曹 琛 趙 邈 趙坤芳

〔河北澳科中意環(huán)?？萍加邢薰?河北衡水 053200〕

自上世紀(jì)20年代，美國Chicago Bridge & Iron Company展示了世界上第一個(gè)浮盤開始[1]，浮頂儲(chǔ)罐就成為了存儲(chǔ)易揮發(fā)性液體介質(zhì)最為廣泛的方法。在近百年的發(fā)展中，衍生出眾多優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)，使浮頂儲(chǔ)罐由最早的鋼制淺盤式浮盤不斷更新?lián)Q代。

浮頂儲(chǔ)罐的浮盤是一種復(fù)雜的綜合結(jié)構(gòu)，它必須被設(shè)計(jì)為始終漂浮在液面之上，一方面減少介質(zhì)的蒸發(fā)損失，一方面在火災(zāi)等意外狀況下對(duì)介質(zhì)燃燒區(qū)域形成保護(hù)，還要考慮浮盤盤體本身的耐久性、安全性、介質(zhì)兼容性、日常作業(yè)適應(yīng)性等。

內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐是最為典型的一個(gè)類型。由于固定頂結(jié)構(gòu)的存在，使得內(nèi)浮盤本身不需要考慮雨雪風(fēng)霜的環(huán)境影響，對(duì)于排水、強(qiáng)度等因素的要求也顯著地低于外浮頂儲(chǔ)罐，因此誕生了輕型內(nèi)浮頂設(shè)計(jì)，不僅可以像外浮頂儲(chǔ)罐那樣使用鋼制焊接結(jié)構(gòu)來制作浮盤，還可以采用其他的輕型材料，如鋁合金、復(fù)合材料等。

1 我國內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐浮盤的發(fā)展歷程

我國內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的歷史可追溯至上世紀(jì)70年代，由當(dāng)時(shí)的北京石油設(shè)計(jì)院和東方紅煉油廠等單位合作，在1978年3月將東方紅煉油廠的一臺(tái)3 000 m3汽油拱頂罐改造成為內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐，采用淺盤式設(shè)計(jì)，由此誕生了我國的首臺(tái)內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐[2]。作為鋼制焊接浮盤的開山鼻祖，淺盤式浮盤的安全性欠佳，一旦液體進(jìn)入浮盤上部，就存在整盤傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，因此在淺盤式浮盤的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了若干變種，比如利用隔板將淺盤空間隔開，使得盤體上方某一區(qū)域的進(jìn)液不至于擴(kuò)散至全盤的敞口倉式浮盤。但是這類浮盤無法提供積極浮力的問題始終存在，因此很快就被具備完整浮倉結(jié)構(gòu)的浮盤類型所取代，比如鋼制焊接的單盤式、雙盤式浮盤等。

盡管具備完整浮倉結(jié)構(gòu)的鋼制焊接浮盤在安全和環(huán)保性能方面沒有問題，但由于內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的工況較為穩(wěn)定，因此存在著強(qiáng)烈的使用輕型浮盤的客觀需求，以期獲得更高的儲(chǔ)罐有效容積利用率，降低設(shè)備設(shè)施全生命周期的運(yùn)營成本。

在這一訴求的驅(qū)動(dòng)下，首先出現(xiàn)的是鋁制浮筒式浮盤。20世紀(jì)80年代初，我國原石油部建設(shè)工程局從瑞士設(shè)在德國的一家公司引進(jìn)了10臺(tái)不同規(guī)格的鋁制浮筒式浮盤[3]。在中石化的組織協(xié)調(diào)下，我國首臺(tái)鋁制浮筒式浮盤在上海煉油廠一臺(tái)5 000 m3汽油罐中成功安裝，由此拉開了我國使用鋁制浮筒式浮盤的帷幕，隨后應(yīng)用于各個(gè)不同規(guī)格儲(chǔ)罐中的鋁制浮筒式浮盤大多都來自于最早引進(jìn)浮盤的改進(jìn)或變更。

