張羽霄，楊 帆，魏 冰，杜宣利，楊 敏

(西安中糧工程研究設(shè)計院有限公司，西安 710082)

當今，油脂工業(yè)已發(fā)展成為規(guī)?；a(chǎn)的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)，大型化工業(yè)的生產(chǎn)對油料、油脂的要求不斷提高，植物油庫的建設(shè)規(guī)模也向大型化發(fā)展?，F(xiàn)代油脂的儲存特點表現(xiàn)為油脂品種多、油脂品質(zhì)差別大、儲存規(guī)模大，以滿足植物油市場流通、油脂儲備的需要[1]。在植物油儲存系統(tǒng)中，大型儲油罐具有成本低、容量大、操作簡便、便于后期維護等特點，成為油脂的主要儲存形式[1-2]。油脂在儲存過程中，影響及促進油脂酸敗的因素主要有空氣、光照、溫度、水分、雜質(zhì)、重金屬離子及微生物等[3]。為防止油脂儲存過程的品質(zhì)劣變，應(yīng)采取科學(xué)合理的儲油罐設(shè)計方式，減少儲存過程中油脂品質(zhì)降低。根據(jù)植物油儲存物性，儲油罐設(shè)計可分為罐體、保護系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、進出油系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等。植物油儲存過程中，不僅要注意油脂長期儲存時品質(zhì)降低問題，同時又必須保證經(jīng)濟、安全和環(huán)保，這對儲油罐的科學(xué)設(shè)計提出了更高的要求。為了促進油脂儲存工藝的改進和推廣，本文就植物油大型儲油罐的結(jié)構(gòu)、設(shè)計及使用進行探討。

1 儲油罐的結(jié)構(gòu)及設(shè)計

1.1 罐體

植物油通常采用立式圓筒形固定頂鋼板罐儲存[4]。大型化立式圓筒儲罐能夠減少儲罐鋼材耗用，在相同儲量條件下，占地面積更小，與其配套的工藝設(shè)施、監(jiān)控設(shè)施也相應(yīng)減少，節(jié)省投資，操作簡便。因此，大型化成為目前儲油罐建設(shè)的趨勢。植物油大型儲油罐主要以儲存儲備油為主，目前較為常用的單罐罐容為2 000～5 000 m3，如表1所示。

表1 目前常用的單罐罐容及規(guī)格

在食用油行業(yè)，大型儲油罐設(shè)計主要依據(jù)的規(guī)范有GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》。儲油罐大型化有其優(yōu)點，但是也給設(shè)計、制造和使用帶來了一些問題，比如：對地基要求更高，設(shè)計中材料選擇更加復(fù)雜等。

在儲油罐設(shè)計初期，根據(jù)地區(qū)不同，應(yīng)考慮風荷載、雪荷載、地質(zhì)情況等因素，因地制宜進行設(shè)計。儲油罐本體分為罐頂、罐壁、罐底、罐體外保溫層等幾部分。罐頂采用自支撐式帶肋球殼拱頂，按SH 3046—1992設(shè)計規(guī)范中規(guī)定：罐壁板縱向焊縫及環(huán)向連接均應(yīng)采用全熔透的對接形式，內(nèi)表面平齊。罐壁板厚沿罐體從下到上逐漸減小。立式圓筒形儲油罐的人孔一般設(shè)置在罐體壁最下層圈板上，直徑多為600 mm，孔中心距罐底為750 mm；與其相對的是罐體上方的采光孔，直徑多為500 mm。

儲油罐內(nèi)外壁均經(jīng)噴砂除銹，油罐內(nèi)壁噴涂食用級環(huán)氧樹脂漆[5]。有些過渡金屬離子(如Cu2+、Fe3+等)，對油脂的氧化酸敗有顯著的催化作用。油罐內(nèi)壁的環(huán)氧樹脂漆盡可能隔絕油脂和金屬的直接接觸，將金屬離子對油脂的影響降到最低。

