馬文婷

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）)

0 引言

我國(guó)大型原油儲(chǔ)罐基本采取地上立式儲(chǔ)罐形式，且大都采用外浮頂結(jié)構(gòu)。浮頂是一種覆蓋在油面上，由鋼材制成的并隨油面升降的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)物，又稱(chēng)浮盤(pán)。浮盤(pán)與罐壁之間有一個(gè)環(huán)形縫隙，可方便浮頂?shù)纳?。浮頂與罐壁之間的環(huán)形空隙需要采取合理有效的密封方式，從而確保儲(chǔ)罐的正常運(yùn)行，最大程度地降低原油損耗，為罐區(qū)的生產(chǎn)安全提供有效保障。然而，目前浮頂儲(chǔ)罐密封結(jié)構(gòu)的研究工作主要集中在國(guó)外，國(guó)內(nèi)先進(jìn)浮頂密封裝置的研究和應(yīng)用不多，對(duì)于密封效果要求較高的情況均需要引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和設(shè)備。因此，整合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)研究資料，采用合理研究方法和手段，自主創(chuàng)新地提出自己觀點(diǎn)，顯得尤為重要。

1 浮頂密封形式

浮頂儲(chǔ)罐的密封可分為一次密封和二次密封。一次密封和二次密封可以組成雙重密封。一次密封的形式主要有機(jī)械密封和彈性填充密封，也可以是充液式一次密封或充氣式一次密封。

機(jī)械密封依靠壓緊裝置提供的機(jī)械力使密封鋼板緊貼罐壁隨浮頂升降上下滑動(dòng)。同時(shí)，在板與罐壁接觸部位和板與浮頂外緣環(huán)板之間裝有涂耐油橡膠的纖維織物，盡量使浮頂外緣環(huán)板與密封板之間的環(huán)形氣相空間與大氣隔絕[1]。

彈性填充式密封是使帶有涂層的彈性纖維密封帶或彈性塑料泡沫與罐壁滑動(dòng)接觸。密封帶安裝在浮頂?shù)倪吘墸?既可與液體接觸，也可在密封件與液面之間保持一定的邊緣氣相空間[2]。

管式充液密封是在一整條密閉橡膠管中填充液體的密封，安裝在浮盤(pán)外邊緣與耐磨帶之間。當(dāng)浮盤(pán)產(chǎn)生橫向漂移或升降至儲(chǔ)罐罐壁變形位置時(shí)，充液管內(nèi)的液體受到擠壓，會(huì)自由流動(dòng)到浮盤(pán)與罐壁間距較大的地方，從而使充液管形狀發(fā)生改變。這種自由的補(bǔ)償流動(dòng)使密封和罐壁總保持良好的接觸。這種密封與傳統(tǒng)的泡沫密封相比可減少95%～98%的油氣損失。耐磨帶是由補(bǔ)強(qiáng)的尼龍布和涂在其表面的耐磨合成橡膠構(gòu)成，起到保護(hù)充液密封管，減少與罐壁的摩擦，增強(qiáng)密封效果的作用[3]。

從安全、節(jié)能角度考慮，美國(guó)環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)在上世紀(jì)80年代就對(duì)浮頂儲(chǔ)罐的油氣揮發(fā)做了嚴(yán)格規(guī)定，要求浮頂儲(chǔ)罐都采用 “雙重密封”，即在原有密封基礎(chǔ)上增加一個(gè) “二次密封”。采用雙重密封后可減少50%～98%的油氣損耗[4]。浮頂儲(chǔ)罐二次密封是在一次密封上部增加的一套裝置，主要由油氣隔膜、支撐板、刮板、靜電導(dǎo)桿及緊固聯(lián)接件等組成。油氣隔膜具有良好的防止油氣滲透的作用，它環(huán)繞在浮盤(pán)與罐壁的環(huán)形空間，阻隔從一次密封滲漏的油氣，并有效防止油氣蒸發(fā)。刮板被支撐板緊緊壓向罐壁，可防止油氣泄漏和雨水滲入。支撐板具有承壓保護(hù)作用，可防止外力劃傷和陽(yáng)光照射引起的老化[3]。二次密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二次密封結(jié)構(gòu)