由于各種原因，鋁制浮筒式浮盤在我國的使用效果并不十分理想，主要問題表現(xiàn)為罐內(nèi)氣相空間蒸氣濃度超標(biāo)，進(jìn)而帶來一系列安全和環(huán)保方面的問題，因此出現(xiàn)了全接液式的浮盤結(jié)構(gòu)。在我國應(yīng)用的全接液式浮盤大致分為兩種，其一是鋁合金或不銹鋼的材質(zhì)，這種類型的浮盤依靠螺栓拼接的鋁/不銹鋼制箱式單元結(jié)構(gòu)組成浮盤盤體；其二是復(fù)合材料材質(zhì)，這種類型的浮盤通過玻璃纖維增強(qiáng)塑料的整體成型技術(shù)構(gòu)成浮盤盤體。在我國現(xiàn)存的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐中，規(guī)模最大的浮盤是復(fù)合材料浮盤，該浮盤位于中海殼牌的內(nèi)浮頂原油儲(chǔ)罐中，直徑為78 m，罐容積為10萬m3[2]，共有5座相同規(guī)格的儲(chǔ)罐，始建于2004年，至今使用時(shí)間已經(jīng)超過16年。

2 我國內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的現(xiàn)狀及需求

如果從安全和環(huán)保的視角來看，鋼制焊接單盤式、雙盤式浮盤是較優(yōu)產(chǎn)品。一方面，鋼制焊接浮盤具備全接液、無拼接縫的特點(diǎn)，能夠較好地控制介質(zhì)蒸發(fā)排放；另一方面，鋼制焊接的盤體強(qiáng)度高，在耐火抗爆方面存在天然的優(yōu)勢，能夠在事故中很好地保護(hù)介質(zhì)液面，避免演變?yōu)槿娣e火災(zāi)。

但是，浮盤作為儲(chǔ)罐的重要設(shè)施，并不能僅從安全和環(huán)保的角度來進(jìn)行評(píng)價(jià)，還必須考慮生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際需求。由于鋼制焊接浮盤需在罐內(nèi)動(dòng)火焊接，新建罐區(qū)問題不大，但舊罐改造時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較高，困難重重；加之鋼制焊接浮盤存在自重大、易卡盤、有效罐容占用高等缺點(diǎn)，無不對(duì)儲(chǔ)罐的正常運(yùn)營造成影響；碳鋼本身容易被腐蝕，需要時(shí)常維護(hù)檢修，后期運(yùn)維費(fèi)用投入較高。正是這些問題的存在，使得鋼制焊接浮盤在我國的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐中應(yīng)用數(shù)量并不多，實(shí)際使用中更多的是輕型浮盤，占比最高的是鋁制浮筒式浮盤，這種浮盤是一種典型的非全接液式結(jié)構(gòu)，由浮盤底部的浮筒結(jié)構(gòu)提供浮力，浮筒與浮盤頂部平面之間存在油氣空間。當(dāng)存儲(chǔ)易揮發(fā)的化工液體時(shí)，鋁制浮筒式浮盤相對(duì)于無浮盤的固定頂儲(chǔ)罐而言，在減少產(chǎn)品蒸發(fā)損失方面起到了很大的作用，但是由于其存在油氣空間的結(jié)構(gòu)，仍有相當(dāng)量的產(chǎn)品蒸發(fā)損失，浮盤底部所聚集的高濃度高壓力蒸氣會(huì)持續(xù)地從浮盤的邊緣密封處、浮盤甲板拼接處等位置排放至環(huán)境中。有數(shù)據(jù)表明，運(yùn)行數(shù)年后的鋁制浮筒式浮盤，其儲(chǔ)罐上部氣相空間中的介質(zhì)蒸氣濃度可達(dá)數(shù)萬10-6數(shù)量級(jí)，不僅難以滿足環(huán)保要求，而且甚至可能超過爆炸下限，帶來安全方面的隱患[3]。