在濕潤的空氣中，在氧氣以及二氧化硫、二氧化碳等環(huán)境中，鋼鐵材料極易發(fā)生氧化腐蝕和電化學(xué)腐蝕，對材料的機械性能產(chǎn)生影響，從而縮短儲油罐使用壽命。必要時可以將儲油罐置于罩棚下甚至室內(nèi)。在儲油罐外壁刷環(huán)氧樹脂防銹底漆。為減少陽光和高溫對油品的影響，油脂要盡量避光保存，儲油罐外表最好涂上白色或銀白色油漆或涂料。經(jīng)北京天維康油脂調(diào)銷中心試驗驗證，采用聚丙烯酸酯乳劑類隔熱反光材料能有效反射太陽光(可反射或輻射80%左右太陽光)，從而適度降低罐內(nèi)油溫，在同罐同期同等溫度條件下，可使罐內(nèi)平均溫度降低5℃左右[6]。

建設(shè)大型儲油罐必須考慮抗震的需要?？筛鶕?jù)GB 50341—2003對罐體的抗震設(shè)計進行指導(dǎo)。一般來說，焊縫是儲油罐的薄弱部分，地震經(jīng)常造成罐壁和罐壁邊緣板之間的焊縫發(fā)生破裂。當儲油罐下部焊縫破裂，油品迅速外泄形成真空，造成外壓失穩(wěn)顯現(xiàn)，對其他部件造成影響。除此之外，罐壁也可能會因為地震載荷產(chǎn)生的屈曲，在內(nèi)部油品的壓力下造成罐壁外鼓，形成膨脹節(jié)。根據(jù)國標中的規(guī)范要求，通過合理選取參數(shù)著重對薄弱環(huán)節(jié)進行抗震驗算，以保證大型儲油罐的使用安全。

大型儲油罐在設(shè)計時要考慮充水試驗條件。呼吸閥或者進氣口的通氣量要考慮罐體的大小和放水速度，避免因放水速度過快造成儲油罐變形。

儲油罐在充水試驗中要檢查下列內(nèi)容：①罐底的嚴密性。對罐底焊縫進行真空試漏并在充水試驗過程中罐底無滲漏為合格，若發(fā)現(xiàn)滲漏，按規(guī)定補焊；②罐頂嚴密性及強度試驗應(yīng)在設(shè)計最高液位下1 m時進行緩慢充水升壓，以罐頂無變形、無滲漏為合格，試驗后立即恢復(fù)常壓，使罐頂與大氣相通；③罐頂穩(wěn)定性試驗應(yīng)在水位達到罐頂邊梁后放水，在罐內(nèi)空間達到試驗負壓后，以罐頂無異常變形為合格，試驗后立即恢復(fù)常壓，使罐頂與大氣相通；④對基礎(chǔ)的沉降觀測，罐壁強度及嚴密性試驗。應(yīng)以充水到設(shè)計最高液位并保持48 h后，試驗時罐壁無異常變形、無滲漏為合格。若發(fā)現(xiàn)滲漏時應(yīng)放水，使液面比滲漏處低300 mm左右，并按規(guī)定進行焊接修補。

1.2 保護系統(tǒng)

空氣中的氧氣是引起油脂氧化酸敗的主要因素之一。油脂儲存期間，為減少空氣中氧氣對油脂的影響，最為有效的方法是采用保護氣體置換空氣中的氧氣。氮氣作為一種惰性氣體，可以降低儲油罐內(nèi)氧氣分壓，減緩油脂氧化，有利于保證油品的品質(zhì)[7-11]。

