浮頂油罐密封安全性與補(bǔ)償范圍分析與計(jì)算

(中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

目前，國(guó)內(nèi)浮頂油罐密封系統(tǒng)多為一、二次密封裝置組合結(jié)構(gòu)，浮頂油罐一次密封結(jié)構(gòu)形式主要有機(jī)械式密封、彈性填料軟密封、充液管式密封等，二次密封結(jié)構(gòu)則由密封刮板、壓板和油氣隔膜等組成［1-2］。浮頂油罐一、二次密封之間可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)是油罐安全運(yùn)行的重大隱患，一方面儲(chǔ)罐建造質(zhì)量、密封產(chǎn)品質(zhì)量、基礎(chǔ)沉降引起罐壁變形以及儲(chǔ)罐運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)榷伎赡軐?dǎo)致油罐密封圈處可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)，另一方面浮盤(pán)上下運(yùn)行時(shí)黏附于罐壁上的油膜蒸發(fā)也可能導(dǎo)致密封處油氣濃度超標(biāo)。

近些年，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)浮頂油罐密封空間的危險(xiǎn)性、密封處油氣濃度超標(biāo)原因及對(duì)策等進(jìn)行了大量研究，從儲(chǔ)罐運(yùn)行管理、防雷接地布置、油氣置換及密封裝置改造等方面提出了應(yīng)對(duì)措施［3-6］。浮頂油罐一次密封失效是密封處油氣濃度超標(biāo)的主要原因之一。文中在分析一、二次密封之間可燃?xì)怏w來(lái)源的基礎(chǔ)上，對(duì)浮頂油罐密封處油氣濃度超標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行探究，并提出應(yīng)對(duì)措施。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的對(duì)比分析和油罐變形模型的理論分析，提出了基于油罐變形的密封裝置有效補(bǔ)償范圍確定方法，此方法可為浮頂油罐密封裝置的合理配置和選型提供參考。

1 浮頂油罐密封處油氣濃度超標(biāo)問(wèn)題分析

目前國(guó)內(nèi)原油浮頂儲(chǔ)罐密封多采用浸液式安裝的一次密封與二次密封組合結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。一、二次密封之間存在一定環(huán)形空間，當(dāng)一次密封失效或浮盤(pán)運(yùn)行中位置偏移過(guò)大時(shí)，密封與罐壁之間就會(huì)出現(xiàn)較大空隙，一次密封處裸露的油面在一、二次密封之間可能形成油氣混合物。另外，在浮盤(pán)的升降過(guò)程中，部分原油可能會(huì)黏附在罐壁上，一次密封與二次密封之間罐壁上黏附油膜的揮發(fā)，也可能在一、二次密封之間形成油氣混合物［7-9］。

帶油氣隔膜的二次密封設(shè)置在一次密封之上，對(duì)從一次密封裝置泄漏出來(lái)的油氣進(jìn)行再次密封，在一定程度上起到減少油氣蒸發(fā)損耗和防止大氣污染的作用。但當(dāng)一次密封失效時(shí)，蒸發(fā)的油氣在一、二次密封環(huán)形空間內(nèi)不斷聚集，可能導(dǎo)致一、二次密封之間油氣濃度達(dá)到爆炸極限，存在密封圈處爆燃和火災(zāi)的隱患。

圖1 浮頂油罐密封結(jié)構(gòu)示圖

為了解浮頂儲(chǔ)罐一、二次密封之間油氣分布情況，對(duì)多個(gè)庫(kù)區(qū)共計(jì)113座原油儲(chǔ)罐的密封圈處油氣濃度進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中311個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處二次密封空腔內(nèi)可燃?xì)怏w濃度超過(guò)爆炸下限的25%，其中26座儲(chǔ)罐共計(jì)132個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處可燃?xì)怏w濃度超過(guò)爆炸下限。在被檢測(cè)的油罐中有23%的原油儲(chǔ)罐存在一、二次密封之間油氣濃度超標(biāo)情況，二次密封之上均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。針對(duì)浮頂油罐一、二次密封之間油氣濃度超標(biāo)問(wèn)題，從密封失效形式、密封失效原因及問(wèn)題所屬類(lèi)型等方面進(jìn)行原因分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)以上分析，一次密封與罐壁間存在較大間隙導(dǎo)致油面裸露是一、二次密封之間油氣濃度超標(biāo)的主要原因之一。

