全尺寸補(bǔ)償膜法密封在外浮頂石腦油罐的應(yīng)用

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(1.中國石油天然氣股份有限公司 大連石化公司， 遼寧 大連 116011；2.中國石油天然氣集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院， 北京 102206；3.北京三益能環(huán)工程技術(shù)有限公司， 北京 100086)

隨著儲油罐和油庫規(guī)模的大型化，為保證儲罐的嚴(yán)密性和浮頂?shù)撵`活性，需要設(shè)置浮頂密封系統(tǒng)。浮頂儲罐的密封系統(tǒng)是大型儲罐安全運(yùn)行最薄弱的環(huán)節(jié)[1]，目前國內(nèi)采用的外浮頂儲罐密封主要有一次密封和二次密封?？煽康母№斆芊庋b置能有效防止儲罐內(nèi)油氣蒸發(fā)，降低浮頂上的油氣含量，減少油氣泄漏損耗，保證油品質(zhì)量，避免雷擊起火的可能性和環(huán)境污染，從而確保儲罐的安全儲運(yùn)和清潔生產(chǎn)。GB 31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[2]中對揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的排放要求進(jìn)一步提高，大幅減少油品在儲運(yùn)環(huán)節(jié)中的揮發(fā)損耗，實(shí)現(xiàn)VOCs達(dá)標(biāo)排放成為當(dāng)務(wù)之急。文中分析了外浮頂儲罐密封技術(shù)現(xiàn)狀，以中國石油大連石化公司G650石腦油罐為例，介紹了歐洲普遍使用的全尺寸補(bǔ)償膜法密封技術(shù)在其上的應(yīng)用效果。

1 外浮頂儲罐密封技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 一次密封結(jié)構(gòu)及特性

1.1.1機(jī)械鞋型密封

機(jī)械鞋型密封是金屬滑板在壓緊裝置作用下緊貼罐壁，通過金屬滑板與罐壁滑動(dòng)接觸，滑板部分鑲嵌于油面下。金屬滑板隨浮頂外緣環(huán)板的升降而沿罐壁滑行，在金屬滑板上端與浮頂外緣環(huán)板間裝有涂有耐油橡膠的纖維織物，使浮頂外緣環(huán)板與密封板間的環(huán)形氣相空間與大氣隔絕，實(shí)現(xiàn)浮盤密封。目前國內(nèi)外浮盤密封結(jié)構(gòu)形式多樣，但沒有大型儲罐浮盤密封設(shè)計(jì)、制造和安裝驗(yàn)收的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[3]。

機(jī)械鞋型密封的局限性：①補(bǔ)償儲罐變形范圍小，當(dāng)油罐變形超過±130 mm時(shí)，機(jī)械密封的金屬滑板與罐壁會產(chǎn)生間隙，造成油氣泄漏。②容易產(chǎn)生放電且易損壞。在使用過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封底部安裝的刮蠟器效果差，結(jié)構(gòu)松散，對環(huán)形間隙變化的適應(yīng)性差，造成金屬滑板與罐壁間隙大，產(chǎn)生密封不嚴(yán)等缺陷[4]。從現(xiàn)場調(diào)研情況看，機(jī)械密封容易出現(xiàn)密封不嚴(yán)、密封靴板與罐壁間隙大等現(xiàn)象[5]。機(jī)械密封對罐的不圓度、局部凹凸度都比較敏感，罐壁的這些缺陷均會降低密封效果[6]。

1.1.2囊式彈性填充式密封

囊式彈性填充式密封是由密封包袋填充物海綿或填充液等材料，將密封包袋安裝在浮頂與罐壁間隙中，橡膠彈性纖維密封袋與罐壁滑動(dòng)接觸。當(dāng)浮頂與罐壁間隙發(fā)生變化時(shí)，通過彈性材料的壓縮與舒張來補(bǔ)償浮頂與罐壁間隙的變化，在密封包袋、浮盤、罐壁與油面之間會形成油氣空間，通過密封包袋實(shí)現(xiàn)浮盤與罐壁的密封。同時(shí)保證浮頂在儲罐內(nèi)升降自如而不被卡住，從而達(dá)到減少油氣蒸發(fā)損耗的目的。

在囊式彈性密封使用過程中，部分浮頂儲油罐密封泄漏問題較為嚴(yán)重，出現(xiàn)了密封包袋多處破損、進(jìn)油和罐壁局部密封不嚴(yán)的現(xiàn)象，浮盤與罐壁之間的環(huán)向空間間隙大小不均勻，間隙常超出了規(guī)定的±100 mm的間隙補(bǔ)償能力。在間隙尺寸較小處，一次軟密封局部受到重?cái)D壓，致使密封包袋受到密封托板與罐壁的剪切，出現(xiàn)包袋破損、進(jìn)油現(xiàn)象。在間隙較大處，密封不能完全覆蓋油面，起不到密封作用，造成油氣損耗增大，又易引起火災(zāi)爆炸等事故。

