火車裝車鶴管VOCs 治理改造

于海濤

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163411）

1 大鶴管硬管延伸機構改造治理

鐵路裝車大鶴管系統(tǒng)為WD-200B 型液下密閉裝車大鶴管，鶴管結構如圖1 所示。鶴管中段由一根金屬軟管連接，金屬軟管（規(guī)格DN200）長3200 mm、兩端法蘭連接，金屬軟管結構形式可以彌補鶴管對位槽車口左右行產(chǎn)生的位移串動量（圖2）。鐵路槽車大鶴管裝車設備在裝車結束后需進行空油操作，即將裝油鶴管提升至罐車口附近，利用管線內(nèi)殘油自流卸入罐內(nèi)，金屬軟管結構特點造成內(nèi)部必然會形成凹陷，整體水平度無法保證統(tǒng)一、出現(xiàn)波峰波谷，這會導致油品殘存在金屬軟管內(nèi)部，受環(huán)境溫度變化、過往火車振動等影響，油品逐漸從軟管內(nèi)流出、滴落至地面。

圖1 鶴管立體結構

圖2 現(xiàn)場實際裝配

經(jīng)過分析確定鶴管滴油的原因，制定下一步整改措施，替代金屬軟管結構形式。通過橫向比較，同行業(yè)鐵路裝車大鶴管均為金屬軟管連接結構形式，最終在實際生產(chǎn)過程中受鐵路裝車懸臂式小鶴管結構啟發(fā)，鶴管為硬管連接結構形式，通過兩個轉動結完成垂直管與槽車口的水平對位，猜想可否通過轉動結實現(xiàn)大鶴管垂直管的水平對位。通過建立模型，在桌面上驗證是否可以實現(xiàn)鶴管固定軌道上的水平位移對位（圖3）。經(jīng)過多次實驗和測繪對比，確定改造后的連接結構形式為“轉動結三聯(lián)組件”，由3 個90°轉動結與直管段組成硬管延伸結構，代替現(xiàn)有的金屬軟管（圖4）。

圖3 硬管延伸機構

圖4 改造后硬管延伸機構安裝現(xiàn)場

改造后鶴管裝車控油效率、質(zhì)量均得到提升，硬管連接段無存油直接表征為垂直管末端分油頭處無油品滴落，控油時間由改造前60 s 縮短至20 s，整列裝車作業(yè)時間縮短30 min，在解決滴油環(huán)境污染問題同時明顯提升裝車作業(yè)時效。

2 鶴管密封帽改造治理

2.1 密封帽改造技術背景

目前鐵路槽車密閉裝車鶴管結構形式以板式密封帽為主，外加氣缸動力壓緊密封帽，氣缸可直接作用在密封帽頂端提供軸向壓緊力，也可以作用在拉緊機構，由拉緊機構供給密封帽軸向應力，最終使密封帽與槽車空緊密貼合，達到密閉裝車安全環(huán)保要求。

大慶煉化公司鐵路裝車棧橋鶴管密封結構均為板式密封帽，壓緊動力結構有3 種形式，分別為依靠密封帽自重提供軸向壓緊力、氣缸直接作用在密封帽頂端提供軸向應力、氣缸聯(lián)動三爪卡鉤借力槽車內(nèi)壁提供軸向拉緊力。其中，三爪卡鉤形式的密閉裝車鶴管日常使用中故障率極高，密封系統(tǒng)大量損壞造成敞口裝車作業(yè)，最終導致棧橋被迫停用。

三爪卡鉤式鶴管主要是利用裝車垂直管下落進入槽車，帶動槽車口密封裝置隨之下落，板式密封帽坐落在槽車口后氣缸作用三爪卡鉤展開，爪端與槽車內(nèi)罐壁緊密作用，三爪卡鉤受反作用向下的軸向應力，板式密封帽聯(lián)動被壓縮，達到密封裝車條件?？紤]到這種密封裝置探入槽車口起到導向作用的鋁制圓筒直徑與槽車口的直徑相當、傳動裝置渦輪蝸桿的活動余量相對較小、冬季潤滑油脂凝固會發(fā)生傳動裝置急停急動、以風源為驅(qū)動力的驅(qū)動系統(tǒng)動力源不穩(wěn)定等客觀因素，導致鋁制密封帽對位槽車口的過程中與槽車口頻發(fā)剛性碰撞，導致密封帽支撐架、環(huán)形緩沖圈、三爪卡鉤大量損壞，裝車系統(tǒng)無法實現(xiàn)密閉作業(yè)工況要求。

