張玉平，吳 昌，陶 彬，劉全楨

(1.中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071 2.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司黃島油庫(kù)，山東青島 266500)

隨著我國(guó)環(huán)保要求的日益提高，浮盤邊緣密封作為原油儲(chǔ)罐控制VOCs排放最重要的附件越來(lái)越受到人們的重視。浮盤密封主要分機(jī)械密封和軟式密封兩種類型，當(dāng)前我國(guó)原油罐一次密封以泡沫軟密封為主。由于泡沫軟密封變形補(bǔ)償量小、密封內(nèi)部油氣空間大等缺點(diǎn)，在使用過(guò)程中給油庫(kù)帶來(lái)諸多問(wèn)題。

本文就原油儲(chǔ)罐浮盤一、二次密封進(jìn)行研究，找出存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)建議。

1 密封在我國(guó)的發(fā)展和使用

我國(guó)原油儲(chǔ)罐浮盤密封起初的結(jié)構(gòu)型式是以“一次密封+擋雨板”為主，為減少油氣揮發(fā)損耗，于1994年開始逐步使用二次密封，到2004年，我國(guó)原油儲(chǔ)罐基本全部實(shí)現(xiàn)了雙重密封。而美國(guó)在20世紀(jì)80年代、歐洲國(guó)家在1997年就已實(shí)現(xiàn)了外浮頂儲(chǔ)罐的雙重密封[1]。

在使用密封結(jié)構(gòu)方面，一次密封最初以重錘式機(jī)械密封為主，后來(lái)逐漸被剪刀式機(jī)械密封所取代。直到2006年之后的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的原油儲(chǔ)罐發(fā)生了數(shù)起雷擊密封爆燃事故，這些事故發(fā)生的主要原因是機(jī)械密封在遭受雷擊后金屬構(gòu)件發(fā)生了放電[2]，見(jiàn)圖1、圖2。自此之后，我國(guó)開始逐步將機(jī)械密封更換為泡沫軟密封。密封在國(guó)內(nèi)的發(fā)展過(guò)程見(jiàn)表1。

2 我國(guó)密封的使用現(xiàn)狀

2.1 一、二次密封結(jié)構(gòu)

2.1.1泡沫一次軟密封

圖1 密封遭雷擊之后持續(xù)燃燒

圖2 事故過(guò)后的浮盤密封

時(shí)間一次密封機(jī)械密封軟式密封重錘式剪刀式泡沫封充液封二次密封擋雨板油氣隔膜1970多用沒(méi)用少用沒(méi)用全用沒(méi)用1980多用沒(méi)用多用少用全用沒(méi)用1990多用多用少用少用全用多用2000多用多用多用少用全用全用2008有用沒(méi)用全用少用全用全用

當(dāng)前，我國(guó)原則上已不再推薦使用機(jī)械密封[3]，密封的使用主要以泡沫密封等軟式密封為主，以及少量的充液管式密封。

泡沫軟密封全稱為“彈性泡沫塑料軟密封”[4]，結(jié)構(gòu)主要由橡膠袋、泡沫塑料、支撐板等組成，見(jiàn)圖3。橡膠袋是由厚度約為1.5 mm的耐油丁腈橡膠制成，與罐壁接觸的部位有高度3 mm左右的鋸齒，能起到一定的掛蠟作用。彈性海綿的材質(zhì)為聚氨酯泡沫塑料，目前密封所用的是硬度等級(jí)為120N的硬質(zhì)海綿。

泡沫軟密封的優(yōu)點(diǎn)在于：①在浮盤邊緣間隙變化不大的情況下，泡沫軟密封能與罐壁更好地進(jìn)行貼合，相比機(jī)械密封具有更好的密封性；②密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部金屬構(gòu)件少，基本消除了發(fā)生雷擊閃爆事故的可能。