2 浮頂密封失效形式及泄漏類(lèi)型

在浮頂施工和運(yùn)行過(guò)程中，由于操作不當(dāng)或維護(hù)不善會(huì)導(dǎo)致密封系統(tǒng)失效[1]。在浮頂施工過(guò)程中，罐壁的圓度、垂直度及局部凹凸度的偏差難免會(huì)造成機(jī)械密封性能降低；在作業(yè)過(guò)程中，溫度的變化、油品的收發(fā)和儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的沉降、介質(zhì)對(duì)罐壁的腐蝕等，都會(huì)造成罐壁和浮頂幾何變形，從而導(dǎo)致密封不嚴(yán)；密封橡膠受陽(yáng)光照射、風(fēng)蝕和老化開(kāi)裂，刮蠟機(jī)構(gòu)引起的變形造成密封膜失效，都會(huì)影響密封效果；在罐內(nèi)由于風(fēng)力、介質(zhì)進(jìn)出等因素的作用，浮盤(pán)也會(huì)發(fā)生 “漂移”，從而對(duì)浮頂機(jī)械密封裝置造成很大影響。

防止浮頂密封系統(tǒng)泄漏的關(guān)鍵是保持儲(chǔ)液上方氣相空間油氣濃度、溫度和壓力的恒定。通常情況下浮頂密封的泄漏類(lèi)型主要有兩類(lèi)[5]： （1）浮頂密封靜止蒸發(fā)損耗。靜止儲(chǔ)存的油品由于溫度變化，由原來(lái)的油氣平衡狀態(tài)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，蒸發(fā)的油氣通過(guò)密封件與浮頂及罐壁間的間隙逸出，尤其當(dāng)密封不嚴(yán)時(shí)，這種油氣的損耗會(huì)更大。 （2）儲(chǔ)罐的收發(fā)油損耗。當(dāng)儲(chǔ)罐進(jìn)行收油、發(fā)油等作業(yè)時(shí)，油面與浮頂間的氣相空間容積發(fā)生變化，原相平衡被破壞，導(dǎo)致氣化量的突然增加，使油氣空間達(dá)到新的相平衡。超出氣相空間容積的油氣會(huì)逸出罐外，且浮頂升降過(guò)程中暴露在大氣中的罐壁上的油品會(huì)不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致油氣損耗。

3 浮頂密封的設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

1994年隨著技術(shù)的引進(jìn)，浮頂儲(chǔ)罐的“雙重密封”技術(shù)開(kāi)始在我國(guó)使用。外浮頂油罐的常見(jiàn)密封形式主要有機(jī)械密封、泡沫密封和管式密封三種。

機(jī)械密封因其良好的密封性能、獨(dú)特的防火性能、較長(zhǎng)的使用壽命和較低的維護(hù)成本等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。管式密封可以自動(dòng)補(bǔ)償流動(dòng)，使密封與罐壁始終保持良好接觸，密封與油品間無(wú)油氣空間，因而可有效地防止油氣蒸發(fā)。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況看，機(jī)械密封容易出現(xiàn)密封不嚴(yán)的情況。密封靴板與罐壁的間隙大，軟密封橡膠包袋內(nèi)的填充物彈性降低，會(huì)導(dǎo)致軟密封與罐壁間產(chǎn)生縫隙，有的縫隙寬達(dá)10 cm以上。

在同樣條件下，二次密封的密封效果越好，一、二次密封之間油氣濃度就越高，油氣燃燒爆炸的危險(xiǎn)性也就越大。未設(shè)置二次密封或二次密封失效的浮盤(pán)密封圈內(nèi)油氣濃度較低。顯然，二次密封與罐壁的緊密貼合在一定程度上阻礙了密封圈內(nèi)油氣擴(kuò)散至大氣，但同時(shí)也使密封圈內(nèi)油氣濃度達(dá)到較高程度。過(guò)多的油氣擴(kuò)散至大氣，將嚴(yán)重污染環(huán)境。

為了更好地解決與罐壁的貼合、浮盤(pán)漂移等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和工程技術(shù)人員都對(duì)密封圈進(jìn)行了獨(dú)特的改造。

滾輪骨架密封[5]是將浮頂與罐壁之間的整體圓環(huán)分解成若干個(gè)圓弧線(xiàn)段密封骨架，可用轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸將骨架連接起來(lái)，組成一個(gè)與儲(chǔ)罐幾何形狀相同的密封圈，結(jié)構(gòu)如圖2所示。轉(zhuǎn)軸安裝在支承架上，支承架的一端固定在浮頂?shù)倪吘壈迳?，另一端與罐壁接觸，與罐壁接觸的一端裝有可以轉(zhuǎn)動(dòng)的滾輪。當(dāng)浮頂在罐內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)，密封圈依靠滾輪在罐壁上行走，密封圈上的密封骨架與罐壁的間距保持不變。安裝在密封骨架上的彈性密封條始終緊密地壓靠在罐壁上，達(dá)到密封的目的。固定在浮頂邊緣板上的一端裝有兩個(gè)彈簧，一個(gè)彈簧將滾輪頂向罐壁，另一個(gè)彈簧在浮頂發(fā)生漂移時(shí)將產(chǎn)生很強(qiáng)的反彈力使浮頂在罐內(nèi)始終保持在中心位置。滾輪骨架與浮頂之間的環(huán)形空間采用尼龍橡膠布密封。

