內浮頂儲罐浮盤選型研究與技術應用

紀瑞軍 曲建軍 康艷芳 蘇建禹 郭 巍

（1.中化能源物流有限公司 北京 100031）

（2.中化天津港石化倉儲有限公司 天津 300452）

揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，以下簡稱VOCs）是除顆粒物、SO2、NOx外又一類大氣污染物[1]，其對神經、腎臟及肝臟都具有毒性，長期接觸對人體的皮膚、眼睛、鼻等有刺激作用，進一步誘發免疫系統、內分泌系統及造血系統疾病，在太陽光的照射下，會與其他物質如氮氧化物、硫氧化物發生光化學反應，形成二次污染[2]。近年來國家環保法律法規中對于無組織VOCs排放的控制要求愈發嚴格，儲存易揮發液體的儲罐成為各級環保部門的督察重點，傳統浮筒式浮盤因存在油氣揮發空間導致VOCs 排放的排放量較大[3]，達不到標準規范的限值要求，需采取有效的VOCs 排放控制措施。

儲罐VOCs 主要來源于油品儲運過程中的大、小呼吸[4]，常用的儲罐VOCs 治理措施分為源頭控制、過程管控和末端治理3 種[5]，源頭控制是通過氮封系統或消除油氣空間等措施抑制介質揮發；過程管控通常采用設備泄漏檢測和修復技術，通過檢測和修復的不斷循環來減少設備出現的泄漏點，有效控制VOCs排放；VOCs 的末端治理技術是在廢氣排放過程中添加密閉收集系統，將VOCs 輸送到回收設備或者治理設備中完成處理，達標排放。其中，源頭控制技術不僅能夠達到VOCs 的排放要求還能減少物料損耗，并滿足安全標準的要求，具備極大的研究價值。

針對儲罐VOCs 實施效果和實施必要性，綜合分析設備的經濟性和可行性，結合環保政策的傾向性，本文通過分析現用浮盤技術和高效密封技術的特點，對比了安全環保性和經濟性等因素后，重點研究全接液浮盤和全補償彈性密封在中化能源物流有限公司輕質油品內浮頂儲罐中的應用。

1 內浮頂儲罐浮盤與密封技術分析

1.1 內浮頂儲罐浮盤技術

根據內浮盤的結構和材料的差異，可將內浮盤分為浮筒式浮盤（鋁制、不銹鋼）、碳鋼單雙盤浮盤、全接液浮盤（箱式、蜂巢膠接、全焊接、玻璃鋼）等結構類型，其結構特點決定了VOCs 排放水平和本質安全水平，浮盤的選型要結合安全、環保的政策法規要求，并考慮其改造的經濟性、便捷性、風險性和投用后的穩定性、密封型、可維修性、使用壽命等多方面因素，綜合選擇出能夠滿足使用工況和監管部門要求的性價比最高的設備。

浮筒式浮盤因安裝方便、快捷、造價較低，是目前倉儲企業儲罐中應用最廣的浮盤形式，由不連續的浮力元件和蒙皮組成，是一種典型的非全接液式的結構，分為鋁制浮筒式浮盤和不銹鋼浮筒式浮盤，整體結構強度低，見圖1。浮筒式浮盤因結構特點導致浮盤在運行過程中存在油氣空間，浮盤下方有約85%的揮發面積，VOCs 排放濃度普遍達不到環保要求的VOCs 排放限值。按照《石油化工企業設計防火標準》的釋義，鋁浮盤和不銹鋼浮筒式浮盤屬于易熔材料制作的浮盤，當用于容積大于5 000 m3的內浮頂儲罐時，如果發生火災很容易導致全面火災，難以撲救；《國家安全監管總局關于進一步加強化學品罐區安全管理的通知》（安監總管三〔2014〕68 號）中明確要求內浮頂儲罐正常操作時嚴禁浮盤和物料之間形成空間；2020 年征求意見的《石油庫設計規范》也要求單罐容積大于5 000 m3的內浮頂儲罐，應選用抗爆耐火浮頂。由此可見，浮筒式浮盤從安全、環保2 個角度已不能滿足使用需求，需逐步淘汰更換。

圖1 浮筒式浮盤

碳鋼單、雙盤是符合GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》要求的浮盤，技術成熟度高，在外浮頂儲罐中廣泛應用，見圖2。碳鋼單盤式浮盤由周圈環形密封艙和中間單層盤板組成，在儲罐安裝現場用鋼結構焊接而成；碳鋼雙盤式浮盤全部由隔艙組成，最外圈隔艙為密封浮艙，在儲罐安裝現場用鋼結構焊接而成。碳鋼單、雙盤是符合安全、環保要求的抗爆耐火全接液浮盤，結構穩固、運行穩定性高，但應用于內浮頂儲罐會導致浮盤改造時破壞儲罐本體結構，浮盤改造涉及受限空間動火作業、吊裝作業，安全風險高。其結構特性決定了碳鋼單、雙盤更適用于新建儲罐，但浮盤易發生腐蝕，日常檢查和維護困難，造成維修維護成本高、風險高，不利于設備的長周期運行維護。