近年來，全接液式浮盤也有一定規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用，從數(shù)量上來看，鋁制拼接式全接液浮盤更多。在鋁制拼接式浮盤中，除了最邊緣的一圈外，其余完整的液體表面完全被浮盤盤體所覆蓋，幾乎消除了所有的油氣空間，因此相對(duì)存在油氣空間的浮盤結(jié)構(gòu)來說大幅減少了介質(zhì)蒸發(fā)，但是，這種類型的盤體存在拼接結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致額外的介質(zhì)蒸發(fā)損失。一項(xiàng)由美國API支持的研究表明，所有存在連接結(jié)構(gòu)的接縫都為蒸氣泄漏提供了通道，相對(duì)焊接等無縫整體結(jié)構(gòu)，存在更多的產(chǎn)品蒸發(fā)損失[4]。一臺(tái)直徑36 m的鋁制拼接式內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐，在存儲(chǔ)介質(zhì)為汽油，每年周轉(zhuǎn)24次的狀況下，僅僅因?yàn)槠唇咏Y(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的額外蒸發(fā)損失(不含浮盤密封及其他附件處的蒸發(fā)損失)就可達(dá)3.8 t/a。

我國目前應(yīng)用的浮盤中，鋼制焊接浮盤在安全和環(huán)保方面較優(yōu)，但在滿足生產(chǎn)運(yùn)行需求方面存在問題；而鋁制輕型浮盤很好地滿足了生產(chǎn)運(yùn)行需求，但在安全和環(huán)保方面則有所欠缺。是否有一種既能像鋼制焊接浮盤那樣具備無縫結(jié)構(gòu)，滿足環(huán)保要求；又像其他輕型浮盤那樣，滿足生產(chǎn)運(yùn)營需求的浮盤類型，能夠同時(shí)兼具安全、環(huán)保和生產(chǎn)運(yùn)營的需求，結(jié)合全球范圍內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐發(fā)展的歷程來看，復(fù)合材料浮盤是一個(gè)較好的選擇。

3 復(fù)合材料浮盤應(yīng)用的客觀原因

由玻璃纖維增強(qiáng)塑料材質(zhì)制作的復(fù)合材料浮盤，從其誕生就具備了鋼制焊接浮盤的若干優(yōu)勢，如其盤體全接液，且整體無拼接縫，相對(duì)拼接式浮盤能夠更好地控制介質(zhì)蒸發(fā)排放；其材料的強(qiáng)度是鋼材的7倍，配合成型工藝能夠具備較高的強(qiáng)度和韌性等。正是由于這些優(yōu)勢的存在，使得復(fù)合材料浮盤具備與鋼制焊接浮盤在安全環(huán)保方面一決高下的資格，甚至打破鋼制焊接浮盤在外浮頂應(yīng)用中的壟斷，成為了所有輕型浮盤中唯一一個(gè)可以應(yīng)用在外浮頂環(huán)境下的產(chǎn)品。2012年位于挪威的39 m復(fù)合材料外浮頂原油儲(chǔ)罐、2014年位于德國的23 m復(fù)合材料外浮頂原油儲(chǔ)罐，都是成功應(yīng)用的具體案例，能夠成功應(yīng)用于外浮頂工況，是復(fù)合材料浮盤性能優(yōu)異的一個(gè)佐證。除此之外，復(fù)合材料浮盤還具備其他金屬材料浮盤尤其是輕型金屬浮盤所不具備的一系列優(yōu)勢。

首先是終身免維護(hù)。復(fù)合材料浮盤成型后屬于整體無縫結(jié)構(gòu)。因此，無需像拼接式浮盤那樣關(guān)注拼接縫處的受力情況，也無需擔(dān)心緊固螺栓是否松脫，從而減少了對(duì)于浮盤的后續(xù)維護(hù)投入。而且復(fù)合材料本身不像金屬那樣容易失去電子，反應(yīng)形成氧化物，進(jìn)而造成大面積的腐蝕，避免了由此所帶來的一系列檢修和維護(hù)投入，防止腐蝕的發(fā)生。