在一些較大的油庫設(shè)計中，均設(shè)置有氮氣保護系統(tǒng)。氮氣管線宜采用無縫鍍鋅管材或者無縫不銹鋼管材，應(yīng)盡量避免過多的折彎，以減少過程中對氮氣的阻力。根據(jù)油層上部空氣氣壓，調(diào)節(jié)一定量的氮氣通過頂部或者底部通入罐體，置換儲油罐中的空氣，在油層上方形成惰性氣體的保護環(huán)境。頂部充氮只能使油品上部氧氣濃度降低，而無法去除混在油脂內(nèi)部的氧氣。而底部充氮會使得整個油罐內(nèi)的油脂與氮氣充分混合，盡可能排出溶解在油脂中的氧氣，帶走油脂中的水分及揮發(fā)性雜質(zhì)。鎮(zhèn)江糧庫對油罐頂部與底部充氮工藝的試驗證明，底部充氮工藝更有利于植物油的長期儲存[7]。

在氮氣保護系統(tǒng)設(shè)計中，目前最常用的方式是在油罐頂部采用氮封系統(tǒng)，氮封系統(tǒng)通常根據(jù)《石油化工設(shè)計手冊》[12]和HG/T 20570—1995《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[13]進行設(shè)計。在工程中，一般氮封系統(tǒng)包含儲油罐、氮氣過濾系統(tǒng)、氮封閥、泄氮閥、壓力檢測儀表等[14]。

除了氮封系統(tǒng)之外，充氮保護系統(tǒng)還包括呼吸閥與緊急泄壓人孔。呼吸閥在進油和充氮作業(yè)時打開，保持油罐處于常壓狀態(tài)，作業(yè)結(jié)束后關(guān)閉以保證儲油罐密閉儲存。緊急泄壓人孔是充氮系統(tǒng)的保護裝置，用于呼吸閥失效情況下保證儲油罐不會爆裂或變形。緊急泄壓人孔屬于快速泄壓裝置，主要技術(shù)性能與工作原理等與普通人孔相同。當呼吸閥不能正常工作且罐內(nèi)壓力急劇增大時，泄壓人孔的泄壓蓋自動頂開，進行緊急泄壓。

有時為防止氮封閥和(或)泄氮閥以及呼吸閥等裝置失靈而出現(xiàn)儲罐內(nèi)超壓或負壓情況，可在系統(tǒng)中增加液封裝置等安全設(shè)施。液封裝置類似于U型管，當罐內(nèi)壓力發(fā)生變化時，U型管內(nèi)液體位置隨著壓力的變化進行改變。

氮氣濃度檢測在整個氮氣儲存中至關(guān)重要，檢測位置過高會增加能耗，過低則會影響整個罐體的氮氣濃度。所以，安裝氮氣濃度傳感器的較佳位置應(yīng)該是距離油面35～45 cm，因為此位置代表罐體整體的濃度，可以反映罐體內(nèi)部的真實氮氣濃度，以保證罐體內(nèi)氮氣有效濃度，同時提高氮氣資源的利用率。

充氮所用氮氣應(yīng)符合GB 29202—2012《食品安全國家標準 食品添加劑 氮氣》的要求，具體見表2、表3。

表2 氮氣感官要求[15]

表3 氮氣的理化指標[15]

制氮系統(tǒng)應(yīng)采用無油或微油型設(shè)備，并設(shè)計除油除菌系統(tǒng)，保證氮氣的衛(wèi)生安全指標。另外，鑒于目前國家對環(huán)境保護的要求，建議增加儲油罐排空時廢氣回收系統(tǒng)。儲油罐排空時廢氣主要包括儲存過程中揮發(fā)的溶劑氣體、揮發(fā)性脂肪酸等，可以參考化工揮發(fā)性有機化合物處理方法，采用活性吸附法、引風高空排放法、吸收除氣法、冷凝收集法、生物處理法等方法進行處理。

1.3 加熱系統(tǒng)

部分植物油如棕櫚油常溫下為固態(tài)，需要加熱熔化才能實現(xiàn)儲油罐的正常進出油，另外在北方冬季也需對儲油罐進行加熱，降低油脂黏稠度，保證正常進出油作業(yè)。在大型油脂儲備中心，常采用加熱水蒸氣作為熱介質(zhì)，廠區(qū)內(nèi)室外蒸汽管網(wǎng)選用無縫鋼管，熱水系統(tǒng)采用螺旋焊鋼管。推薦采用高、中支架架空敷設(shè)，管道保溫采用巖棉管殼外加金屬保護層。沿廠區(qū)內(nèi)管架橋敷設(shè)，選用巖棉保溫層，厚度按規(guī)范設(shè)置，外設(shè)彩板保護層。加熱管盡可能靠近罐壁布置。