針對以上實際問題，將密封裝置改造為一種找正裝置小，利用風源注入氣囊膨脹，在槽車口直管段進行密封的系統(tǒng)。減少使用三爪卡鉤等傳動系統(tǒng)，簡化操作程序，以內(nèi)密封的方式增強密封系統(tǒng)靈動性與嚴密性，達到防止油料飛濺和形成爆炸性可燃氣體的目的。

2.2 密封帽失效原因分析

2.2.1 人為因素

密封帽由裝車操作人員手動控制液壓動作按鈕，對位下放至槽車罐口，操作人員的技能熟練程度及個人素質(zhì)直接影響密封帽對位槽車口的對中情況，每名裝車人員多年實踐工作后養(yǎng)成自己的一套操作手法，如下放鶴管操作習慣偏左或偏右、是否采用兩次對位操作等，這些人為因素會造成密封帽與槽車口對中度存在偏差、縫隙。

2.2.2 設備因素

汽油裝車鶴管的密封帽使用過程中與槽車口頻繁碰撞，行程機械損傷，在揮發(fā)油氣腐蝕及室外環(huán)境共同作用下，密封帽下端面必然出現(xiàn)不同程度老化、破損，這種情況下密封帽即使與槽車口對中度較好，密封面也無法完全封。另外，在長期使用過程中火車槽車口的罐口上端面會出現(xiàn)不平整現(xiàn)象，這也會導致二者貼合面產(chǎn)生縫隙。

2.2.3 環(huán)境因素

東北地區(qū)冬季室外環(huán)境變惡劣，低溫環(huán)境造成設備傳動部件遲緩，設備密封面頻發(fā)失效漏油，各類室外閥門閥芯卡澀、開關不暢，夜間降雪天氣下操作人員視線受影響，無法準確判斷操作位置，惡劣的作業(yè)環(huán)境造成設備操作精度下降，密封帽對位不良產(chǎn)生縫隙。

2.2.4 客觀因素

火車裝車大鶴管在裝車作業(yè)過程中為連續(xù)作業(yè)模式，即罐區(qū)裝車泵在不暫停的條件下裝車作業(yè)要連續(xù)進行，雙側大鶴管交替進油裝車，保證在爬車牽引下一節(jié)槽車對位時間段內(nèi)，另一側大鶴管必須處于進油裝車狀態(tài)，否則罐區(qū)裝車泵會出現(xiàn)憋泵，電機終端保護器過載跳閘。所以大鶴管操作人員受罐區(qū)裝車泵連續(xù)運轉限制，鶴管對位操作不允許耗時過長，操作人員想通過多次調(diào)整鶴管左右行位置，從而提高密封帽與槽車口對中度，在實際裝車作業(yè)過程中客觀因素不允許。

2.3 密封帽失效危害

2.3.1 污染環(huán)境

裝車油氣從密封帽與槽車口縫隙揮發(fā)至環(huán)境空氣中，對周邊大氣造成一定污染，這種裝車狀況無法實現(xiàn)密閉裝車作業(yè)，造成配套油氣回收裝置無法對油氣較好地進行回收、環(huán)保處理，不滿足GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》。

2.3.2 危害裝置安全

密封帽與罐口存在的縫隙增加油品霧化及蒸發(fā)，夏季高溫環(huán)境下增大靜電閃爆風險。與此同時環(huán)境中空氣可從縫隙隨油氣進入油氣回收裝置，對工藝處理造成一定影響，存在較大的安全隱患。

2.3.3 損害員工健康

在整個裝車過程中從密封帽與槽車口泄漏油的氣融入空氣，油氣在生產(chǎn)環(huán)境中以蒸氣的形式經(jīng)呼吸道吸入人體，通過血液循環(huán)到人的大腦，對神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用，長期可能會引起慢性中毒。現(xiàn)場裝車員工也會出現(xiàn)頭發(fā)變白、皮膚糙裂、血壓忽高忽低等身體亞健康狀況。

