沈 洪 任建紅

1.中國石油冀東油田公司， 河北 唐山 063200;2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083

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外浮頂油罐密封系統(tǒng)隱患治理

沈 洪1任建紅2

1.中國石油冀東油田公司， 河北 唐山 063200;2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083

外浮頂油罐密封系統(tǒng)普遍采用一次密封(常用彈性密封)加二次密封的結(jié)構(gòu)形式，在一、二次密封之間存在可燃?xì)怏w，雷擊時(shí)極有可能發(fā)生火災(zāi)爆炸。為了防治外浮頂油罐在雷擊或雷電感應(yīng)情況下罐頂起火事故的發(fā)生，通過改造現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)形式，取消導(dǎo)靜電片并增加等電位連接線、利用惰性氣體囊填充密封間氣體空間或替換一次密封來達(dá)到目的。優(yōu)化外浮頂油罐密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式對(duì)外浮頂油罐密封系統(tǒng)隱患治理意義重大。

外浮頂罐；彈性密封；惰性氣體囊

0 前言

外浮頂油罐密封系統(tǒng)常見的一次密封主要有機(jī)械式密封、彈性密封和管式密封三種[1]。目前普遍使用的是一次密封(常用彈性密封)加二次密封的結(jié)構(gòu)形式。單獨(dú)使用一次密封在國內(nèi)外已很少，現(xiàn)國內(nèi)正將老罐上原有的擋雨板改為二次密封[2]。由于近年，外浮頂油罐在雷擊或雷電感應(yīng)情況下罐頂起火事故頻有發(fā)生，通過改造現(xiàn)有密封形式預(yù)防事故隱患十分必要。

1 一、二次密封的結(jié)構(gòu)形式

1.1 一次密封的結(jié)構(gòu)形式

一次密封以目前常用的彈性密封為例，主要以彈性聚氨脂泡沫塊、夾尼龍布的橡膠帶、壓板、定位板、緊固件等構(gòu)成[3]，見圖1。一次密封是固定在浮盤邊緣上端，依靠橡膠帶包裹的彈性泡沫塊的回彈力，來補(bǔ)償罐壁與浮盤的微量變化(±100 mm)，保證儲(chǔ)罐有效密封，投資經(jīng)濟(jì)、使用簡便。

圖1 一、二次密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 二次密封的結(jié)構(gòu)形式

二次密封是取代浮盤傳統(tǒng)的擋雨板，與一次密封構(gòu)成雙重密封減少油氣損失。它與一次密封共用浮盤邊緣板上的固定螺孔，采用公用螺栓安裝固定。

二次密封主要由彈性承壓板、Z型連接板、L形壓板、防蒸發(fā)隔膜以及橡膠刮板組成。二次密封是沿罐壁用螺栓固定在浮盤邊緣板上的彈性壓板通過連接螺栓和Z型連接板將密封刮板緊貼在罐壁上，能有效防止油氣泄漏，阻擋雨水、風(fēng)沙向罐內(nèi)滲入，又能隨浮盤升降運(yùn)行自如；防蒸發(fā)隔膜具有良好的防油氣蒸發(fā)滲透的特點(diǎn)，整條環(huán)繞在浮盤與罐壁的環(huán)形空間上，外部受彈性壓板保護(hù)，能有效地將一次密封泄漏的可燃?xì)怏w與大氣隔離。

2 外浮頂油罐安全隱患和原因分析

2.1 安全隱患

1995年，中國石化集團(tuán)茂名石油化工公司北山儲(chǔ)油罐區(qū)的一外浮頂油罐遭受雷擊罐頂著火，起火點(diǎn)為罐壁與浮盤之間的一、二次密封處?？梢娫谝弧⒍蚊芊庵g存在可燃?xì)怏w，具有一定的火災(zāi)隱患。

2006年，江蘇省揚(yáng)州市儀征等地突降雷暴雨，中國石化儲(chǔ)運(yùn)公司南京輸油處儀征輸油站1座15×104m3原油儲(chǔ)罐罐頂起火[4]，起火點(diǎn)多達(dá)5處。由于5處起火點(diǎn)是間斷的，通過分析可知，雷擊瞬間罐頂產(chǎn)生放電的點(diǎn)位不止一處，說明罐頂防雷、防靜電設(shè)計(jì)存在不足。