表1 浮頂油罐一、二次密封之間油氣濃度超標(biāo)原因

2 提高油罐密封安全性措施及分析［10-14］

2.1 新型密封

選用新型密封裝置，如整體式密封裝置或大補(bǔ)償量密封裝置。采用整體式密封裝置可大幅減小或消除一、二次密封之間的油氣空間，降低火災(zāi)和爆轟事故發(fā)生概率。采用具有較大補(bǔ)償量的密封結(jié)構(gòu)可在油罐變形時(shí)，通過(guò)密封裝置的有效補(bǔ)償調(diào)節(jié)，避免油面裸露而發(fā)生油氣濃度超標(biāo)。

2.2 油氣監(jiān)測(cè)

目前在大多數(shù)罐區(qū)操作中，密封之間可燃?xì)怏w檢測(cè)工作主要以人工攜帶便攜式可燃?xì)鈾z測(cè)儀抽檢為主，為保障一、二次密封之間油氣濃度的有效及時(shí)監(jiān)測(cè)，可采取直接監(jiān)測(cè)報(bào)警法或氣體抽送監(jiān)測(cè)法。直接監(jiān)測(cè)報(bào)警法是利用設(shè)置在一、二次密封之間的可燃?xì)怏w檢測(cè)裝置，如采用氣體檢測(cè)儀連接環(huán)形布置的探頭，當(dāng)油氣超過(guò)設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并采取相應(yīng)措施，例如連鎖氮?dú)獍l(fā)生充氣裝置進(jìn)行氮?dú)獬溲b。氣體抽送監(jiān)測(cè)法是通過(guò)取氣泵和取氣管抽取一、二次密封之間的氣體并對(duì)抽取氣體進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)油氣超標(biāo)時(shí)，采取相應(yīng)措施，如啟動(dòng)氮?dú)廨斔拖到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣體置換。

2.3 氮?dú)夥雷o(hù)

對(duì)油罐密封處的油氣濃度在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)油氣濃度超標(biāo)時(shí)，連鎖啟動(dòng)罐頂處的注氮系統(tǒng)（需制氮系統(tǒng)、罐頂注氮管網(wǎng)系統(tǒng)和光纖系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等），將氮?dú)庾⑷胍?、二次密封之間進(jìn)行氣體置換，將油氣濃度降低至安全范圍內(nèi)。

2.4 空氣稀釋

當(dāng)一、二次密封之間油氣濃度超標(biāo)時(shí)，可進(jìn)行空氣置換以降低油氣濃度，主要措施有氣泵抽取或人工開(kāi)啟檢測(cè)口的方法。當(dāng)即將到達(dá)爆炸下限值時(shí)，打開(kāi)氣泵將一、二次密封層之間的高濃度可燃?xì)怏w吸出，通過(guò)密封層間的負(fù)壓實(shí)現(xiàn)外部空氣的進(jìn)入，可降低可燃?xì)怏w濃度。在二次密封擋雨板上設(shè)置檢測(cè)口，結(jié)合庫(kù)區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)，可在雷電預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，人為打開(kāi)檢測(cè)口排放油氣并注入空氣稀釋油氣濃度。

2.5 其他措施

當(dāng)一、二次密封之間油氣濃度超標(biāo)時(shí)，可對(duì)一、二次密封之間進(jìn)行臨時(shí)氮?dú)庵脫Q，通過(guò)注入抑制劑，也可避免出現(xiàn)火災(zāi)事故。當(dāng)一次密封與罐壁存在較大間隙導(dǎo)致密封不嚴(yán)、油氣濃度超標(biāo)時(shí)，可對(duì)一次密封填充異型泡沫，以提高密封的安全可靠性。

2.6 措施分析

從一、二次密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，在現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)新型密封裝置減小或消除一、二次密封之間油氣空間，或采用大補(bǔ)償量的密封裝置，是解決油氣濃度超標(biāo)問(wèn)題的根本措施，也是保障油罐本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的重要舉措。

3 密封裝置補(bǔ)償范圍分析

國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對(duì)密封裝置的有效補(bǔ)償范圍均有規(guī)定，但在實(shí)際工程中，要保持密封裝置良好的密封效果，其補(bǔ)償調(diào)節(jié)范圍還需根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)、安裝以及油罐尺寸和變形情況等進(jìn)行優(yōu)化，特別是在儲(chǔ)罐變形較大時(shí)，應(yīng)對(duì)其需求的補(bǔ)償范圍進(jìn)行重新界定，才能保證油罐密封的可靠性。

3.1 相關(guān)規(guī)范規(guī)定

GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］中規(guī)定，浮頂外邊緣板與罐壁之間的環(huán)形空間徑向間距偏差為±100 mm時(shí)，密封裝置應(yīng)仍能保持良好的密封效果，即密封裝置的補(bǔ)償范圍為±100 mm。例如，某油罐內(nèi)壁與浮盤(pán)外邊緣板徑向距離為200 mm，則密封裝置的環(huán)形空間寬度為100～300 mm時(shí)具有良好的效果。JIS B8501—2013《鋼制焊接油罐結(jié)構(gòu)》［16］中也有類(lèi)似規(guī)定。

