全尺寸補償膜法密封在外浮頂石腦油罐的應用

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(1.中國石油天然氣股份有限公司 大連石化公司， 遼寧 大連 116011；2.中國石油天然氣集團安全環保技術研究院， 北京 102206；3.北京三益能環工程技術有限公司， 北京 100086)

隨著儲油罐和油庫規模的大型化，為保證儲罐的嚴密性和浮頂的靈活性，需要設置浮頂密封系統。浮頂儲罐的密封系統是大型儲罐安全運行最薄弱的環節[1]，目前國內采用的外浮頂儲罐密封主要有一次密封和二次密封。可靠的浮頂密封裝置能有效防止儲罐內油氣蒸發，降低浮頂上的油氣含量，減少油氣泄漏損耗，保證油品質量，避免雷擊起火的可能性和環境污染，從而確保儲罐的安全儲運和清潔生產。GB 31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》[2]中對揮發性有機化合物(VOCs)的排放要求進一步提高，大幅減少油品在儲運環節中的揮發損耗，實現VOCs達標排放成為當務之急。文中分析了外浮頂儲罐密封技術現狀，以中國石油大連石化公司G650石腦油罐為例，介紹了歐洲普遍使用的全尺寸補償膜法密封技術在其上的應用效果。

1 外浮頂儲罐密封技術現狀

1.1 一次密封結構及特性

1.1.1機械鞋型密封

機械鞋型密封是金屬滑板在壓緊裝置作用下緊貼罐壁，通過金屬滑板與罐壁滑動接觸，滑板部分鑲嵌于油面下。金屬滑板隨浮頂外緣環板的升降而沿罐壁滑行，在金屬滑板上端與浮頂外緣環板間裝有涂有耐油橡膠的纖維織物，使浮頂外緣環板與密封板間的環形氣相空間與大氣隔絕，實現浮盤密封。目前國內外浮盤密封結構形式多樣，但沒有大型儲罐浮盤密封設計、制造和安裝驗收的統一標準[3]。

機械鞋型密封的局限性：①補償儲罐變形范圍小，當油罐變形超過±130 mm時，機械密封的金屬滑板與罐壁會產生間隙，造成油氣泄漏。②容易產生放電且易損壞。在使用過程中，發現機械密封底部安裝的刮蠟器效果差，結構松散，對環形間隙變化的適應性差，造成金屬滑板與罐壁間隙大，產生密封不嚴等缺陷[4]。從現場調研情況看，機械密封容易出現密封不嚴、密封靴板與罐壁間隙大等現象[5]。機械密封對罐的不圓度、局部凹凸度都比較敏感，罐壁的這些缺陷均會降低密封效果[6]。

1.1.2囊式彈性填充式密封

囊式彈性填充式密封是由密封包袋填充物海綿或填充液等材料，將密封包袋安裝在浮頂與罐壁間隙中，橡膠彈性纖維密封袋與罐壁滑動接觸。當浮頂與罐壁間隙發生變化時，通過彈性材料的壓縮與舒張來補償浮頂與罐壁間隙的變化，在密封包袋、浮盤、罐壁與油面之間會形成油氣空間，通過密封包袋實現浮盤與罐壁的密封。同時保證浮頂在儲罐內升降自如而不被卡住，從而達到減少油氣蒸發損耗的目的。

在囊式彈性密封使用過程中，部分浮頂儲油罐密封泄漏問題較為嚴重，出現了密封包袋多處破損、進油和罐壁局部密封不嚴的現象，浮盤與罐壁之間的環向空間間隙大小不均勻，間隙常超出了規定的±100 mm的間隙補償能力。在間隙尺寸較小處，一次軟密封局部受到重擠壓，致使密封包袋受到密封托板與罐壁的剪切，出現包袋破損、進油現象。在間隙較大處，密封不能完全覆蓋油面，起不到密封作用，造成油氣損耗增大，又易引起火災爆炸等事故。

1.2 二次密封結構及特性

浮頂儲罐二次密封是在一次密封上部增加的一套密封裝置，能覆蓋整個邊緣氣相空間，主要用來擋雨和風沙，同時有效減少油氣損失。目前浮頂儲罐的二次密封裝置是在浮頂儲罐原有一次密封的上方沿罐壁安裝一圈帶溝槽狀的橡膠密封刮板，橡膠密封刮板的底端連接在承壓板上，沿罐壁與浮船之間的環狀間隙搭接排列，其下端與浮船的邊緣板通過螺栓相連接。承壓板迫使橡膠密封刮板緊壓在罐壁上，承壓板的整個內側覆蓋一層防蒸發隔膜，防蒸發隔膜的兩邊分別卷入橡膠密封刮板上的Z型壓板和浮盤邊緣板中，與橡膠密封刮板及一次密封共同組成環狀密封空間。

