全接液浮盤密封技術在儲罐VO C治理中的應用

江光義

（中石化安慶分公司，安徽安慶246002）

石油化工企業(yè)液態(tài)介質原料、中間產品、產品等均采用儲油罐儲存。油品在儲存過程中，造成油品損耗的主要原因是罐內氣體產生的大小呼吸損耗。為減少介質存儲損失，國內廣泛采用鋁質浮筒式浮盤和鋁質浮箱式浮盤，密封形式采用機械彈性密封或囊式填充密封技術，但不能有效解決密封泄漏問題。

根據國內外統(tǒng)計，在石油儲運過程中，常壓儲罐所產生的油品蒸發(fā)損耗占油品儲運及煉化企業(yè)生產過程總損耗量的60%以上。油氣蒸發(fā)損耗不僅給企業(yè)帶來經濟損失，也會產生安全隱患，還會造成環(huán)境污染。2017年6月生效的新《環(huán)境保護法》，對揮發(fā)性有機物的排放指標有嚴格的規(guī)定，排放氣體中非甲烷總烴含量不大于120 mg/m3。根據《石油行業(yè)VOCs污染源排查指南》，現(xiàn)有的儲罐無組織排放已經不能滿足法律要求，為達標排放，急需實施儲罐VOC治理。因此，石化企業(yè)儲罐高效浮盤改造具有很好的經濟效益和安全環(huán)保效益。

1 技術現(xiàn)狀

1.1 非全接液浮盤技術現(xiàn)狀

國內儲罐廣泛采用浮筒式非全接液浮盤，浮筒式浮盤甲板與浮桶間存在油氣空間。由于油氣容易竄流逸散，形成“氣液轉換”條件，產生大量油氣，大量油氣通過浮盤零部件不密封處泄漏出去，最后散逸到空氣中；非全接液浮筒式浮盤下方有85%左右的揮發(fā)面積（浮筒僅能覆蓋15%左右），因此，損耗量極大，同時，油氣空間也存在安全隱患。主要有以下缺點：

（1）浮筒式浮盤非全接液結構設計缺陷，造成浮盤零部件及附件存在大量泄漏點，最后散逸到空氣中，形成大量油氣揮發(fā)。

（2）浮筒式浮盤結構連接設計缺陷，結構弱，易損壞，最終造成浮盤損壞。浮盤壽命一般5年左右。浮筒式容易揮發(fā)，造成變形損壞。

（3）帶通風孔結構的浮頂罐，VOCs揮發(fā)損耗大于拱頂罐，且存在爆炸、著火風險。

1.2 浮盤邊緣密封技術現(xiàn)狀

浮盤邊緣密封主要有以下幾種類型：囊式密封、機械鞋型密封、刮板式密封、全補償氣密性密封等結構[1]。幾種典型的浮盤邊緣密封適用儲罐變形的范圍如圖1。

圖1 幾種浮盤密封形式

1.2.1 機械鞋型密封技術

機械鞋型密封通過金屬滑板與罐壁滑動接觸，每塊滑板相互搭接，滑板部分鑲嵌于油面下；滑板通過浮盤邊緣的支撐彈簧機構連接，油氣隔膜將浮盤與滑板密封，形成密閉油氣空間，實現(xiàn)浮盤密封。

主要缺點：

（1）機械密封的鋼滑板最大調整范圍±125 mm，適應浮盤邊緣環(huán)形間距變形范圍小。

（2）密封滑板與罐壁間存在縫隙，易形成火花放電條件。

（3）機械密封滑板與浮盤間采用橡膠密封帶密封，當油罐爆燃時易成為助燃物。

1.2.2 充液囊式密封技術

充液囊式環(huán)向密封因內裝煤油或水而太沉重，無法安裝在浮盤高度較低的裝配式浮盤上，并致使罐體下垂，無法補足往罐壁的環(huán)向密封空間。因此下方須焊支撐角鐵去支撐沉重的充液式環(huán)向密封。

主要缺點：

（1）適應罐壁局部變形和浮盤偏移量有限，調整量為±100 mm，適應浮盤邊緣環(huán)形間距變形范圍小。

（2）浮盤、罐壁與密封袋組成的氣體空間是動密封結構。

（3）密封摩擦力大，耐磨性較差。

（4）密封材料容易老化變形。

（5）密封材料破損后，處理難度大，費用高。

1.2.3 彈性填料囊式環(huán)向密封

囊式密封主要以彈性元件、橡膠帶、壓板、定位板、緊固件等構成。橡膠密封帶由特種合成橡膠制成，彈性元件是由聚氨酯發(fā)泡成多種形狀的彈性件，如方形、梯形、圓形及多面體形等等。