圖2 碳鋼單、雙盤

國務院《“十四五”節能減排綜合工作方案》、生態環境部《揮發性有機物治理突出問題排查整治工作要求》等政策條文規定重點區域存儲汽油、航空煤油、石腦油以及苯、甲苯、二甲苯等易揮發有機液體的內浮頂罐宜配備新型高效浮盤與配件，并推薦了全接液浮盤。

全接液浮盤是區別于傳統的浮筒式浮盤和碳鋼單、雙盤的又一種可行的技術方案，其特點是由連續覆蓋于液面上的浮動元件組成，浮盤與液面之間不存在油氣空間，具有浮力單元多、運行穩定、施工簡便等優勢，已經成為現行技術發展的趨勢。由于技術特點的不同和發展趨勢的原因，全接液浮盤又分為箱式、蜂巢膠接、全焊接、玻璃鋼等多種形式，其中箱式浮盤和蜂巢膠接式浮盤屬于全接液浮盤前期發展的產物，見圖3、圖4，在實際應用過程中由于強度低、使用壽命短、密封性和耐火性不足等原因發生了多次由浮盤損壞和沉盤引發的火災或亡人事故，已經被市場否定。2020 年征求意見稿的《石油庫設計規范》明確提出了抗爆耐火浮頂的概念，需符合GB 50341—2014 有關規定的鋼制單盤式或雙盤式浮頂，以及其他經抗爆和耐火試驗合格的全液面接觸式浮頂，進一步否定了箱式浮盤和蜂巢膠接式浮盤的應用。基于此，全焊接全接液浮盤和玻璃鋼全接液浮盤成為內浮頂儲罐浮盤的優選方案。

圖3 箱式全接液浮盤

圖4 蜂巢膠接式全接液浮盤

全焊接全接液浮盤全部由覆蓋于液面上的浮力元件構成，浮力元件為密封焊接箱體，通過螺栓連接組成裝配式浮盤，見圖5。箱體的泄漏失效風險小，密封性能好，結構強度高，能夠滿足抗爆耐火浮頂耐火2 h 的要求，并具備抗爆性能。根據浮箱材質的不同，可以分為鋁制全焊接全接液浮盤和不銹鋼全焊接全接液浮盤；根據浮箱內部結構，可以分為空箱型、加強筋箱型、鋁制蜂窩芯型、不銹鋼蜂窩芯型等；根據浮箱之間的拼接方式，可以分為有梁結構和無梁結構。以上各類型全焊接全接液浮盤均能滿足安全和環保的要求，且技術成熟度、市場占有率均相似，全焊接全接液浮盤的選型，需要結合儲罐容積、儲存介質、泄漏風險、經濟性、運行穩定性等多維度綜合衡量。

圖5 全焊接全接液浮盤

玻璃鋼全接液浮盤是符合全接液要求的一種新材料浮盤，由復合材料制作而成的三明治結構，浮盤在罐內制作、整體成型、無縫連接，浮盤頂層和底層及相關構件由玻璃纖維增強塑料支撐，浮盤芯為阻燃性的復合型蜂窩材料，見圖6。玻璃鋼全接液浮盤具有全復合材料制成本質防腐、一體單元化設計、全平面結構、高可用性、防火阻燃、整體抗爆等特性。但玻璃鋼全接液浮盤在我國還屬于新生技術，尚未被納入相關技術標準范圍，對浮盤的應用和推廣有一定的阻礙。

圖6 玻璃鋼全接液浮盤

通過對以上各類型浮盤的特性進行對比，針對應用過程中重點關注的性能進行綜合評價，得到性能對比評價表[6]，見表1。

表1 各類型浮盤性能對比評價表

1.2 內浮頂儲罐浮盤邊緣密封技術

儲罐浮盤和罐壁的環形空間存在間隔，浮盤不能與罐壁緊密接觸，只能依靠密封材料進行密封，從而減少油氣揮發，提高安全性能。浮盤邊緣密封是決定儲罐VOCs 排放能否達標的另一個重要結構，GB 20950—2020《儲油庫大氣污染物排放標準》中明確要求儲存真實蒸氣壓≥5.2 kPa 但＜27.6 kPa 且設計容積≥150 m3的揮發性有機液體儲罐，以及儲存真實蒸氣壓≥27.6 kPa 但＜76.6 kPa 且設計容積≥75 m3的揮發性有機液體儲罐，若采用內浮頂罐，浮盤與罐壁之間應采用浸液式密封、機械式鞋形密封等高效密封方式。浸液式密封是指浮頂的邊緣密封浸入儲存物料液面的密封形式，又稱液體鑲嵌式密封，常用的囊氏密封（包括海綿囊氏和充液囊式等，見圖7、圖8）、全補償彈性密封等均為浸液式密封；機械式鞋形密封是指通過彈簧或配重杠桿使金屬薄板垂直緊抵于儲罐罐壁上的密封形式，見圖9。

