不再推薦使用機械密封[3]，密封的使用主要以泡沫密封等軟式密封為主，以及少量的充液管式密封。

泡沫軟密封全稱為“彈性泡沫塑料軟密封”[4]，結(jié)構(gòu)主要由橡膠袋、泡沫塑料、支撐板等組成，見圖3。橡膠袋是由厚度約為1.5 mm的耐油丁腈橡膠制成，與罐壁接觸的部位有高度3 mm左右的鋸齒，能起到一定的掛蠟作用。彈性海綿的材質(zhì)為聚氨酯泡沫塑料，目前密封所用的是硬度等級為120N的硬質(zhì)海綿。

泡沫軟密封的優(yōu)點在于：①在浮盤邊緣間隙變化不大的情況下，泡沫軟密封能與罐壁更好地進行貼合，相比機械密封具有更好的密封性；②密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部金屬構(gòu)件少，基本消除了發(fā)生雷擊閃爆事故的可能。

圖3 泡沫一次密封結(jié)構(gòu)示意

2.1.2二次密封

二次密封主要由密封刮板、壓板、油氣隔膜等構(gòu)件組成，見圖4，其底端與一次密封的頂端一同固定在浮盤邊緣板頂部的位置。二次密封頂端固定有密封刮板，刮板受到壓板的彈性支撐作用緊貼在罐壁上。壓板下方安裝有油氣隔膜，當一次密封有泄漏時，二次密封油氣隔膜將泄漏的油氣阻擋在壓板下方，進一步阻止了油氣的泄漏。

圖4 二次密封裝置結(jié)構(gòu)示意

二次密封的區(qū)別主要體現(xiàn)在密封刮板結(jié)構(gòu)的不同。按照結(jié)構(gòu)的不同，密封刮板可分為L型、I型和T型3種結(jié)構(gòu)，見圖5。

圖5 密封刮板類型

I型結(jié)構(gòu)由于橡膠刮板的緊固螺栓與罐壁之間距離較近，雷擊時可能發(fā)生放電，目前已不再使用；L型是當前使用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)；T型結(jié)構(gòu)完全杜絕了固定螺栓與罐壁發(fā)生間隙放電的可能，作為一種新型結(jié)構(gòu)，目前使用較少。

2.2 泡沫一次密封存在的問題

2.2.1結(jié)構(gòu)方面問題

泡沫軟密封結(jié)構(gòu)方面的問題主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

a)一、二次密封之間油氣空間大且油氣濃度超標。當前使用的三芯泡沫軟密封與二次密封之間形成了較大的油氣空間(見圖3)，一次密封不嚴以及罐壁掛油導致密封內(nèi)部油氣濃度超標已經(jīng)變成一種常態(tài)，巨大的危險源成為油庫管理者不可忽視的因素。在“安全”大于“環(huán)保”的壓力之下，操作人員通常采取某些非常規(guī)手段來降低一二次密封內(nèi)部的油氣濃度也成為了一種“必要”。

b)泡沫軟密封自身固有的補償性較差。按照規(guī)范要求，一次密封應(yīng)能夠滿足浮盤邊緣間隙250±100 mm的變化要求[3，4]。而實際檢查發(fā)現(xiàn)，泡沫軟密封很難滿足這一要求。另外，當前我國很多油罐建在沿海填海造地的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)沉降導致浮盤邊緣間隙尺寸超過400 mm也不在少數(shù)，嚴重的已達480 mm。

2.2.2材料方面問題

泡沫塑料密封的使用材料主要為橡膠袋和彈性海綿，材料的問題主要表現(xiàn)為聚氨酯泡沫的塑性變形和老化。

a)橡膠袋問題。橡膠材料在油品中的抗老化性能、抗拉性能以及耐低溫性能在使用周期內(nèi)基本都能滿足相關(guān)要求，但是在實際使用過程中，橡膠袋能否保持完好主要與兩個因素有關(guān)：①對罐壁的尖銳凸起物比較敏感，在浮盤運行過程中容易致使其破損；②當浮盤上升時，密封的橡膠袋會向下翻轉(zhuǎn)。此時若浮盤邊緣間隙過小，會發(fā)生橡膠袋被浮盤下限位板過度擠壓導致撕裂。

在使用壽命方面，規(guī)范要求橡膠袋的使用壽命不應(yīng)低于15年[4]，但通常情況下大多數(shù)企業(yè)在一個清罐周期之后都會更換新的密封。

b)彈性海綿問題。泡沫軟密封其中一個特點就是在使用初期階段密封效果好，但是隨著時間的推移，以及受罐壁變形、浮盤漂移等因素的影響，海綿會逐漸發(fā)生老化，密封性會變得越來越差。

2.3 二次密封存在的問題

2.3.1壓板發(fā)生塑性變形

較小的邊緣間隙環(huán)境會導致二次密封壓板過度擠壓，從而產(chǎn)生塑性變形。當浮盤恢復到“原位”后，二次密封就會脫離罐壁(見圖6)，導致二次密封失效。

圖6 壓板發(fā)生塑性變形

2.3.2密封刮板老化

儲罐在長期運行過程當中，受光照以及高溫的作用，橡膠刮板產(chǎn)生老化(光中的紫外線會對橡膠起破壞作用)。嚴重時，橡膠刮板呈現(xiàn)出波浪狀(見圖7)，導致密封刮板與罐壁間難以保持緊密貼合。