目前國內(nèi)植物油大型儲油罐，加熱管排布方式有蛇形環(huán)繞式和水平排管式[16]。在北方寒冷地區(qū)，一般兩種形式同時采用。但水平排管式的法蘭連接及焊接結(jié)構(gòu)處易漏，影響正常作業(yè)。這是因為加熱管管壁較薄(3～3.5 mm)，焊縫質(zhì)量較差以及彎管處蒸汽腐蝕和水擊沖蝕作用導(dǎo)致。對此種形式的加熱器，趙鳳鳴[16]在結(jié)構(gòu)和工藝上作了相應(yīng)的改進，如增加管壁厚度，彎頭壁厚稍大1～2 mm，彎管處采用無縫沖壓彎頭，并切割成所需90°～120°角度來聯(lián)接各蒸汽管，盡可能減少蒸汽腐蝕和水擊沖蝕。

在國外，如意大利、西班牙等地區(qū)采用罐中罐的形式對儲油罐進行加熱。在較大儲油罐中，增加一個體積較小的油罐，在小油罐中配備較多的加熱盤管進行加熱，儲油罐中的油通過小油罐進行預(yù)熱后泵出油罐。該小油罐起到加熱器的作用，保證了小油罐中油的溫度和流動性，可以節(jié)約70%左右的蒸汽[17]。

1.4 進出油系統(tǒng)

進出油系統(tǒng)是油罐的工作組件，通常與其他系統(tǒng)協(xié)同工作。進油時，應(yīng)采用從罐底進油并裝滿儲油罐，使油脂進入儲油罐時與空氣的接觸降至最低，避免裹挾大量空氣進入油中。通常在進油過程中，充氮系統(tǒng)同時工作，氮氣與油一起進入油罐，氮氣流量為油流量的10%，從油中逸出的氮氣在油面上集聚，罐內(nèi)壓力增加，罐內(nèi)空氣通過頂部的呼吸閥排出。通過雷達液位計監(jiān)控罐內(nèi)液位高度，進油量達到油罐直壁頂端，則應(yīng)停止進油，而充氮系統(tǒng)仍需繼續(xù)工作，直至將罐頂部的空氣從呼吸閥徹底趕出。

長期儲存的棕櫚油等高熔點油或在寒冷地區(qū)冬季出油時，需提前24 h對油進行加熱，出油時打開出油管閥門，油被泵抽出或自流到罐車，隨著罐內(nèi)油位降低，真空度增加，罐頂呼吸閥打開，空氣進入罐中，保持儲油罐內(nèi)的常壓狀態(tài)，當儲油罐內(nèi)的油出凈時及時停泵，關(guān)閉出油閥。如果只發(fā)運罐內(nèi)一部分油，則應(yīng)在發(fā)油結(jié)束后通過進油管為油罐補充氮氣，保持罐內(nèi)充滿氮氣的狀態(tài)。

儲油罐在儲存油脂期間，應(yīng)定期通過液位計和溫度計量儀對罐內(nèi)的液位和溫度進行記錄和監(jiān)控，防止出現(xiàn)跑油和儲存溫度過高的情況，并定期向罐內(nèi)補充氮氣，保持罐內(nèi)充滿氮氣。

1.5 計量、監(jiān)測系統(tǒng)

