大型外浮頂儲罐密封結構對比和安全性探討

馬文婷

（中國石油大學（北京）)

0 引言

我國大型原油儲罐基本采取地上立式儲罐形式，且大都采用外浮頂結構。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狀結構物，又稱浮盤。浮盤與罐壁之間有一個環形縫隙，可方便浮頂的升降。浮頂與罐壁之間的環形空隙需要采取合理有效的密封方式，從而確保儲罐的正常運行，最大程度地降低原油損耗，為罐區的生產安全提供有效保障。然而，目前浮頂儲罐密封結構的研究工作主要集中在國外，國內先進浮頂密封裝置的研究和應用不多，對于密封效果要求較高的情況均需要引進國外技術和設備。因此，整合國內外先進研究資料，采用合理研究方法和手段，自主創新地提出自己觀點，顯得尤為重要。

1 浮頂密封形式

浮頂儲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。

機械密封依靠壓緊裝置提供的機械力使密封鋼板緊貼罐壁隨浮頂升降上下滑動。同時，在板與罐壁接觸部位和板與浮頂外緣環板之間裝有涂耐油橡膠的纖維織物，盡量使浮頂外緣環板與密封板之間的環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接觸。密封帶安裝在浮頂的邊緣， 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，安裝在浮盤外邊緣與耐磨帶之間。當浮盤產生橫向漂移或升降至儲罐罐壁變形位置時，充液管內的液體受到擠壓，會自由流動到浮盤與罐壁間距較大的地方，從而使充液管形狀發生改變。這種自由的補償流動使密封和罐壁總保持良好的接觸。這種密封與傳統的泡沫密封相比可減少95%～98%的油氣損失。耐磨帶是由補強的尼龍布和涂在其表面的耐磨合成橡膠構成，起到保護充液密封管，減少與罐壁的摩擦，增強密封效果的作用[3]。

從安全、節能角度考慮，美國環境保護協會在上世紀80年代就對浮頂儲罐的油氣揮發做了嚴格規定，要求浮頂儲罐都采用 “雙重密封”，即在原有密封基礎上增加一個 “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、靜電導桿及緊固聯接件等組成。油氣隔膜具有良好的防止油氣滲透的作用，它環繞在浮盤與罐壁的環形空間，阻隔從一次密封滲漏的油氣，并有效防止油氣蒸發。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作用，可防止外力劃傷和陽光照射引起的老化[3]。二次密封結構如圖1所示。

圖1 二次密封結構

2 浮頂密封失效形式及泄漏類型

在浮頂施工和運行過程中，由于操作不當或維護不善會導致密封系統失效[1]。在浮頂施工過程中，罐壁的圓度、垂直度及局部凹凸度的偏差難免會造成機械密封性能降低；在作業過程中，溫度的變化、油品的收發和儲罐基礎的沉降、介質對罐壁的腐蝕等，都會造成罐壁和浮頂幾何變形，從而導致密封不嚴；密封橡膠受陽光照射、風蝕和老化開裂，刮蠟機構引起的變形造成密封膜失效，都會影響密封效果；在罐內由于風力、介質進出等因素的作用，浮盤也會發生 “漂移”，從而對浮頂機械密封裝置造成很大影響。

防止浮頂密封系統泄漏的關鍵是保持儲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型主要有兩類[5]： （1）浮頂密封靜止蒸發損耗。靜止儲存的油品由于溫度變化，由原來的油氣平衡狀態達到新的平衡狀態，蒸發的油氣通過密封件與浮頂及罐壁間的間隙逸出，尤其當密封不嚴時，這種油氣的損耗會更大。 （2）儲罐的收發油損耗。當儲罐進行收油、發油等作業時，油面與浮頂間的氣相空間容積發生變化，原相平衡被破壞，導致氣化量的突然增加，使油氣空間達到新的相平衡。超出氣相空間容積的油氣會逸出罐外，且浮頂升降過程中暴露在大氣中的罐壁上的油品會不斷蒸發，導致油氣損耗。