圖7 密封刮板老化發(fā)生褶皺變形

2.3.3密封刮板的固定螺栓與罐壁之間發(fā)生間隙放電

用于固定I形橡膠刮板的螺栓與罐壁呈垂直狀態(tài)，由于螺栓末端與罐壁距離太近，儲罐遭受雷擊之后，螺栓與罐壁之間有發(fā)生間隙放電的可能。

2.3.4導電片產(chǎn)生間隙放電

經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，即使導靜電片與罐壁接觸良好(見圖8)，儲罐遭受雷擊時，相互間仍有發(fā)生放電的可能。導致這種現(xiàn)象發(fā)生的原因，可能是罐壁凝蠟在導電片與罐壁形成了絕緣隔膜，導致雷擊時浮盤上的雷電流泄放不暢。

圖8 包裹式安裝導靜電片

3 措施和建議

針對泡沫軟密封當前的使用現(xiàn)狀和存在的問題，提出了如下幾點改進措施和建議。

3.1 優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)，減小一、二次密封之間的油氣空間

即使在泡沫軟密封嚴密的情況下，由于罐壁掛油以及二次密封的作用，仍會導致密封內(nèi)部油氣集聚。因此，要消除密封內(nèi)部油氣空間，可通過擠壓或占用空間的方法來達到減小油氣空間的目的。如①內(nèi)部加裝填充海綿；②內(nèi)部加裝氣囊；③加裝橡膠包帶等。

3.2 嚴把油罐基礎(chǔ)施工質(zhì)量

若要從本質(zhì)上提升浮盤邊緣密封的性能，更重要的是要控制儲罐罐壁的變形量，而罐基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降是導致罐壁變形的最根本原因。

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展導致對原油需求大幅增加，油庫建設(shè)的冒進使油庫的施工質(zhì)量無法得到很好的保證。如，某沿海新建油庫運行不到一年，基礎(chǔ)沉降導致的罐體過度變形致使浮盤無法正常運行，類似的案例不在少數(shù)。因此，嚴格把關(guān)儲罐基礎(chǔ)施工質(zhì)量，特別是建造在填海造地上的油庫。

3.3 嚴格控制儲油液位

儲罐罐壁的變形程度是由下至上逐漸增大的，當邊緣間隙的尺寸超過密封運行極限范圍之后，密封會失效。因此，油庫應(yīng)定期對罐體的變形進行評估，當徑向變形超過規(guī)范要求的允許偏差時，應(yīng)將儲油液位降到安全高度[4]。

3.4 使用非軟式密封

除我國和日本之外，國外其他大部分地區(qū)原油罐使用的一次密封結(jié)構(gòu)仍以機械密封為主。日本使用的密封結(jié)構(gòu)主要為一種全尺寸泡沫軟式密封，究其原因，主要是因為日本屬于地震頻發(fā)國，而軟式密封的可變性好，地震時能夠有效防止浮盤對罐壁產(chǎn)生的激烈沖擊，可靠性高[6]。另外，英國石油儲罐相關(guān)的規(guī)范也明確說明軟式密封主要應(yīng)用于地震多發(fā)區(qū)。

我國大量使用泡沫軟密封，起初主要考慮的是安全問題。但是隨著環(huán)保問題的日益突出，如何提高浮盤密封的密封性能、減少儲罐VOCs排放量成為當前亟待解決的問題。而三芯泡沫軟密封很難滿足這一要求，因此開發(fā)使用大變量的密封結(jié)構(gòu)，成為當務(wù)之急。

我國密封的設(shè)計是按照滿足公式(1)進行設(shè)計，歐美地區(qū)通常執(zhí)行公式(2)：

L∈R(-X/+X)

(1)

L∈R(-X/+3X)

(2)

式中：L——密封補償應(yīng)達到的尺寸，mm；

R——浮盤邊緣間隙設(shè)計尺寸(我國通常為200～300)，mm；

X——密封變形量(我國要求為100)，mm。

可以看出，我國的設(shè)計要求明顯低于歐美地區(qū)的標準。而軟式密封由于其自身結(jié)構(gòu)和材料的局限性，在大幅度提高變形量方面很難再有大的改進。因此，要實現(xiàn)R(-X/+3X)的設(shè)計要求，只能通過以下幾種途徑實現(xiàn)。

a)優(yōu)化剪刀式機械密封結(jié)構(gòu)，從消除結(jié)構(gòu)內(nèi)部油氣濃度方面入手，來解決雷擊閃爆的問題。

b)研發(fā)、引進使用新型密封結(jié)構(gòu)，如德國WIL公司開發(fā)的一種叫SealMaster的機械密封(見圖9)，該密封已經(jīng)在歐洲地區(qū)大面積使用，以及日本大量使用的全尺寸泡沫密封。

圖9 SealMaster密封結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)語

隨著我國加快對大氣污染的治理以及對VOCs排放行業(yè)的試點收費，原油儲罐作為石油化工行業(yè)VOCs排放量最大的單體裝置之一，必將面臨著政府的巨額收費。據(jù)估算，一座百萬噸級的原油庫每年VOCs的排放量可達數(shù)千噸之多。

浮盤邊緣一、二次密封的有效性一定程度上決定了儲罐VOCs排放控制的允許值，因此，在保證安全的前提下，如何選擇使用一種可靠、高效的密封裝置，將儲罐的VOCs排放量控制到最低點成為業(yè)主急需考慮的問題。

[1] 陳朝暉．外浮頂儲罐二次密封技術(shù)應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備，2002，31(4)．

[2] 劉寶全，劉全楨，劉娟，等．大型浮頂儲油罐雷擊事故分析及防范對策[J].安全、健康和環(huán)境，2012，12(1)：10-13．

[3] 中國石化安[2011]754號中國石化大型浮頂儲罐安全設(shè)計、施工、運行管理規(guī)定[S].

[4] SY/T 0511.4-2010 石油儲罐附件第4部分：泡沫塑料一次密封裝置[S].

[5] SY/T 5921-2011 立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規(guī)程[S].

[6] EEMUA 159-2014 Above ground flat bottomedstorage tanks-A guide to inspection, maintenance andrepair[S].