EN 14015—2004 《Specification for the Design and Manufacture of Site Built，Vertical， Cylindrical， Flat-bottomed，Above Ground， Welded，Steel Tanks for the Storage of Liquids at Ambient Temperature and Above》［17］規(guī)定，密封裝置適應(yīng)的局部水平偏差為±125 mm。例如，某油罐內(nèi)壁與浮盤(pán)外邊緣板徑向距離為200 mm，則密封裝置的環(huán)形空間寬度為75～325 mm時(shí)具有良好的效果。

EEMUA PUB 159—2014 《Above Ground Flat Bottomed Storage Tanks：A Guide to Inspection， Maintenance and Repair》［18］中提出，邊緣密封應(yīng)在向內(nèi)位移x和向外位移3x范圍內(nèi)具有良好的密封效果，其中x為環(huán)形空間徑向?qū)挾鹊脑O(shè)計(jì)平均值與浮盤(pán)邊緣至罐壁最小距離之差 （密封裝置可壓縮寬度），即密封裝置的補(bǔ)償范圍為（-x，3x）。 例如，密封裝置可壓縮寬度為 100 mm，油罐內(nèi)壁與浮盤(pán)外邊緣板徑向距離為200 mm，則密封裝置在環(huán)形空間寬度為100～500 mm具有良好的效果。

3.2 密封裝置補(bǔ)償范圍分析

3.2.1 不考慮罐壁變形

浮頂油罐環(huán)形空間示意圖見(jiàn)圖2。設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)徑為Di，浮盤(pán)直徑為Dr，密封裝置在最大壓縮狀態(tài)下保持良好密封效果的補(bǔ)償值為-x（徑向可壓緊寬度），則罐壁至浮盤(pán)外邊緣板的徑向距離為Rn=（Di-Dr）/2-x。當(dāng)浮盤(pán)漂移時(shí)，原密封裝置最大壓縮狀態(tài)點(diǎn)成為最小壓縮的極限狀態(tài)，最小壓縮點(diǎn)處罐壁至浮盤(pán)外邊緣板的徑向距離為Di-Dr-Rn=（Di-Dr）/2+x，即密封裝置在最小壓縮狀態(tài)下保持良好密封效果的補(bǔ)償值為+x。由此可見(jiàn)，不考慮油罐罐壁變形時(shí)，密封裝置補(bǔ)償范圍（-x，+x）可滿(mǎn)足油罐密封要求。

圖2 浮頂油罐環(huán)形空間示圖

GB 50341—2014中規(guī)定密封裝置的補(bǔ)償范圍為±100 mm（即x=100 mm），考慮了密封裝置相對(duì)于理想安裝狀態(tài)，其可壓縮寬度為100 mm；EN 14015—2004中規(guī)定密封裝置的補(bǔ)償范圍為±125 mm（即x=125 mm），考慮了密封裝置相對(duì)于理想安裝狀態(tài)，其可壓縮寬度為125 mm。

3.2.2 考慮罐壁變形

在實(shí)際工程中，由于油罐基礎(chǔ)沉降和施工原因可能導(dǎo)致罐壁橢圓化或局部大變形，油罐罐壁變形示意圖見(jiàn)圖3。設(shè)油罐罐壁變形后最大直徑為 Di+Δ1，最小直徑為 Di-Δ2，密封裝置安裝后罐壁與浮盤(pán)最小徑向距離Rn保持不變。此時(shí)，罐壁至浮頂?shù)淖畲髲较蚓嚯x為 Di+Δ1-Rn，將Rn=(Di-Dr)/2-x代入計(jì)算，得到罐壁至浮頂?shù)淖畲髲较蚓嚯x為(Di-Dr)/2+x+Δ1。如果此時(shí)密封裝置補(bǔ)償范圍為(-x，+x)，即有效密封的環(huán)向空間寬度范圍為((Di-Dr)/2-x,(Di-Dr)/2+x)，則罐壁與浮頂之間最大距離超出密封裝置的有效密封范圍，該儲(chǔ)罐不能得到有效密封，存在密封處油面裸露、油氣濃度超標(biāo)的可能。