3 浮頂密封的設計研究現狀

1994年隨著技術的引進，浮頂儲罐的“雙重密封”技術開始在我國使用。外浮頂油罐的常見密封形式主要有機械密封、泡沫密封和管式密封三種。

機械密封因其良好的密封性能、獨特的防火性能、較長的使用壽命和較低的維護成本等特點而被廣泛應用。管式密封可以自動補償流動，使密封與罐壁始終保持良好接觸，密封與油品間無油氣空間，因而可有效地防止油氣蒸發。

從現場調研情況看，機械密封容易出現密封不嚴的情況。密封靴板與罐壁的間隙大，軟密封橡膠包袋內的填充物彈性降低，會導致軟密封與罐壁間產生縫隙，有的縫隙寬達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性也就越大。未設置二次密封或二次密封失效的浮盤密封圈內油氣濃度較低。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油氣擴散至大氣，但同時也使密封圈內油氣濃度達到較高程度。過多的油氣擴散至大氣，將嚴重污染環境。

為了更好地解決與罐壁的貼合、浮盤漂移等問題，國內外很多學者和工程技術人員都對密封圈進行了獨特的改造。

滾輪骨架密封[5]是將浮頂與罐壁之間的整體圓環分解成若干個圓弧線段密封骨架，可用轉動的轉軸將骨架連接起來，組成一個與儲罐幾何形狀相同的密封圈，結構如圖2所示。轉軸安裝在支承架上，支承架的一端固定在浮頂的邊緣板上，另一端與罐壁接觸，與罐壁接觸的一端裝有可以轉動的滾輪。當浮頂在罐內上下移動時，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，達到密封的目的。固定在浮頂邊緣板上的一端裝有兩個彈簧，一個彈簧將滾輪頂向罐壁，另一個彈簧在浮頂發生漂移時將產生很強的反彈力使浮頂在罐內始終保持在中心位置。滾輪骨架與浮頂之間的環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產生的摩擦力要小得多，浮頂升、降的靈活性大，并且不易發生浮頂在升、降過程中的卡死現象。

應用與滾輪骨架密封相似的原理，某公司開發的新型浮盤密封圈在一定程度上解決了密封圈與罐壁貼合不嚴以及密封圈內部可燃油氣濃度過高的問題。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。二次密封略高于浮艙邊緣的設計縮小了一、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密封圈的安全和環保性能，但是仍然不能完全消除密封圈內的油氣空間，而該密封圈內部結構較復雜，金屬構件較多，這對浮盤密封裝置的防雷設計提出了更高的要求。因此，國內較常采用結構簡單的填充式密封結構。

4 密封對原油儲存安全的重要性

在儲罐運行過程中，既要求密封裝置能與罐體緊密接觸，又要求對浮頂的升降無影響。提高浮頂密封裝置的可靠性和嚴密性，對減少原油蒸發、確保儲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，要充分考慮儲罐在施工和運行過程中遇到的各種情況，盡量使密封裝置能夠穩定工作。如密封圈內的軟填充物質如果沒有填充均勻，會引起浮盤在升降過程中受力不均，嚴重時會引起浮盤扭曲變形或傾斜，甚至引發沉盤事故。再如儲罐在施工中有可能出現儲罐局部凹凸度超標，會使得浮盤在升降過程中受力不均，局部受擠壓，密封裝置能否適應并有效緩解這種局部受壓的現象，對浮盤的穩定運行具有重要的意義。

（2）增強密封裝置的嚴密性。原油揮發的過程是氣液相趨向相平衡的動態過程，由于原油的揮發性較強，即使在常溫下，原油只要存在氣液相界面，原油揮發就持續進行。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。保持密封裝置的嚴密性，可以最大程度地維持罐內油氣的相平衡，減少油氣的蒸發損耗。

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

[2]孫新宇，李曉明，彭仁海，等.儲罐安全運行與管理[M].北京:中國石化出版社， 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用 [J].油氣儲運，2004，23（2）：56-60.

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

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