主要缺點：

（1）依靠橡膠帶包裹的彈性泡沫塊的回彈力，補償罐壁與浮盤的微量變化（±100 mm）。

（2）橡膠帶容易被罐壁刮破，造成密封失效，更換處理彈性填料困難。

（3）密封與罐壁摩擦不均勻，易造成浮盤卡盤問題。

以上幾種主要應用的邊緣密封結構，屬于非氣密性邊緣密封，其工作補償范圍小，無法有效將浮盤邊緣環(huán)形空間密閉。

1.3 浮盤附件泄漏分析（圖2）

圖2 浮盤附件泄漏示意圖

浮筒式浮盤結構連接設計的缺陷，造成浮盤零部件及附件存在大量泄漏點，形成大量油氣揮發(fā)，最后也散逸到空氣中。量油柱/導向柱、導向鋼絲繩、自動通氣閥等附件密封結構也存在缺陷，導致油氣揮發(fā)至浮盤上方。

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綜上分析，非全接液浮盤結構，非氣密型邊緣密封，未密封的浮盤附件密封等，都會對浮頂罐整體密封效果造成影響。而全補償浮盤由于浮盤底部沒有油氣空間，浮箱單元可靠密封后，可實現(xiàn)浮盤盤縫無泄漏；全補償氣密型邊緣一次密封，可實現(xiàn)環(huán)形空間零泄漏；選用可靠的浮盤附件密封結構，可大幅度降低附件損耗。因此，采用高效浮盤改造，可有效控制石化企業(yè)儲罐VOCs揮發(fā)。

2 儲罐高效浮盤改造方案

2.1 高效浮盤VOCs排放控制原理

在常壓環(huán)境下，儲罐VOCs散露揮發(fā)量根據馬扎克計算公式[2]：

式中：GS—VOCs散發(fā)量，g/h；V—風速，m/s；Pa—常溫飽和蒸汽壓，Pa；F—散露面積，m2；M—平均分子量。

儲罐VOCs排放控制思路如下：

（1）減少散露液面面積F。

（2）降低液面上部風速V影響。

（3）提高暴露液體表面的壓力，或者控制液體存儲溫度。

2.2 高效浮盤系統(tǒng)構成

圖3 高效浮盤結構

2.3 高效浮盤VOCs排放控制措施

2.3.1 采用全補償氣密型邊緣密封技術

工作原理：

（1）氣密型的浮盤周邊環(huán)形空間，為罐內儲存介質提供了氣體聚積空間。

（2）浮盤底部各種原因形成的氣體最終都會進入浮盤邊緣的密閉空間內。

（3）周邊環(huán)形空間積聚氣體產生壓力會逐漸增大，當超過安全的設計值后，需要主動進行釋放，保證浮盤的運行安全。

2.3.2 采用全接液箱式浮盤技術

全接液浮盤是一種新型浮盤技術，材質可選用不銹鋼、鋁合金，利用全平面浮箱單元組裝成大面積的浮盤，運用全封閉空腔板強力支撐結構及浮力，平貼在油面上，沒有油氣揮發(fā)空間[3]。

全接液浮盤采用浮箱板作為浮力元件，緊貼液面，不管是靜止還是運行時，內浮頂本體與儲液之間均無油氣空間，降低因油氣泄漏造成火災爆炸的可能性。

3 高效浮盤密封技術的應用

高效浮盤主要采用密閉全接液浮盤盤縫，密封浮盤附件及全補償氣密型邊緣密封，將浮盤與儲存介質的散露面積減少到最小，達到降低揮發(fā)量的目的。

3.1 全接液箱式浮盤的密封技術

全接液箱式浮盤采用不銹鋼S304板折彎焊接成型結構，或者采用鋁合金擠壓模成型結構，浮箱單元為矩形箱體成型，浮箱單元間通過螺栓連接成整體浮盤，無梁安裝結構。浮箱單元采用連接邊條，不銹鋼浮箱壁厚規(guī)格為1.5 mm，鋁合金浮箱壁厚規(guī)格為2 mm，浮箱單元間通過螺栓相互連接為整體浮頂結構。浮盤強度高，抗沖擊能力強，具有安全性能好等特點。