其次是耐火抗爆。在耐火方面，復(fù)合材料浮盤所采用的增強(qiáng)材料是玻璃纖維，高性能石英玻璃纖維的軟化溫度高達(dá)1 730 ℃，遠(yuǎn)高于鋼材600～800 ℃、鋁材300～400 ℃的軟化溫度，可以確保復(fù)合材料浮盤在火災(zāi)條件下維持保護(hù)作用，避免形成全面積火災(zāi)?？贡矫?，兼具強(qiáng)度和韌性的復(fù)合材料能耐受遠(yuǎn)超一般輕型金屬浮盤的爆炸壓力，相較于鋼制焊接浮盤更不容易在事故中形成卡盤，避免產(chǎn)生消防泡沫難以進(jìn)入的燃燒空間，進(jìn)一步提升了浮盤在爆炸事故中的安全性。

更重要的是，復(fù)合材料浮盤因其無拼接縫的整體結(jié)構(gòu)，在控制排放方面具備天然優(yōu)勢，在2019年進(jìn)行的一次內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐排放情況調(diào)研中，復(fù)合材料浮盤的介質(zhì)蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為100～300μg·g-1，在所有類型的浮盤中排名首位(見表1)。

表1 不同類型浮盤的排放控制效果

4 復(fù)合材料浮盤在我國的應(yīng)用前景

中國作為負(fù)責(zé)任的發(fā)展中大國，始終堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀，把保護(hù)環(huán)境確立為基本國策，把可持續(xù)發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，堅(jiān)持“在發(fā)展中保護(hù)，在保護(hù)中發(fā)展”的科學(xué)理念，積極探索代價(jià)小、效益好、排放低、可持續(xù)的環(huán)保道路。而石油石化行業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，肩負(fù)著提供綠色能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化的重大使命，基于這一基本國策，我國陸續(xù)頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，深入貫徹習(xí)近平總書記生態(tài)文明思想，積極踐行綠色發(fā)展理念，對(duì)石油化工企業(yè)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。

2019年5月，我國頒布了國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《GB 27822—2019揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》，明確規(guī)定如對(duì)企業(yè)進(jìn)行隨機(jī)抽查，在檢測不超過100個(gè)密封點(diǎn)的情況下，如發(fā)現(xiàn)有2個(gè)以上(不含)不在修復(fù)期內(nèi)的密封點(diǎn)出現(xiàn)可見泄漏現(xiàn)象或超過泄漏認(rèn)定濃度時(shí)，屬于違法行為[5]。

在這樣的大背景下，無疑對(duì)浮盤的控制排放性能提出了更高的要求，繼續(xù)使用排放超標(biāo)的浮盤將會(huì)面臨著更高的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。而復(fù)合材料浮盤因其優(yōu)異的排放控制性能，質(zhì)輕高強(qiáng)、本質(zhì)防腐、耐火抗爆等一系列特征，具備較高的安全性和環(huán)保性，同時(shí)兼具了生產(chǎn)運(yùn)營中對(duì)于輕型浮盤的各項(xiàng)需求。

5 結(jié)束語

復(fù)合材料浮盤雖然初始造價(jià)較高，但其能夠同時(shí)滿足安全、環(huán)保和生產(chǎn)運(yùn)營三方面的需求，而且具備較長的使用壽命，浮盤全生命周期內(nèi)幾乎不需要額外的運(yùn)維投入，因此終身能效費(fèi)用比高，符合我國代價(jià)小、效益好、排放低、可持續(xù)的環(huán)保要求，在我國未來的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐中將會(huì)擁有較為廣闊的應(yīng)用前景。