1.2 二次密封結(jié)構(gòu)及特性

浮頂儲罐二次密封是在一次密封上部增加的一套密封裝置，能覆蓋整個(gè)邊緣氣相空間，主要用來擋雨和風(fēng)沙，同時(shí)有效減少油氣損失。目前浮頂儲罐的二次密封裝置是在浮頂儲罐原有一次密封的上方沿罐壁安裝一圈帶溝槽狀的橡膠密封刮板，橡膠密封刮板的底端連接在承壓板上，沿罐壁與浮船之間的環(huán)狀間隙搭接排列，其下端與浮船的邊緣板通過螺栓相連接。承壓板迫使橡膠密封刮板緊壓在罐壁上，承壓板的整個(gè)內(nèi)側(cè)覆蓋一層防蒸發(fā)隔膜，防蒸發(fā)隔膜的兩邊分別卷入橡膠密封刮板上的Z型壓板和浮盤邊緣板中，與橡膠密封刮板及一次密封共同組成環(huán)狀密封空間。

輕質(zhì)油儲罐長期運(yùn)行后，罐壁和浮盤會發(fā)生變形，導(dǎo)致罐壁與浮盤之間的環(huán)形空間距離發(fā)生變化。在距離變大的部位，橡膠密封刮板不能緊壓在罐壁上，失去密封作用。而在距離變小的部位，橡膠密封刮板過緊地壓在罐壁上，使浮盤上升時(shí)摩擦阻力增大。當(dāng)摩擦阻力超過承壓板極限時(shí)，承壓板發(fā)生塑性變形而失去彈性，導(dǎo)致二次密封失效[10]。

1.3 密封失效原因

浮頂儲罐密封圈失效引發(fā)的火災(zāi)頻率較高，原因主要是密封不嚴(yán)，密封脫離罐壁，油面暴露，引起油氣體積分?jǐn)?shù)偏高。從大型浮頂儲罐運(yùn)行情況看，由于儲罐的直徑和高度尺寸均較大，罐壁難以保持絕對的圓度和垂直度。在浮盤升降過程中，受油面波動(dòng)和外界風(fēng)力等因素影響，浮盤在油面上存在一定程度的漂移，導(dǎo)致浮盤與罐壁的間距隨浮盤的升降而不斷變化。密封圈服役一段時(shí)間后，二次密封的密封刮板會出現(xiàn)不同程度的變形，嚴(yán)重老化的橡膠刮板甚至呈現(xiàn)波浪狀，導(dǎo)致密封刮板難以與罐壁保持緊密貼合。另外，機(jī)械密封密封不嚴(yán)、密封鞋板與罐壁間隙大以及軟密封橡膠包袋內(nèi)的填充物彈性降低，會導(dǎo)致軟密封與罐壁存在多處間隙，有的縫隙寬度超過100 mm[11]。

可以看出，現(xiàn)有密封的工作補(bǔ)償范圍有限，當(dāng)密封補(bǔ)償能力不足以彌補(bǔ)以上情況造成的油罐變形和浮盤偏移時(shí)，會使密封脫離罐壁，易造成一、二次密封之間存在大量的有機(jī)揮發(fā)氣體，當(dāng)其處于爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)，遇到火源則會發(fā)生爆炸著火事故。

2 全尺寸補(bǔ)償膜法密封技術(shù)原理及應(yīng)用

2.1 全尺寸補(bǔ)償膜法密封技術(shù)原理

全尺寸補(bǔ)償膜法密封包括一次密封和二次密封，見圖1。

圖1 全尺寸補(bǔ)償膜法一、二次密封示圖

一次密封是利用鑲嵌式密封原理，根據(jù)儲罐的變形情況，采用不同寬度、不同厚度和不同長度的彈性鋼板搭接而成的彈性密封鋼板結(jié)構(gòu)。彈性鋼板一端連接浮盤邊緣，彎曲后緊貼罐壁向下插入油品液面325 mm以下。為保證良好的密封性能，在彈性鋼板的內(nèi)側(cè)覆以環(huán)形PTFE復(fù)合膜，將浮盤與罐壁間氣環(huán)密閉，形成靜密封結(jié)構(gòu)，無氣體泄漏，密封彈性鋼板與罐壁緊密貼合，確保液相無暴露[12]。二次密封則是通過彈力臂確保二次密封頂端密封條與罐壁緊密貼合，二次密封采用耐紫外輻射的高分子保護(hù)膜，起到密封、擋雨和擋風(fēng)沙的作用。