輕質油儲罐長期運行后，罐壁和浮盤會發生變形，導致罐壁與浮盤之間的環形空間距離發生變化。在距離變大的部位，橡膠密封刮板不能緊壓在罐壁上，失去密封作用。而在距離變小的部位，橡膠密封刮板過緊地壓在罐壁上，使浮盤上升時摩擦阻力增大。當摩擦阻力超過承壓板極限時，承壓板發生塑性變形而失去彈性，導致二次密封失效[10]。

1.3 密封失效原因

浮頂儲罐密封圈失效引發的火災頻率較高，原因主要是密封不嚴，密封脫離罐壁，油面暴露，引起油氣體積分數偏高。從大型浮頂儲罐運行情況看，由于儲罐的直徑和高度尺寸均較大，罐壁難以保持絕對的圓度和垂直度。在浮盤升降過程中，受油面波動和外界風力等因素影響，浮盤在油面上存在一定程度的漂移，導致浮盤與罐壁的間距隨浮盤的升降而不斷變化。密封圈服役一段時間后，二次密封的密封刮板會出現不同程度的變形，嚴重老化的橡膠刮板甚至呈現波浪狀，導致密封刮板難以與罐壁保持緊密貼合。另外，機械密封密封不嚴、密封鞋板與罐壁間隙大以及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存在多處間隙，有的縫隙寬度超過100 mm[11]。

可以看出，現有密封的工作補償范圍有限，當密封補償能力不足以彌補以上情況造成的油罐變形和浮盤偏移時，會使密封脫離罐壁，易造成一、二次密封之間存在大量的有機揮發氣體，當其處于爆炸極限范圍內時，遇到火源則會發生爆炸著火事故。

2 全尺寸補償膜法密封技術原理及應用

2.1 全尺寸補償膜法密封技術原理

全尺寸補償膜法密封包括一次密封和二次密封，見圖1。

圖1 全尺寸補償膜法一、二次密封示圖

一次密封是利用鑲嵌式密封原理，根據儲罐的變形情況，采用不同寬度、不同厚度和不同長度的彈性鋼板搭接而成的彈性密封鋼板結構。彈性鋼板一端連接浮盤邊緣，彎曲后緊貼罐壁向下插入油品液面325 mm以下。為保證良好的密封性能，在彈性鋼板的內側覆以環形PTFE復合膜，將浮盤與罐壁間氣環密閉，形成靜密封結構，無氣體泄漏，密封彈性鋼板與罐壁緊密貼合，確保液相無暴露[12]。二次密封則是通過彈力臂確保二次密封頂端密封條與罐壁緊密貼合，二次密封采用耐紫外輻射的高分子保護膜，起到密封、擋雨和擋風沙的作用。

全尺寸補償膜法密封的工作補償范圍大，一般工作補償范圍為-100～300 mm，根據每臺儲罐不同的變形情況以及地基情況，通過專用軟件進行模擬計算，可確保一、二次密封具有足夠的補償能力，使得浮盤邊緣密封與罐壁始終保持全接觸。

2.2 全尺寸補償膜法密封應用狀況

大連石化公司于2016-06對儲運車間的G650外浮頂石腦油罐進行了浮盤邊緣密封改造，將原有的囊式海綿密封和二次密封拆除，更換為全尺寸補償膜法一、二次密封，改造完成后進行了浮盤升降試驗。在浮盤升降試驗時，對一次密封與浮盤形成的氣環空間進行了氣密檢測，在石腦油罐進水至浮盤支腿離地時，向氣環內充壓至0.35 kPa，保壓30 min，壓力未下降即滿足氣密要求。為能及時準確檢測到一、二次密封中間的氣體體積分數，安裝二次密封時選取具有代表性的2個位置安裝了采樣口，一個在石腦油罐內最北靠近浮盤13#人孔，太陽照射得到的位置(位置A)；另一個在石腦油罐最南端靠近浮盤6#人孔，太陽照射不到的位置(位置B)。浮頂石腦油罐浮頂邊緣的一、二次密封處是造成火災的部位之一，減少油氣達到燃燒、爆炸極限，消除密封間產生火花的條件是避免油罐雷擊火災的重要措施。因此，在浮頂油罐運行中檢測一、二次密封油氣存留體積分數是一項重要的工作。

2016-08全尺寸補償膜法密封投用后，大連石化公司質檢中心和儲運車間對G650外浮頂石腦油罐一、二次密封之間烴的體積分數進行了跟蹤檢測，部分數據見表1。

2016-08-23大連石化公司質檢中心對一次密封與浮盤形成的氣環空間液位3.188 m處進行了分析，測得氣體溫度28 ℃、烴體積分數66.89%、氧體積分數5.07%、氮體積分數25.1%。此時烴的體積分數值為油氣的飽和體積分數，遠高出石腦油氣爆炸上限8%，此氣環空間為安全空間。

表1 全尺寸補償膜法應用后G650罐一、二次密封間烴體積分數

中國石油安全環保技術研究院大連分院曾于2016-04-28對G650石腦油罐改造前進行過VOCs排放摸底檢測，檢測依據為HJ 733—2014《泄漏和敞開液面排放的揮發性有機物檢測技術導則》[13]和泄漏檢測與修復(LDAR)技術。