圖2 滾輪骨架密封

滾輪骨架密封依靠端部的滾輪在罐壁上行走，與其它形式的密封相比，在罐壁上因摩擦移動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力要小得多，浮頂升、降的靈活性大，并且不易發(fā)生浮頂在升、降過(guò)程中的卡死現(xiàn)象。

應(yīng)用與滾輪骨架密封相似的原理，某公司開(kāi)發(fā)的新型浮盤(pán)密封圈在一定程度上解決了密封圈與罐壁貼合不嚴(yán)以及密封圈內(nèi)部可燃油氣濃度過(guò)高的問(wèn)題。一、二次密封連接在一起，可有效地避免密封之間的油膜揮發(fā)。二次密封略高于浮艙邊緣的設(shè)計(jì)縮小了一、二次密封之間的油氣空間，即使一、二次密封之間存在油氣，其體積也是非常有限的。

盡管該新型密封圈在一定程度上提高了浮盤(pán)密封圈的安全和環(huán)保性能，但是仍然不能完全消除密封圈內(nèi)的油氣空間，而該密封圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬構(gòu)件較多，這對(duì)浮盤(pán)密封裝置的防雷設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，國(guó)內(nèi)較常采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的填充式密封結(jié)構(gòu)。

4 密封對(duì)原油儲(chǔ)存安全的重要性

在儲(chǔ)罐運(yùn)行過(guò)程中，既要求密封裝置能與罐體緊密接觸，又要求對(duì)浮頂?shù)纳禑o(wú)影響。提高浮頂密封裝置的可靠性和嚴(yán)密性，對(duì)減少原油蒸發(fā)、確保儲(chǔ)罐安全操作具有重要的意義。

（1）提高浮頂密封裝置的可靠性。在安裝密封裝置時(shí)，要充分考慮儲(chǔ)罐在施工和運(yùn)行過(guò)程中遇到的各種情況，盡量使密封裝置能夠穩(wěn)定工作。如密封圈內(nèi)的軟填充物質(zhì)如果沒(méi)有填充均勻，會(huì)引起浮盤(pán)在升降過(guò)程中受力不均，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起浮盤(pán)扭曲變形或傾斜，甚至引發(fā)沉盤(pán)事故。再如儲(chǔ)罐在施工中有可能出現(xiàn)儲(chǔ)罐局部凹凸度超標(biāo)，會(huì)使得浮盤(pán)在升降過(guò)程中受力不均，局部受擠壓，密封裝置能否適應(yīng)并有效緩解這種局部受壓的現(xiàn)象，對(duì)浮盤(pán)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

（2）增強(qiáng)密封裝置的嚴(yán)密性。原油揮發(fā)的過(guò)程是氣液相趨向相平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于原油的揮發(fā)性較強(qiáng)，即使在常溫下，原油只要存在氣液相界面，原油揮發(fā)就持續(xù)進(jìn)行。原油的爆炸下限較低（油氣爆炸極限范圍是1.1%～6.4%），油氣濃度容易處于爆炸范圍內(nèi)。保持密封裝置的嚴(yán)密性，可以最大程度地維持罐內(nèi)油氣的相平衡，減少油氣的蒸發(fā)損耗。

[1]郎需慶，宮宏，劉全楨，等.浮頂儲(chǔ)油罐密封泄漏機(jī)理與泄漏控制 [J].安全、健康和環(huán)境，2007，7（10）：17-19.

[2]孫新宇，李曉明，彭仁海，等.儲(chǔ)罐安全運(yùn)行與管理[M].北京:中國(guó)石化出版社， 2004.

[3]王福眾，曲江，范傳寶，等.充液式雙重密封在浮頂罐中的應(yīng)用 [J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004，23（2）：56-60.

[4]陳建平.浮頂儲(chǔ)罐的一種新型密封裝置 [J].油氣儲(chǔ)運(yùn),1998， 17 （9）： 21-23.

[5]張曉東，陳建平.浮頂儲(chǔ)罐的密封及密封裝置 [J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2001，22(2)：11-14.