圖3 泡沫一次密封結(jié)構(gòu)示意

2.1.2二次密封

二次密封主要由密封刮板、壓板、油氣隔膜等構(gòu)件組成，見(jiàn)圖4，其底端與一次密封的頂端一同固定在浮盤邊緣板頂部的位置。二次密封頂端固定有密封刮板，刮板受到壓板的彈性支撐作用緊貼在罐壁上。壓板下方安裝有油氣隔膜，當(dāng)一次密封有泄漏時(shí)，二次密封油氣隔膜將泄漏的油氣阻擋在壓板下方，進(jìn)一步阻止了油氣的泄漏。

圖4 二次密封裝置結(jié)構(gòu)示意

二次密封的區(qū)別主要體現(xiàn)在密封刮板結(jié)構(gòu)的不同。按照結(jié)構(gòu)的不同，密封刮板可分為L(zhǎng)型、I型和T型3種結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5。

圖5 密封刮板類型

I型結(jié)構(gòu)由于橡膠刮板的緊固螺栓與罐壁之間距離較近，雷擊時(shí)可能發(fā)生放電，目前已不再使用；L型是當(dāng)前使用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)；T型結(jié)構(gòu)完全杜絕了固定螺栓與罐壁發(fā)生間隙放電的可能，作為一種新型結(jié)構(gòu)，目前使用較少。

2.2 泡沫一次密封存在的問(wèn)題

2.2.1結(jié)構(gòu)方面問(wèn)題

泡沫軟密封結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

a)一、二次密封之間油氣空間大且油氣濃度超標(biāo)。當(dāng)前使用的三芯泡沫軟密封與二次密封之間形成了較大的油氣空間(見(jiàn)圖3)，一次密封不嚴(yán)以及罐壁掛油導(dǎo)致密封內(nèi)部油氣濃度超標(biāo)已經(jīng)變成一種常態(tài)，巨大的危險(xiǎn)源成為油庫(kù)管理者不可忽視的因素。在“安全”大于“環(huán)?！钡膲毫χ?，操作人員通常采取某些非常規(guī)手段來(lái)降低一二次密封內(nèi)部的油氣濃度也成為了一種“必要”。

b)泡沫軟密封自身固有的補(bǔ)償性較差。按照規(guī)范要求，一次密封應(yīng)能夠滿足浮盤邊緣間隙250±100 mm的變化要求[3，4]。而實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn)，泡沫軟密封很難滿足這一要求。另外，當(dāng)前我國(guó)很多油罐建在沿海填海造地的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致浮盤邊緣間隙尺寸超過(guò)400 mm也不在少數(shù)，嚴(yán)重的已達(dá)480 mm。

2.2.2材料方面問(wèn)題

泡沫塑料密封的使用材料主要為橡膠袋和彈性海綿，材料的問(wèn)題主要表現(xiàn)為聚氨酯泡沫的塑性變形和老化。

a)橡膠袋問(wèn)題。橡膠材料在油品中的抗老化性能、抗拉性能以及耐低溫性能在使用周期內(nèi)基本都能滿足相關(guān)要求，但是在實(shí)際使用過(guò)程中，橡膠袋能否保持完好主要與兩個(gè)因素有關(guān)：①對(duì)罐壁的尖銳凸起物比較敏感，在浮盤運(yùn)行過(guò)程中容易致使其破損；②當(dāng)浮盤上升時(shí)，密封的橡膠袋會(huì)向下翻轉(zhuǎn)。此時(shí)若浮盤邊緣間隙過(guò)小，會(huì)發(fā)生橡膠袋被浮盤下限位板過(guò)度擠壓導(dǎo)致撕裂。

在使用壽命方面，規(guī)范要求橡膠袋的使用壽命不應(yīng)低于15年[4]，但通常情況下大多數(shù)企業(yè)在一個(gè)清罐周期之后都會(huì)更換新的密封。

b)彈性海綿問(wèn)題。泡沫軟密封其中一個(gè)特點(diǎn)就是在使用初期階段密封效果好，但是隨著時(shí)間的推移，以及受罐壁變形、浮盤漂移等因素的影響，海綿會(huì)逐漸發(fā)生老化，密封性會(huì)變得越來(lái)越差。