檢測時選擇了均勻分布的8個點，采樣探頭靠近擋雨板。在風速小于1.5 m/s、液位6.1 m，逸散排放相對穩定的情況下對各采樣點進行檢測。每個點位檢測時間3 min，記錄3 min內儀器最大讀數，具體檢測數據見表2。

表2 G650石腦油罐改造前后二次密封LDAR技術VOCs排放檢測數據 μmol/mol

全尺寸補償膜法密封裝置投用后，委托遼寧鼎昇環境檢測有限公司于2016-10-21對G650石腦油罐的VOCs排放進行了全面檢測，檢測依據為文獻[13]、GB 31570—2015《石油煉制工業污染物排放標準》[14]，同時借鑒DB11_447—2007《煉油與石油化學工業大氣污染物排放標準》[15]，沿著二次密封周邊選取了8個均布檢測點，在風速0.7 m/s、液位10.1 m時進行檢測并記錄，檢測結果見表2。

3 全尺寸補償膜法密封技術應用效果

3.1 數據分析

由表1可見，石腦油罐投用初期一、二次密封間氣體烴體積分數較高，隨著石腦油罐的運行，烴體積分數逐步降低，到后來一直穩定在0.1%左右。筆者認為，出現這種情況的原因是由于在浮盤投用初期，一次密封的彈性鋼板與罐壁緊密貼合需要一個過程，浮盤上下運行時，彈性鋼板與罐壁相互摩擦、擠壓和碰撞，彈性鋼板會自動調整位置進行自適應，與罐壁更好地貼合，所以會出現初期彈性鋼板與罐壁貼合不緊密使得一、二次密封間介質烴體積分數較高的情況。經過初期磨合，彈性鋼板與罐壁貼合良好后，烴體積分數就穩定在了0.1%左右，遠低于石腦油氣爆炸極限1.2%～8%(體積分數)，一、二次密封空間為安全空間，即使有點火源也不會發生爆炸著火等安全事故。

由表2可以看出，改造前二次密封LDAR技術VOCs泄漏最高檢測值為13 000 μmol/mol，高于2 000 μmol/mol的泄漏標準限值[7]。改造后二次密封LDAR技術VOCs泄漏最高檢測值為479 μmol/mol，遠低于泄漏標準限值。二次密封效果好，除了自身與罐壁貼合緊密外，還得益于一次密封良好的密封效果。

3.2 安全性分析

3.2.1實現了浮盤與罐壁的等電位連接

基于API RP 545—2009《Recommended practice for lightning protection of aboveground storage tanks for flammable or combustible liquids》[16]的試驗研究表明，導電片浸入油品液面以下0.3 m不會發生放電現象。胡海燕等人[17]認為目前浮頂儲罐均設有刮蠟器，結構類似于液下導電片，一端安裝在浮頂板下面，另一端刮板與罐壁緊密貼合，隨浮頂升降上下移動，且滿足浸入油品液面以下0.3 m不會產生火花放電的結構要求。因此，浮頂儲罐的刮蠟器與浮頂進行可靠電氣連接后完全可以替代現有導電片作為浮頂與罐壁之間的雷電流泄放通道，避免儲罐二次密封放電發生，且便于檢測和維護，更安全可靠。

石腦油罐正常運行時，全尺寸補償膜法密封的彈性鋼板插入油品中的最低點超過325 mm，彈性鋼板沿罐壁一周連續排布，受自身彈力作用，彈性鋼板時刻與罐壁保持面接觸的貼合狀態，接觸面積超過44.6 m2。金屬彈性鋼板與罐壁緊密貼合可起到與導電片和刮蠟器相同的導電作用，彈性鋼板的連續排布完全滿足API中導電片間隔小于3 m的要求，不會發生打火放電現象。因此，全尺寸補償膜法密封具有比API RP 545要求更高的安全性能。

3.2.2二次密封為低輪廓密封

常規二次密封高度通常高出浮盤的500 mm，全尺寸補償膜法密封二次密封的高度僅高出浮盤300 mm，高度減小200 mm可使石腦油罐儲量增加126 m3。同時低輪廓密封降低了二次密封高度，極大縮小了一、二次密封間的油氣空間，即使一、二次密封間存在油氣，可燃氣體積也非常有限[10]。

相對普通囊式密封，因采用了彈性鋼板的全尺寸補償一次密封，故可提高一次密封承壓能力，防止其被壓力波破壞，避免發生大規模燃燒事故[18]。

4 結語

全尺寸補償膜法密封在G650石腦油罐投用后，罐頂及罐周圍幾乎聞不到油氣味，密封效果得到了有效改善。建議在全尺寸補償膜法密封投用初期，短時間內進行多次收付油操作，使浮盤進行多次長行程升降，便于一次密封盡快度過磨合期，實現一次密封與罐壁的良好貼合，確保一、二次密封間油氣體積分數低于爆炸極限，消除安全隱患。

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