2007年，浙江寧波鎮(zhèn)海國家儲(chǔ)備庫47號(hào)10×104m3儲(chǔ)油罐罐頂部遭到雷擊[4]，導(dǎo)致儲(chǔ)油罐一、二次密封與罐壁之間產(chǎn)生放電，引爆了一、二次密封空間內(nèi)的油氣，導(dǎo)致密封系統(tǒng)破壞引燃了原油；同年該原油儲(chǔ)罐再次遭受雷擊并起火，這兩次事故反映出油罐設(shè)施在一、二次密封及防雷防靜電的設(shè)計(jì)上存在重大雷擊危險(xiǎn)隱患。

2.2 原因分析

通過一、二次密封的結(jié)構(gòu)可以看出在一、二次密封之間存在一個(gè)氣體空間，見圖1。由于二次密封的作用，會(huì)使由于油罐液位動(dòng)作導(dǎo)致通過一次密封正常揮發(fā)或破損變形而揮發(fā)出來的可燃?xì)怏w在一、二次密封之間聚集，導(dǎo)致氣體濃度達(dá)到爆炸極限或可燃[5]。表1為某站部分儲(chǔ)油罐利用可燃?xì)怏w檢測(cè)儀分四個(gè)方向?qū)σ?、二次密封之間的可燃?xì)怏w檢測(cè)結(jié)果。

表1 某站部分儲(chǔ)油罐一、二次密封之間的可燃?xì)怏w檢測(cè)結(jié)果

拆除表1中各罐二次密封，對(duì)一次密封進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，由于個(gè)別儲(chǔ)罐罐壁局部產(chǎn)生了一定的變形，導(dǎo)致一次密封在隨浮頂上下移動(dòng)的過程中，與罐壁一側(cè)產(chǎn)生擠壓，另一側(cè)則與罐壁分離。一次密封彈性泡沫塊受擠壓后局部產(chǎn)生自身形變，不會(huì)向左右兩側(cè)傳遞壓力，另一端在一次密封完全膨脹的情況下，與罐壁分離間隙高達(dá)50 mm，可清晰地看見油面。這種情況增加了油氣揮發(fā)量，對(duì)儲(chǔ)罐運(yùn)行帶來了安全隱患。

目前，油田各大型浮頂儲(chǔ)油罐的防雷措施：在浮頂與罐體間用2 根25 mm2的軟銅復(fù)絞線連接，屬于可靠的電氣連接[6]；在浮頂四周的二次密封上方與罐壁間每隔3 m 安裝導(dǎo)電片，利用自身彈性或橡膠壓力實(shí)現(xiàn)浮頂和罐壁的導(dǎo)通，不屬于可靠的電氣連接。導(dǎo)靜電片如果發(fā)生損壞或者接觸不良，在遭受雷擊時(shí)，一旦一次密封與二次密封之間發(fā)生放電火花，即可引爆或引燃罐頂密封空間內(nèi)可燃?xì)怏w而導(dǎo)致事故[7]。

3 外浮頂油罐隱患治理

3.1 防雷措施改造

目前大型浮頂儲(chǔ)油罐的防雷措施是在浮頂與罐體間用2 根25 mm2的軟銅復(fù)絞線連接，在浮頂四周的二次密封上方每隔3 m安裝導(dǎo)電片，導(dǎo)靜電片連接二次密封與罐壁的方式又為滑動(dòng)壓靠形式，很難保證導(dǎo)通性，容易與罐壁產(chǎn)生放電。一旦雷擊或雷電感應(yīng)，罐頂浮盤與罐壁等電位裝置接觸不良，極有可能發(fā)生放電導(dǎo)致火災(zāi)。因此，需要對(duì)現(xiàn)有的防雷措施進(jìn)行改造。

防雷改造措施主要是增加等電位連接線。優(yōu)點(diǎn)在于等電位連接線屬于可靠的電氣連接，即使大電流流過也不會(huì)發(fā)生火花放電[8]。

按10/350 μs 雷電波形下測(cè)到的單根30 m 的50 mm2軟銅復(fù)絞線的阻抗Zjx=3.63 Ω，單根20 m長可伸縮式等電位連接裝置(RGF)的阻抗ZRGF=2.28 Ω。n個(gè)可伸縮式等電位連接裝置(RGF)和2 根復(fù)絞線并聯(lián)后，總阻抗ZT10/350為：

