某核電廠浮頂儲(chǔ)罐泄漏分析及缺陷處理

唐俊杰

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

0 引言

浮頂儲(chǔ)罐當(dāng)前廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)，主要解決油品的蒸發(fā)損失問(wèn)題[1]。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，其在核電領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐步擴(kuò)大。某核電廠采用一種具有薄膜套浮頂結(jié)構(gòu)的除鹽水儲(chǔ)罐，用于防止除鹽水的蒸發(fā)及污染，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2-3]。

1 浮頂儲(chǔ)罐泄漏

在調(diào)試期間，該核電廠對(duì)除鹽水儲(chǔ)罐進(jìn)行充水，當(dāng)水位到達(dá)約6 m 位置時(shí)，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)薄膜套與罐體密封連接部位發(fā)生泄漏（圖1）。

圖1 容器結(jié)構(gòu)

浮頂儲(chǔ)罐薄膜套與罐體的密封主要依靠壓板將薄膜套與密封膠帶擠壓在罐壁上，250 顆均勻分布的開槽沉頭螺釘與容器外側(cè)的螺帽通過(guò)螺紋提供壓緊力（圖2）。密封膠帶作為密封元件，主要材料為丁腈橡膠，具有優(yōu)異的密封性能[4]。其產(chǎn)品性能及安裝質(zhì)量，對(duì)浮頂儲(chǔ)罐的密封性具有重要影響。

2 泄漏原因分析

傳統(tǒng)螺栓—法蘭—墊片密封結(jié)構(gòu)，主要依靠螺栓預(yù)緊作用使墊片發(fā)生壓縮—回彈，將法蘭面的微小凹坑完全填充，并維持一定的比壓力，實(shí)現(xiàn)阻擋內(nèi)部介質(zhì)流出的目的。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)分析，浮頂罐發(fā)生泄漏的主要原因應(yīng)為螺栓預(yù)緊力不足，導(dǎo)致墊片比壓力不足，無(wú)法保證密封效果。

2.1 螺栓緊固力

通過(guò)查閱該核電廠的操作文件，對(duì)于丁腈橡膠墊片，其操作程序要求墊片的壓縮率應(yīng)在40%～70%，故螺栓壓緊力應(yīng)按照W0=F0=EεA 計(jì)算。其中，F(xiàn)0為螺栓的拉力，E 螺栓材料的彈性模量，ε 為在翻轉(zhuǎn)力矩作用下的拉應(yīng)變量，A 為螺栓測(cè)試段的截面積。

對(duì)丁腈橡膠取彈性模量為6.963 MPa、壓縮率為40%時(shí)，計(jì)算可得單顆螺栓最小壓緊力為4560 N[5]。

已知螺釘規(guī)格為M10 mm，故可計(jì)算螺釘?shù)淖钚Q緊力矩T=KFD。其中，T 為扭矩，K 為扭矩系數(shù)，F(xiàn) 為軸向力或者角預(yù)緊力，D 為螺栓公稱直徑。

當(dāng)K 值取0.14[6]，計(jì)算得螺釘?shù)臄Q緊力矩為6.8 N·m。由于該密封結(jié)構(gòu)采用開槽沉頭螺釘，不能采用力矩扳手預(yù)緊，即在操作過(guò)程中無(wú)法保證預(yù)緊力。事后通過(guò)與作業(yè)人員的溝通，也證實(shí)了上述分析，故預(yù)緊力不足是造成浮頂儲(chǔ)罐泄漏的直接原因。

2.2 隔膜安裝操作

螺栓預(yù)緊方式包括力矩緊固法、轉(zhuǎn)角控制法以及拉伸控制法等，該浮頂儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)中并未明確緊固要求。且通過(guò)與同行電廠溝通，墊片部件在之前同類浮頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)中并不存在，該墊片規(guī)格為Φ20/10 mm，厚度δ=3 mm，材料為丁苯橡膠。操作人員以往的安裝經(jīng)驗(yàn)不能適用于該螺釘?shù)陌惭b預(yù)緊，螺釘安裝預(yù)緊要求不明確是造成該浮頂儲(chǔ)罐泄漏的根本原因。

3 泄漏缺陷處理

3.1 薄膜套密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)浮頂儲(chǔ)罐泄漏分析，當(dāng)密封膠帶壓緊力不足導(dǎo)致密封失效時(shí)，內(nèi)部介質(zhì)通過(guò)螺紋間隙流出，直接導(dǎo)致泄漏發(fā)生。故在墊圈與螺母間增加橡膠密封墊片，即在密封膠帶密封失效時(shí)提供二次密封，降低介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。

圖2 浮頂儲(chǔ)罐密封結(jié)構(gòu)

圖3 設(shè)計(jì)中增加的墊片

3.2 薄膜套安裝過(guò)程中的控制措施

該浮頂儲(chǔ)罐薄膜套與罐體密封的安裝操作具有工作量大、人員配合困難、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。操作時(shí)需一名作業(yè)人員站立在浮頂上緊固螺釘，同時(shí)另一人在儲(chǔ)罐外側(cè)的對(duì)應(yīng)螺釘處固定該位置的螺母，防止螺釘與螺母同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

緊固操作時(shí)，作業(yè)人員將螺釘緊固至使墊片壓緊至使墊片變形至與螺釘端部緊密貼合的狀態(tài)（圖5）。在后續(xù)調(diào)試工作中，對(duì)該浮頂儲(chǔ)罐反復(fù)充水—排水并未發(fā)生該處泄漏現(xiàn)象，驗(yàn)證了該缺陷處理的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)浮頂儲(chǔ)罐泄漏問(wèn)題的分析，得出薄膜套與儲(chǔ)罐連接處發(fā)生泄漏的原因主要有兩個(gè)：壓緊螺釘?shù)念A(yù)緊力不足是導(dǎo)致泄漏的直接原因；浮頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中未明確安裝預(yù)計(jì)要求且操作人員經(jīng)驗(yàn)不足，是導(dǎo)致泄漏的根本原因。

在缺陷處理過(guò)程中，對(duì)該浮頂儲(chǔ)罐的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加二次密封，進(jìn)一步降低了介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)對(duì)壓緊螺釘?shù)陌惭b操作進(jìn)行了明確，保證了密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

在后續(xù)的調(diào)試過(guò)程中，該浮頂儲(chǔ)罐未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，為其他電廠該型儲(chǔ)罐的調(diào)試及運(yùn)行工作提供了參考。

圖4 優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)

圖5 螺釘緊固后狀態(tài)