2.3 二次密封存在的問(wèn)題

2.3.1壓板發(fā)生塑性變形

較小的邊緣間隙環(huán)境會(huì)導(dǎo)致二次密封壓板過(guò)度擠壓，從而產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)浮盤恢復(fù)到“原位”后，二次密封就會(huì)脫離罐壁(見(jiàn)圖6)，導(dǎo)致二次密封失效。

圖6 壓板發(fā)生塑性變形

2.3.2密封刮板老化

儲(chǔ)罐在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，受光照以及高溫的作用，橡膠刮板產(chǎn)生老化(光中的紫外線會(huì)對(duì)橡膠起破壞作用)。嚴(yán)重時(shí)，橡膠刮板呈現(xiàn)出波浪狀(見(jiàn)圖7)，導(dǎo)致密封刮板與罐壁間難以保持緊密貼合。

圖7 密封刮板老化發(fā)生褶皺變形

2.3.3密封刮板的固定螺栓與罐壁之間發(fā)生間隙放電

用于固定I形橡膠刮板的螺栓與罐壁呈垂直狀態(tài)，由于螺栓末端與罐壁距離太近，儲(chǔ)罐遭受雷擊之后，螺栓與罐壁之間有發(fā)生間隙放電的可能。

2.3.4導(dǎo)電片產(chǎn)生間隙放電

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使導(dǎo)靜電片與罐壁接觸良好(見(jiàn)圖8)，儲(chǔ)罐遭受雷擊時(shí)，相互間仍有發(fā)生放電的可能。導(dǎo)致這種現(xiàn)象發(fā)生的原因，可能是罐壁凝蠟在導(dǎo)電片與罐壁形成了絕緣隔膜，導(dǎo)致雷擊時(shí)浮盤上的雷電流泄放不暢。

圖8 包裹式安裝導(dǎo)靜電片

3 措施和建議

針對(duì)泡沫軟密封當(dāng)前的使用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，提出了如下幾點(diǎn)改進(jìn)措施和建議。

3.1 優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)，減小一、二次密封之間的油氣空間

即使在泡沫軟密封嚴(yán)密的情況下，由于罐壁掛油以及二次密封的作用，仍會(huì)導(dǎo)致密封內(nèi)部油氣集聚。因此，要消除密封內(nèi)部油氣空間，可通過(guò)擠壓或占用空間的方法來(lái)達(dá)到減小油氣空間的目的。如①內(nèi)部加裝填充海綿；②內(nèi)部加裝氣囊；③加裝橡膠包帶等。

3.2 嚴(yán)把油罐基礎(chǔ)施工質(zhì)量

若要從本質(zhì)上提升浮盤邊緣密封的性能，更重要的是要控制儲(chǔ)罐罐壁的變形量，而罐基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降是導(dǎo)致罐壁變形的最根本原因。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)原油需求大幅增加，油庫(kù)建設(shè)的冒進(jìn)使油庫(kù)的施工質(zhì)量無(wú)法得到很好的保證。如，某沿海新建油庫(kù)運(yùn)行不到一年，基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致的罐體過(guò)度變形致使浮盤無(wú)法正常運(yùn)行，類似的案例不在少數(shù)。因此，嚴(yán)格把關(guān)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)施工質(zhì)量，特別是建造在填海造地上的油庫(kù)。

3.3 嚴(yán)格控制儲(chǔ)油液位

儲(chǔ)罐罐壁的變形程度是由下至上逐漸增大的，當(dāng)邊緣間隙的尺寸超過(guò)密封運(yùn)行極限范圍之后，密封會(huì)失效。因此，油庫(kù)應(yīng)定期對(duì)罐體的變形進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)徑向變形超過(guò)規(guī)范要求的允許偏差時(shí)，應(yīng)將儲(chǔ)油液位降到安全高度[4]。