(1)

浮盤與罐壁之間的電位差UL：

UL=ZT10/350×Imax

(2)

通過式(1)～(2)，可以計(jì)算出RGF個(gè)數(shù)和浮盤與罐壁間電位的數(shù)據(jù)，見表2。

為避免在導(dǎo)電片處發(fā)生火花放電，增加的等電位連接裝置一般建議每隔30m安裝1個(gè)，雷電多發(fā)地區(qū)可適當(dāng)加密[9]。

3.2 密封形式改造

密封形式改造主要采用惰性氣體囊填充一、二次密封之間空隙及浮盤內(nèi)空間。其優(yōu)點(diǎn)一是可以減少可燃?xì)怏w的存留空間；二是在罐頂起火時(shí)惰性氣體囊火燒破裂噴出具有一定壓力的惰性氣體，在一、二次密封空間里起到滅火的作用[10]。

表2 RGF數(shù)量和浮盤與罐壁間電位數(shù)據(jù)

3.2.1 惰性氣體囊的材質(zhì)

因惰性氣體囊要填放到罐頂密封空間內(nèi)，因此惰性氣體囊的材質(zhì)應(yīng)有耐油氣性；由于儲(chǔ)油罐進(jìn)油時(shí)溫度升高，系統(tǒng)產(chǎn)生的最高溫度在70 ℃左右，因此惰性氣體囊材質(zhì)應(yīng)具有耐高溫氧化性能。故可選取氟橡膠[11]。

3.2.2 惰性氣體囊的形式

一、二次密封之間的惰性氣體囊采用兩種形式：

1)輪胎式，即像一次密封包裹彈性海綿一樣，制作成一個(gè)整體大環(huán)，環(huán)內(nèi)留邊沿并留孔固定于二次密封板下，與二次密封共用固定螺栓。此種形式同樣可以用來直接替換一次密封，優(yōu)點(diǎn)是由于采用橡膠加充惰性氣體，膨脹性好，與罐壁的接觸充分，確保更好的密封性。此外在遇到罐壁局部變形時(shí)，惰性氣體囊一側(cè)受壓后氣體會(huì)沿惰性氣體囊擠壓到另外一側(cè)，使其膨脹，保證一次密封與罐壁接觸良好。

2)枕包式，放置于一、二次密封之間，同樣在邊緣沿上留安裝孔，固定于二次密封板螺栓上。2014年通過對(duì)聯(lián)合站8#儲(chǔ)油罐浮盤的檢查，發(fā)現(xiàn)存在腐蝕穿孔，局部存在油污情況，因此，可以對(duì)浮盤進(jìn)行填充，填充浮盤時(shí)可以直接在浮盤內(nèi)進(jìn)行擺放。儲(chǔ)油罐罐頂發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可以減少因原油受熱揮發(fā)出的大量可燃?xì)怏w通過人孔進(jìn)入浮盤內(nèi)空間，與空間內(nèi)空氣混合導(dǎo)致爆炸[12]。

3.2.3 輔助管線的配置

由于惰性氣體囊長時(shí)間的使用會(huì)有漏氣的可能，根據(jù)具體情況確定檢查周期為半年或1年，如惰性氣體囊內(nèi)氣體缺失較大，需要進(jìn)行補(bǔ)充，可以從罐底沿罐外壁鋪設(shè)充氣鋼管至罐頂，再從罐頂管線連接充氣軟管至浮頂上，充氣軟管盤于浮頂上，可以隨浮頂?shù)纳刀被虮P放。在罐下的充氣氣源可以采用氣瓶或者從制氮機(jī)的氮?dú)夤芫€系統(tǒng)中進(jìn)行連接。

4 結(jié)論

基于上述分析，外浮頂罐密封系統(tǒng)隱患治理主要從兩方面控制：一方面是對(duì)外界因素的控制，防雷設(shè)施要完好、健全，能防范各種形式的雷擊及雷電感應(yīng)；另一方面是加強(qiáng)完善罐體，盡量減少密封系統(tǒng)間可燃?xì)怏w空間，改造原有密封形式為惰性氣體囊的形式，減少金屬放電極，加大浮盤與罐壁間的安全距離。

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2015-06-11

沈 洪(1981-)，男，黑龍江省哈爾濱人，工程師，學(xué)士，主要從事油氣田地面工程建設(shè)管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.019