全尺寸補(bǔ)償膜法密封的工作補(bǔ)償范圍大，一般工作補(bǔ)償范圍為-100～300 mm，根據(jù)每臺儲罐不同的變形情況以及地基情況，通過專用軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，可確保一、二次密封具有足夠的補(bǔ)償能力，使得浮盤邊緣密封與罐壁始終保持全接觸。

2.2 全尺寸補(bǔ)償膜法密封應(yīng)用狀況

大連石化公司于2016-06對儲運(yùn)車間的G650外浮頂石腦油罐進(jìn)行了浮盤邊緣密封改造，將原有的囊式海綿密封和二次密封拆除，更換為全尺寸補(bǔ)償膜法一、二次密封，改造完成后進(jìn)行了浮盤升降試驗(yàn)。在浮盤升降試驗(yàn)時(shí)，對一次密封與浮盤形成的氣環(huán)空間進(jìn)行了氣密檢測，在石腦油罐進(jìn)水至浮盤支腿離地時(shí)，向氣環(huán)內(nèi)充壓至0.35 kPa，保壓30 min，壓力未下降即滿足氣密要求。為能及時(shí)準(zhǔn)確檢測到一、二次密封中間的氣體體積分?jǐn)?shù)，安裝二次密封時(shí)選取具有代表性的2個(gè)位置安裝了采樣口，一個(gè)在石腦油罐內(nèi)最北靠近浮盤13#人孔，太陽照射得到的位置(位置A)；另一個(gè)在石腦油罐最南端靠近浮盤6#人孔，太陽照射不到的位置(位置B)。浮頂石腦油罐浮頂邊緣的一、二次密封處是造成火災(zāi)的部位之一，減少油氣達(dá)到燃燒、爆炸極限，消除密封間產(chǎn)生火花的條件是避免油罐雷擊火災(zāi)的重要措施。因此，在浮頂油罐運(yùn)行中檢測一、二次密封油氣存留體積分?jǐn)?shù)是一項(xiàng)重要的工作。

2016-08全尺寸補(bǔ)償膜法密封投用后，大連石化公司質(zhì)檢中心和儲運(yùn)車間對G650外浮頂石腦油罐一、二次密封之間烴的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了跟蹤檢測，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

2016-08-23大連石化公司質(zhì)檢中心對一次密封與浮盤形成的氣環(huán)空間液位3.188 m處進(jìn)行了分析，測得氣體溫度28 ℃、烴體積分?jǐn)?shù)66.89%、氧體積分?jǐn)?shù)5.07%、氮體積分?jǐn)?shù)25.1%。此時(shí)烴的體積分?jǐn)?shù)值為油氣的飽和體積分?jǐn)?shù)，遠(yuǎn)高出石腦油氣爆炸上限8%，此氣環(huán)空間為安全空間。

表1 全尺寸補(bǔ)償膜法應(yīng)用后G650罐一、二次密封間烴體積分?jǐn)?shù)

中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院大連分院曾于2016-04-28對G650石腦油罐改造前進(jìn)行過VOCs排放摸底檢測，檢測依據(jù)為HJ 733—2014《泄漏和敞開液面排放的揮發(fā)性有機(jī)物檢測技術(shù)導(dǎo)則》[13]和泄漏檢測與修復(fù)(LDAR)技術(shù)。

檢測時(shí)選擇了均勻分布的8個(gè)點(diǎn)，采樣探頭靠近擋雨板。在風(fēng)速小于1.5 m/s、液位6.1 m，逸散排放相對穩(wěn)定的情況下對各采樣點(diǎn)進(jìn)行檢測。每個(gè)點(diǎn)位檢測時(shí)間3 min，記錄3 min內(nèi)儀器最大讀數(shù)，具體檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 G650石腦油罐改造前后二次密封LDAR技術(shù)VOCs排放檢測數(shù)據(jù) μmol/mol

全尺寸補(bǔ)償膜法密封裝置投用后，委托遼寧鼎昇環(huán)境檢測有限公司于2016-10-21對G650石腦油罐的VOCs排放進(jìn)行了全面檢測，檢測依據(jù)為文獻(xiàn)[13]、GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[14]，同時(shí)借鑒DB11_447—2007《煉油與石油化學(xué)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[15]，沿著二次密封周邊選取了8個(gè)均布檢測點(diǎn)，在風(fēng)速0.7 m/s、液位10.1 m時(shí)進(jìn)行檢測并記錄，檢測結(jié)果見表2。