每個浮箱單元都經過氣密性打壓合格出廠，浮箱單元具有泄漏檢查設施和吹掃浮箱單元設施，浮箱單元的密封性能好。

浮箱之間，浮箱與浮盤附件間，浮盤與邊緣密封間均加有聚四氟乙烯彈性墊。浮盤上表面邊緣板角縫處，采用密封膠密封，浮盤密封性能優(yōu)異。

3.1.1 浮盤裝配結構（圖4）

不銹鋼浮箱單元的各面壁厚為1.5 mm，浮箱高度不小于140 mm，寬度不大于365 mm。鋁合金浮箱單元的各面壁厚為2 mm，浮箱高度不小于100 mm，寬度不大于200 mm。浮箱結構為全密閉式，浮箱核心部分完全不接觸儲存油品，結構更加穩(wěn)定。

圖4 浮盤裝配結構

3.1.2 浮箱單元間密封

浮箱間采用聚四氟乙烯彈性密封墊實現(xiàn)箱板間密封，浮盤浮箱單元通過邊條螺栓相互連接，將所有浮箱連接成整體，成為一體型浮盤結構，類似于雙浮盤結構，浮艙隔板為浮箱板，符合GB 50341對內浮盤浮力單元螺栓連接型式要求；浮箱間通過聚四氟乙烯彈性墊的密封性處理，可以達到浮盤整體的密封性能；每個浮箱單元均可進行氣密性檢測，打壓20 kPa，氣密檢測合格出廠；每個浮箱單元上表面開有泄漏檢查口，油罐一個檢修周期時，可通過檢測口檢測每個浮箱是否泄漏，避免上海賽科“5.12”事故的出現(xiàn)。每個浮箱安裝有吹掃口，發(fā)現(xiàn)泄漏可直接處理浮箱，避免檢修時出現(xiàn)事故。

3.2 浮盤附件密封技術

（1）量油柱/導向柱密封技術

導向柱密封采用液體鑲嵌式可滑動套管密封裝置，將導向柱井內較大油氣揮發(fā)空間，通過鑲嵌于儲液中的導向柱套管與固定于浮盤之間的密封膜，轉化為氣密性靜密封空間，及套管和導向柱動密封間隙。同時，套管與導向柱之間設置密封圈，可減少此處間隙泄漏。密封裝置主要材質為SS304不銹鋼，密封材質為聚四氟乙烯。

其結構簡圖如圖5。

圖5 導向柱/量油柱密封

（2）自動通氣閥密封技術

自動通氣閥的結構主要由閥體、閥蓋和閥桿組成，閥體與閥蓋間有密封材料，自動通氣閥在浮盤上對稱分布。自動通氣閥的閥蓋由兩層金屬板、一層橡膠密封墊圈組成，并通過如圖6所示的密封結構進行密封，最大限度提高密封效果。三腳型閥座可保證閥蓋運行平穩(wěn)，關閉嚴密。

圖6 自動通氣閥結構

（3）帶芯人孔密封技術

帶芯人孔裝置（圖7）減少了浮盤人孔下部氣體空間，減少了揮發(fā)面積，進而減少了介質的揮發(fā)。人孔裝置正常工作狀態(tài)下為靜密封狀態(tài)，人孔蓋板和人孔接觸部分采用較軟的PTFE發(fā)泡密封墊密封，浮箱形式蓋板。較重的箱蓋保證了密封的可靠性，鎖緊機構保證了人孔可以很方便的從浮盤上方和下方順利打開，從而方便浮盤的檢修等工作。

圖7 浮盤人孔結構

3.3 全補償氣密型邊緣密封技術

全補償氣密型密封技術，采用《歐洲工程設備與材料用戶協(xié)會（EEMUA159）》儲油罐檢驗驗收標準設計，浮盤與儲油罐邊緣距離R(-X/+3X)(X=R-Rn，R為浮盤與罐壁平均邊緣間，Rn為浮盤至罐壁的最小距離;密封的“X值”是根據儲罐橢圓度決定的。X需要至少等于儲罐平均直徑與最小中心線的差值。X值越大，彈性鋼板及其有效工作區(qū)間越大），解決了儲油罐極端橢圓或風力、晃動等變形下浮盤的密封泄漏問題；彈性鋼板密封結構可以達到阻隔罐內油品作用，避免油罐著火爆炸風險。該型密封使用壽命長，油罐全壽命周期內免維護，降低了油罐清罐損失。