圖3 油罐變形后環(huán)形空間示意圖

考慮油罐變形時(shí)，GB 50341—2014和 EN 14015—2004中要求的密封裝置補(bǔ)償范圍不能滿(mǎn)足密封需求，確定合理的密封裝置補(bǔ)償范圍，是解決該情況下密封失效的措施之一。下面對(duì)油罐變形橢圓化后，密封裝置的有效補(bǔ)償范圍計(jì)算進(jìn)行分析。

設(shè)罐壁變形后最大直徑為Di+Δ1，罐壁變形后最小直徑為Di-Δ2，那么密封裝置要保持有效密封需要的最小補(bǔ)償量為Δ2/2，即最大壓縮狀態(tài)下的相對(duì)可壓縮寬度x最小應(yīng)為Δ2/2。此時(shí)，密封裝置安裝后罐壁與浮盤(pán)的最小徑向距離為Rn=(Di-Dr)/2-Δ2/2。可以看出，保持有效密封時(shí)罐壁與浮盤(pán)之間的徑向距離與密封裝置性能、儲(chǔ)罐公稱(chēng)直徑、浮盤(pán)直徑以及儲(chǔ)罐變形度均有關(guān)系。此時(shí)，浮頂油罐罐壁與浮盤(pán)的最大徑向距離為Di+Δ1-Dr-Rn， 將 Rn=(Di-Dr)/2-Δ2/2 代入計(jì)算，整理后得到罐壁與浮盤(pán)的最大徑向距離為Rn＇=(Di-Dr)/2+Δ1+Δ2/2。基于上述分析，密封裝置在罐壁變形模型條件下保持良好密封的有效補(bǔ)償范圍為(-Δ2/2，Δ1+Δ2/2)。

同理，當(dāng)儲(chǔ)罐罐壁直徑增大和減小等值時(shí)，即變形量Δ1=Δ2=Δ時(shí)，密封裝置保持良好密封的有效補(bǔ)償范圍(-Δ2/2，Δ1+Δ2/2)=(-Δ/2，3Δ/2)。 通過(guò)以上分析可知x≥Δ/2，當(dāng)取浮盤(pán)中心位置偏差x=Δ/2時(shí)，密封裝置保持良好密封的有效補(bǔ)償范圍為（-x，+3x），這與 EEMUA PUB 159—2014 中規(guī)定的密封裝置有效補(bǔ)償范圍相吻合。

3.3 密封裝置補(bǔ)償范圍對(duì)比分析

設(shè)罐壁變形后油罐直徑最大處增大量為Δ1，直徑最小處減小量為Δ2，按照本文3.2部分提出的方法計(jì)算密封裝置有效補(bǔ)償范圍，并將計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的范圍進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 密封裝置有效補(bǔ)償范圍值對(duì)比 mm

表2中，范圍1～范圍3依次代表GB 50341—2014、EN 14015—2004、EEMUA PUB 159—2014規(guī)定的密封裝置有效補(bǔ)償范圍，范圍4代表按照本文3.2部分提出的方法計(jì)算得到的密封裝置有效補(bǔ)償范圍。從表2可以看出，在油罐出現(xiàn)較大變形時(shí)，GB 50341—2014和 EN 14015—2004中密封裝置補(bǔ)償范圍要求不能滿(mǎn)足儲(chǔ)罐變形后補(bǔ)償需要，可能會(huì)出現(xiàn)油面暴露而導(dǎo)致一、二次密封之間油氣濃度超標(biāo)。EEMUA PUB 159—2014規(guī)定的密封裝置有效補(bǔ)償范圍適用于油罐變形后直徑增大和減小變形量相同的情況。本文3.2部分提出的密封裝置補(bǔ)償范圍計(jì)算分別考慮了油罐變形時(shí)直徑增大和減小的影響，確定的密封裝置有效補(bǔ)償范圍更為合理，適用于油罐產(chǎn)生復(fù)雜變形條件下的密封裝置設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)浮頂油罐一、二次密封間可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行分析，認(rèn)為浮頂油罐一、二次密封之間油氣可能來(lái)源于一次密封處油面裸露或一、二次密封之間罐壁上黏附油膜的蒸發(fā)，儲(chǔ)罐及基礎(chǔ)施工、設(shè)計(jì)、儲(chǔ)罐運(yùn)行管理、產(chǎn)品質(zhì)量等均可能導(dǎo)致浮頂油罐一、二次密封之間油氣濃度超標(biāo)，提出可采用新型密封裝置、加強(qiáng)一、二次密封之間油氣監(jiān)測(cè)、采用注氮主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)、氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)、空氣稀釋、添加抑制劑等方法和措施，保證油罐安全運(yùn)行，提出了基于油罐變形分析的密封裝置有效補(bǔ)償范圍的確定方法，可為浮頂油罐密封裝置的合理配置提供參考。