3 全尺寸補(bǔ)償膜法密封技術(shù)應(yīng)用效果

3.1 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，石腦油罐投用初期一、二次密封間氣體烴體積分?jǐn)?shù)較高，隨著石腦油罐的運(yùn)行，烴體積分?jǐn)?shù)逐步降低，到后來一直穩(wěn)定在0.1%左右。筆者認(rèn)為，出現(xiàn)這種情況的原因是由于在浮盤投用初期，一次密封的彈性鋼板與罐壁緊密貼合需要一個(gè)過程，浮盤上下運(yùn)行時(shí)，彈性鋼板與罐壁相互摩擦、擠壓和碰撞，彈性鋼板會自動(dòng)調(diào)整位置進(jìn)行自適應(yīng)，與罐壁更好地貼合，所以會出現(xiàn)初期彈性鋼板與罐壁貼合不緊密使得一、二次密封間介質(zhì)烴體積分?jǐn)?shù)較高的情況。經(jīng)過初期磨合，彈性鋼板與罐壁貼合良好后，烴體積分?jǐn)?shù)就穩(wěn)定在了0.1%左右，遠(yuǎn)低于石腦油氣爆炸極限1.2%～8%(體積分?jǐn)?shù))，一、二次密封空間為安全空間，即使有點(diǎn)火源也不會發(fā)生爆炸著火等安全事故。

由表2可以看出，改造前二次密封LDAR技術(shù)VOCs泄漏最高檢測值為13 000 μmol/mol，高于2 000 μmol/mol的泄漏標(biāo)準(zhǔn)限值[7]。改造后二次密封LDAR技術(shù)VOCs泄漏最高檢測值為479 μmol/mol，遠(yuǎn)低于泄漏標(biāo)準(zhǔn)限值。二次密封效果好，除了自身與罐壁貼合緊密外，還得益于一次密封良好的密封效果。

3.2 安全性分析

3.2.1實(shí)現(xiàn)了浮盤與罐壁的等電位連接

基于API RP 545—2009《Recommended practice for lightning protection of aboveground storage tanks for flammable or combustible liquids》[16]的試驗(yàn)研究表明，導(dǎo)電片浸入油品液面以下0.3 m不會發(fā)生放電現(xiàn)象。胡海燕等人[17]認(rèn)為目前浮頂儲罐均設(shè)有刮蠟器，結(jié)構(gòu)類似于液下導(dǎo)電片，一端安裝在浮頂板下面，另一端刮板與罐壁緊密貼合，隨浮頂升降上下移動(dòng)，且滿足浸入油品液面以下0.3 m不會產(chǎn)生火花放電的結(jié)構(gòu)要求。因此，浮頂儲罐的刮蠟器與浮頂進(jìn)行可靠電氣連接后完全可以替代現(xiàn)有導(dǎo)電片作為浮頂與罐壁之間的雷電流泄放通道，避免儲罐二次密封放電發(fā)生，且便于檢測和維護(hù)，更安全可靠。

石腦油罐正常運(yùn)行時(shí)，全尺寸補(bǔ)償膜法密封的彈性鋼板插入油品中的最低點(diǎn)超過325 mm，彈性鋼板沿罐壁一周連續(xù)排布，受自身彈力作用，彈性鋼板時(shí)刻與罐壁保持面接觸的貼合狀態(tài)，接觸面積超過44.6 m2。金屬彈性鋼板與罐壁緊密貼合可起到與導(dǎo)電片和刮蠟器相同的導(dǎo)電作用，彈性鋼板的連續(xù)排布完全滿足API中導(dǎo)電片間隔小于3 m的要求，不會發(fā)生打火放電現(xiàn)象。因此，全尺寸補(bǔ)償膜法密封具有比API RP 545要求更高的安全性能。

3.2.2二次密封為低輪廓密封

常規(guī)二次密封高度通常高出浮盤的500 mm，全尺寸補(bǔ)償膜法密封二次密封的高度僅高出浮盤300 mm，高度減小200 mm可使石腦油罐儲量增加126 m3。同時(shí)低輪廓密封降低了二次密封高度，極大縮小了一、二次密封間的油氣空間，即使一、二次密封間存在油氣，可燃?xì)怏w積也非常有限[10]。

相對普通囊式密封，因采用了彈性鋼板的全尺寸補(bǔ)償一次密封，故可提高一次密封承壓能力，防止其被壓力波破壞，避免發(fā)生大規(guī)模燃燒事故[18]。

4 結(jié)語

全尺寸補(bǔ)償膜法密封在G650石腦油罐投用后，罐頂及罐周圍幾乎聞不到油氣味，密封效果得到了有效改善。建議在全尺寸補(bǔ)償膜法密封投用初期，短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次收付油操作，使浮盤進(jìn)行多次長行程升降，便于一次密封盡快度過磨合期，實(shí)現(xiàn)一次密封與罐壁的良好貼合，確保一、二次密封間油氣體積分?jǐn)?shù)低于爆炸極限，消除安全隱患。

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