2.4 密封帽改造方案

2.4.1 第一代氣囊密封帽改造

分析后認為現(xiàn)有密封帽的結構形式是失效的根本原因，為此研發(fā)了圖5 所示的新式氣囊式密封帽，利用結構優(yōu)勢彌補人為操作因素，從根本上解決問題。該密封系統(tǒng)與輸油鶴管采用法蘭連接的方式固定，主要由4 個部分組成：①密封帽的主體支撐架，主要作用為安裝氣囊及錐型保護膠墩；②環(huán)形耐油氣囊，氣囊充壓后徑向膨脹與槽車口精密貼合，為密封系統(tǒng)的核心部件；③密封裝置最底端的圓錐形膠墩，在密封裝置下落過程中具有導向、緩沖作用，可以有效保護氣囊受損、延長設備使用壽命；④為氣囊提供氣源的配套系統(tǒng)，由減壓閥、放空閥、金屬軟管、壓力表等部件組成。

圖5 氣囊式密封帽

現(xiàn)場試用氣囊密封帽，現(xiàn)場環(huán)境油氣揮發(fā)量顯著降低，但使用儀器檢測依然存在微量滲漏情況，并且鶴管對位下放操作造成一定的不便（圖6）。

圖6 氣囊密封性實驗

2.4.2 第二代氣囊密封帽改造

通過在罐口的內(nèi)壁與法蘭固定體之間設置氣囊，既可以實現(xiàn)輸油垂直管與罐口的良好密封，同時在法蘭固定體的下端設置防碰體，有效保護氣囊不受損壞。氣囊密封蓋具有結構簡單、改造方便，密封效果好，對位操作方便、油氣泄漏率極低的特點（圖7）。

圖7 氣囊密封蓋結構

氣囊放氣后為V 弧形狀方便下放及上提鶴管，充氣后為鼓圓形狀、形成極佳的密封副（圖8）。優(yōu)點是膨脹系數(shù)大，單邊膨脹50 mm，能滿足各種車型使用。上有平面鋁板，能消除對位撞擊產(chǎn)生火花。有錐形防碰、導向機構，對位時，當錐形鋁導向進入車內(nèi)，氣囊充氣后鶴管自動對中，同時如鶴管對偏位，還可保護氣囊不被撞壞。氣囊有耐油、耐苯、耐老化、使用壽命長、防靜電功能。蓋板上安裝壓緊密封裝置，雙層密封結構更好的防治油氣溢出。

圖8 氣囊的排氣狀態(tài)和氣囊充氣狀態(tài)

2.5 密封帽改造效果

新型密封帽結構核心原理為囊式充氣膨脹密封技術，氣囊與特制保持架裝配組對下放至槽車罐車口位置。利用氮氣對收縮狀態(tài)氣囊進行沖壓，氣囊膨脹與罐車口內(nèi)壁緊密貼合，實現(xiàn)密閉裝車作業(yè)。人為操作鶴管下放時，密封帽與罐車口對中度的允許偏差量放寬，氣囊膨脹后依靠其膨脹系數(shù)可以自動補償對中偏差量，設備密閉性能可靠、操作便捷。密封氣囊充壓自動補償間隙功能可以快速、有效地達到密閉裝車條件，操作簡單無需反復對位。

現(xiàn)場罐車充裝時，設備監(jiān)測中心監(jiān)測人員使用手持氫火焰離子化檢測儀在罐口0 cm 處檢測，VOCs（Volatile Organic Compounds，揮發(fā)性有機物）排放值均≤2000 μmol/mol。監(jiān)測結果符合《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》中5.3.4 規(guī)定的泄漏確認條件，“泄漏的認定出現(xiàn)以下情況，則認定發(fā)生了泄漏：a）有機氣體和揮發(fā)性有機液體流經(jīng)的設備與管線組件，采用氫火焰離子化檢測儀（以甲烷或丙烷為校正氣體），泄漏檢測值大于等于2000 μmol/mol?！钡囊蟆＝?jīng)過實踐證明，本套密封帽設備能夠滿足現(xiàn)階段石油煉化行業(yè)內(nèi)VOCs 環(huán)境治理相關規(guī)范要求。