除了作業(yè)模塊之外，儲油罐的監(jiān)測系統(tǒng)也是重要的組成部分。儲油罐監(jiān)測包括油品質(zhì)量、油品溫度、罐內(nèi)可燃氣體濃度等。傳統(tǒng)儲油罐計量的方式是人工檢尺法，但是人工檢尺法受測量人技術(shù)水平和熟練程度的影響較大。目前，大型儲油罐多數(shù)采用自動計量的方式。儲油罐的自動計量方法可分為液位計法、靜壓法以及混合法[18]。液位計法通過測量油脂的高度，進一步計算得到油脂的質(zhì)量；靜壓法是通過罐底部的壓力傳感器測得油脂底部壓力，進一步計算得到油脂質(zhì)量?；旌戏ㄊ菍⑸鲜鰞煞N方法結(jié)合，是自動計量系統(tǒng)中功能最全面、精度最高和可靠性最好的方法，但成本較高。在一些條件較好的油庫中，采用雷達液位計得到油脂高度，多點溫度計測得儲油罐的內(nèi)油脂溫度，通過計算機系統(tǒng)綜合計算出油脂平均密度、平均油溫、儲油質(zhì)量等物理參數(shù)，能對油溫度跟蹤，密度補償，實現(xiàn)油的動態(tài)計量，誤差低至2 mm，而且還能應(yīng)用于密閉充氮儲存的高檔油品。

儲存溫度是影響油脂儲存過程中品質(zhì)變化的重要影響因素。因此，對大型儲油罐油溫的監(jiān)測在生產(chǎn)過程中十分重要。大型儲油罐體量大，油溫分布不均勻。對于油溫的監(jiān)測應(yīng)分為多點監(jiān)測，在儲油罐的上部、中部、下部均應(yīng)設(shè)置監(jiān)測點，以三點平均溫度客觀評價儲油罐油溫。

含有溶劑的植物油在儲藏過程中，隨著時間和溫度的變化，油脂中的溶劑揮發(fā)出來，在儲油罐中聚集，并在一段時間內(nèi)達到平衡，植物油的溶劑殘留不同，溶劑平衡時的濃度不同，當濃度達到或者接近爆炸極限時，對植物油儲藏存在安全隱患。儲油罐中應(yīng)設(shè)置可燃氣體探測器，在線監(jiān)測罐中可燃氣體濃度。

1.6 油罐檢修

采用浸出方法提取的油脂，雖然浸出油的殘溶有具體要求，但是浸出中采用的溶劑滲透性強，長期儲藏浸出法制取的植物油，罐體和管道在檢修動火時應(yīng)注意防爆。因此，在儲油罐動火檢修前，應(yīng)對儲油罐及其附屬管道進行消溶。目前消溶的具體操作沒有統(tǒng)一的規(guī)定，但基本上采用蒸汽或水進行消溶，使罐內(nèi)及其附屬管道的溶劑含量達到安全作業(yè)濃度以下。蒸汽消溶后的冷凝水也含有部分溶劑，應(yīng)統(tǒng)一集中處理。

1.7 其他

儲油罐在長期服役時，會因壁面腐蝕或內(nèi)部壓力變化而造成儲油罐罐容和壁面狀態(tài)發(fā)生改變。目前大型立式植物油儲油罐壁面及罐容的自動檢測與維護等作業(yè)通常由人工完成。為了節(jié)約人力成本，科學(xué)家提出了一種新型的植物油儲油罐爬壁機器人，代替人工在植物油儲油罐內(nèi)表面進行作業(yè)和檢測[19]。未來，智能化機器作業(yè)將成為油脂儲備行業(yè)的發(fā)展方向之一。

2 結(jié)束語

為了保證植物油長期儲存的品質(zhì)和安全，對大型儲油罐以及各個輔助系統(tǒng)提出了更高的要求。應(yīng)針對當?shù)貧夂颉⑼恋匾约坝蛶熳鳂I(yè)要求，因地制宜，合理地設(shè)計儲油罐，節(jié)省儲油罐占地，避免儲存油脂發(fā)生氧化，延長油脂保存時間，保證植物油品質(zhì)，降低儲存損耗，便于生產(chǎn)管理。另外，智能化機器作業(yè)將成為油脂儲備行業(yè)的發(fā)展方向之一。