密封為液體鑲嵌式全補償靜密封結構，浮盤與環(huán)形氣密空間零泄漏，邊緣密封與罐壁間接近零縫隙[3]。如圖8所示。

圖8 全補償邊緣密封結構

3.3.1 液封技術

氣密型邊緣密封鑲嵌在液位以下，任何工況下，邊緣的密封膜浸液深度不小于100 mm，保證浮盤與罐壁間環(huán)形空間始終為液封狀態(tài)，零泄漏。

3.3.2 密封與罐壁面接觸技術

氣密型邊緣密封與罐壁始終保持面接觸，截面長度不小于200 mm，適應罐壁腐蝕、局部變形及環(huán)形焊縫凸起。

3.3.3 全補償罐壁技術

密封工作范圍R(-X/+3X)，可以在任何不規(guī)則罐壁（如不圓或凸起膨脹）的狀況下，能夠時刻保證其與罐壁緊密貼合。其在自身彈力、靜密封空間內的氣體壓力、介質液體壓力的多重作用下，為緊貼儲油罐罐壁，保證密封與罐壁趨近于零縫隙。

3.3.4 密封氣密性檢測技術

（1）基本結構?？稍诟”P邊緣密封安裝氣密性檢測裝置，實現(xiàn)安裝完成后對密封密閉氣體空間的油罐密封的氣密性檢測（圖9）。

圖9 氣密性檢測

設備主要包括以下幾部分：①引壓結構：預留一個進氣口、一個出去口；②打壓裝置：將空氣注入裝置；③壓力顯示：顯示連通器內部壓力值。

（2）氣密檢測方法[2]。設備氣路如圖9所示。①氣密性檢測操作方法：將浮盤原有盲板卸下，更換為帶有進、出氣口法蘭；②使用打氣筒打氣，同時觀察水柱液位差35 mm，即將其內部壓力值預設為343 Pa；③持續(xù)觀察30 min其壓力值無任何變化，即其密封效果通過測試。由于其安裝在內浮盤上，因此，只有在浮盤整體安裝完成后，通水試運行時進行氣密性檢測；或者清罐檢修時，對密封進行氣密性檢測。

4 全接液浮盤密封技術的應用效果

目前，多個地方政府發(fā)布了VOC無組織排放地方控制標準，北京地標DB11-47-2015《煉油與化學工業(yè)大氣污染物排放標準》7.1.4規(guī)定“罐頂上方揮發(fā)性有機物檢測濃度”不應超過4 000 μmol/mol。天津地標DB12-524-2014《天津市工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機物排放控制標準》檢測標準4.3.3.1揮發(fā)性有機液體儲罐的技術要求，采用內浮頂罐或外浮頂罐，罐頂VOCs檢測濃度應不超過2 000 μmol/mol(以甲烷計)。檢測采用與“設備與管線組件泄漏檢測”相同性能的便攜式監(jiān)測儀器。內浮頂罐檢測灌頂排氣口中心位置處的VOCs濃度，外浮頂罐檢測邊緣密封部位上方1 m高度處的VOCs濃度。

全接液浮盤密封技術屬于儲罐源頭治理技術方案，通過對現(xiàn)有非全接液的浮盤結構和囊式邊緣密封進行改造，消除浮盤底部氣相空間，邊緣密封環(huán)形空間為氣密性液封空間，極大地減少油氣揮發(fā)空間。該技術通過改造儲罐浮盤和密封，減少源頭油氣的揮發(fā)，杜絕或降低VOC揮發(fā)量，增加存儲過程的經濟性和安全性，與儲罐油氣處理技術相比，簡化VOCs治理工藝設備，減少運行及維護費用，可以達到天津地標DB12-524-2014《天津市工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機物排放控制標準》罐頂VOCs檢測濃度不超過2 000 μmol/mol的標準。

采用高效浮盤密封技術的浮頂罐，經第三方檢測機構檢測，罐頂VOCs檢測濃度不超過2 000 μmol/mol的標準。檢測結果見表1。

表1 全接液浮盤VOC檢測數據 單位：μmol/mol

5 結論

通過采用全接液高效浮盤，全補償氣密型邊緣密封，密封浮盤附件，實現(xiàn)了儲罐VOCs排放達標控制。

（1）高效全接液浮盤密封技術可有效控制儲罐VOCs排放，相比傳統(tǒng)的浮盤密封技術，可達到VOCs揮發(fā)量減排，滿足國家儲罐排放控制標準，同時滿足天津、北京地方排放控制標準。

（2）高效全接液浮盤密封技術可大幅度降低儲罐損耗，消除設備隱患，減少VOC排放，打造綠色化工廠，實現(xiàn)節(jié)能、安全、環(huán)保目標。

（3）高效全接液浮盤密封技術可改善儲罐及罐區(qū)周圍安全環(huán)境，避免儲罐著火爆炸風險。