3.4 使用非軟式密封

除我國(guó)和日本之外，國(guó)外其他大部分地區(qū)原油罐使用的一次密封結(jié)構(gòu)仍以機(jī)械密封為主。日本使用的密封結(jié)構(gòu)主要為一種全尺寸泡沫軟式密封，究其原因，主要是因?yàn)槿毡緦儆诘卣痤l發(fā)國(guó)，而軟式密封的可變性好，地震時(shí)能夠有效防止浮盤對(duì)罐壁產(chǎn)生的激烈沖擊，可靠性高[6]。另外，英國(guó)石油儲(chǔ)罐相關(guān)的規(guī)范也明確說(shuō)明軟式密封主要應(yīng)用于地震多發(fā)區(qū)。

我國(guó)大量使用泡沫軟密封，起初主要考慮的是安全問(wèn)題。但是隨著環(huán)保問(wèn)題的日益突出，如何提高浮盤密封的密封性能、減少儲(chǔ)罐VOCs排放量成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。而三芯泡沫軟密封很難滿足這一要求，因此開發(fā)使用大變量的密封結(jié)構(gòu)，成為當(dāng)務(wù)之急。

我國(guó)密封的設(shè)計(jì)是按照滿足公式(1)進(jìn)行設(shè)計(jì)，歐美地區(qū)通常執(zhí)行公式(2)：

L∈R(-X/+X)

(1)

L∈R(-X/+3X)

(2)

式中：L——密封補(bǔ)償應(yīng)達(dá)到的尺寸，mm；

R——浮盤邊緣間隙設(shè)計(jì)尺寸(我國(guó)通常為200～300)，mm；

X——密封變形量(我國(guó)要求為100)，mm。

可以看出，我國(guó)的設(shè)計(jì)要求明顯低于歐美地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。而軟式密封由于其自身結(jié)構(gòu)和材料的局限性，在大幅度提高變形量方面很難再有大的改進(jìn)。因此，要實(shí)現(xiàn)R(-X/+3X)的設(shè)計(jì)要求，只能通過(guò)以下幾種途徑實(shí)現(xiàn)。

a)優(yōu)化剪刀式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，從消除結(jié)構(gòu)內(nèi)部油氣濃度方面入手，來(lái)解決雷擊閃爆的問(wèn)題。

b)研發(fā)、引進(jìn)使用新型密封結(jié)構(gòu)，如德國(guó)WIL公司開發(fā)的一種叫SealMaster的機(jī)械密封(見(jiàn)圖9)，該密封已經(jīng)在歐洲地區(qū)大面積使用，以及日本大量使用的全尺寸泡沫密封。

圖9 SealMaster密封結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)加快對(duì)大氣污染的治理以及對(duì)VOCs排放行業(yè)的試點(diǎn)收費(fèi)，原油儲(chǔ)罐作為石油化工行業(yè)VOCs排放量最大的單體裝置之一，必將面臨著政府的巨額收費(fèi)。據(jù)估算，一座百萬(wàn)噸級(jí)的原油庫(kù)每年VOCs的排放量可達(dá)數(shù)千噸之多。

浮盤邊緣一、二次密封的有效性一定程度上決定了儲(chǔ)罐VOCs排放控制的允許值，因此，在保證安全的前提下，如何選擇使用一種可靠、高效的密封裝置，將儲(chǔ)罐的VOCs排放量控制到最低點(diǎn)成為業(yè)主急需考慮的問(wèn)題。

[1] 陳朝暉．外浮頂儲(chǔ)罐二次密封技術(shù)應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備，2002，31(4)．

[2] 劉寶全，劉全楨，劉娟，等．大型浮頂儲(chǔ)油罐雷擊事故分析及防范對(duì)策[J].安全、健康和環(huán)境，2012，12(1)：10-13．

[3] 中國(guó)石化安[2011]754號(hào)中國(guó)石化大型浮頂儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理規(guī)定[S].

[4] SY/T 0511.4-2010 石油儲(chǔ)罐附件第4部分：泡沫塑料一次密封裝置[S].

[5] SY/T 5921-2011 立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程[S].

[6] EEMUA 159-2014 Above ground flat bottomedstorage tanks-A guide to inspection, maintenance andrepair[S].