圖7 海綿囊式密封

圖8 充液囊式密封

圖9 機械式鞋形密封

囊式密封通常采用丁腈橡膠、氟橡膠或三元乙丙橡膠等彈性橡膠作為囊的材料，密封帶的厚度約為1 ～1.5 mm。海綿囊式的內部為泡沫塑料等易受壓變形的填料，利用泡沫塑料的回彈力使囊式密封材料緊緊貼在罐壁上，起到密封的作用。充液囊式的內部通常為水或煤油[7]，利用充液介質和囊的可變壓縮性，將密封空間填滿。囊式密封是符合GB 20950—2020 的高效密封形式；能夠浸液約50 mm 深，無油氣空間；囊的材料可根據儲存介質進行選型，耐磨抗拉、耐大部分油品／化工品侵蝕。但囊式密封適應罐壁局部變形和浮盤偏移量有限，補償量僅為±100 mm；密封材料容易老化變形；橡膠帶容易被罐壁刮破，造成密封失效，需要停工清罐更換并且多次發生因更換囊式密封引發的火災及人員傷亡事故；檢維修時多采用破壞法，類似于一次性產品。

機械式鞋形密封通過金屬滑板與罐壁滑動接觸,每塊滑板相互搭接，滑板部分鑲嵌于油面下；滑板通過浮盤邊緣的支撐彈簧機構連接，油氣隔膜將浮盤與滑板密封，形成密閉油氣空間，實現浮盤密封。機械式鞋形密封最大調整范圍為±125 mm，當偏移量超過時機械臂無法有效將鞋形板支撐至罐壁而造成掉落；密封滑板與罐壁間存在縫隙，易形成火花放電條件。

全補償彈性密封是由滑動彈力板、密封隔膜、支托板、彈力壓板和增強型邊緣板等構件組成的密封結構。滑動彈力板通常采用S30110 全硬化（H）狀態的不銹鋼制作，具有一定的硬度和極好的彈性，并具有極強的耐腐蝕性能，能夠適用于各種工況下的邊緣補償密封性能，始終保持密封隔膜和彈力板在液相中的長度不小于100 mm，能夠達到-100 ～+300 mm 以上的補償范圍。密封隔膜選用高分子耐苯、耐芳烴、耐油材料，能夠耐-70 ～+380 ℃的溫度，耐任何酸堿溶液及各種有機溶劑，耐火性優異。因其材質和結構的特性，能保障穩定運行12 年以上，使用壽命成倍增加，減少了密封更換的經濟成本和安全風險。考慮儲罐罐壁為搭接焊，罐壁內部焊瘤、毛刺多，容易產生卡阻。全補償彈性密封對焊縫的要求低，不會被缺陷刮傷，補償量大，適用于搭接焊罐壁，因此全補償彈性密封的補償性和密封性更加優異。

通過對以上各類型密封的特性進行對比，針對應用過程中重點關注的性能進行綜合評價，得到性能對比評價表，見表2。

表2 各類型密封性能對比評價表

2 全接液浮盤與全補償彈性密封技術的應用

中化能源物流有限公司通過研究各類型浮盤技術和密封技術特點，對比分析各項技術優劣性，最終根據技術對比和政策要求，選取全接液浮盤和全補償彈性密封技術作為中化能源物流有限公司內浮頂儲罐浮盤改造的實施方案。實施改造的儲罐為10 000 m3的內浮頂儲罐，儲存介質為汽油，改造之前為浮筒式浮盤和囊式密封，檢測VOCs 排放濃度遠超環保要求的VOCs 排放限值，達不到地方政府的排放要求，于是將浮盤和密封改造為全接液浮盤和全補償彈性密封。改造完成后，請第三方VOCs 檢測機構對儲罐收油過程的排放結果進行檢測，檢測方案如下：

1）從低液位至高液位，對生產過程進行檢測；

2）取樣及檢測不大于2 h／組，檢測位置為中央通氣孔、罐頂壁通風孔或透光孔以下500 mm，每個位置檢測3 組數據，記錄平均值；

3）每組取樣及檢測時，分別監測介質溫度、環境溫度、風力大小等，并記錄每次檢測時間、檢測數據、儲罐狀態、液位高度等數據。

檢測結果表明，VOCs 排放濃度檢測值均在500 mg／m3以下，具體檢測數據見表3。

表3 VOCs 排放檢測記錄

通過對VOCs 排放數據進行分析，可以看出在各液位高度下，收油狀態的VOCs 排放值明顯高于靜止狀態，各狀態時VOCs 排放濃度均不超過500 mg／m3，如圖10 所示，完全能夠滿足各地方環保法規的要求，實現VOCs 達標排放。收油工作結束后，在儲罐液位保持不動時，穩定狀態下VOCs 的排放濃度不超過50 mg／m3，VOCs 減排效果非常好，不僅滿足了環保要求，而且大幅度減少了油氣揮發和物料損耗。

圖10 收油狀態和靜止狀態VOCs 排放濃度對比

3 結束語

全接液浮盤與全補償彈性密封技術是新興的浮盤和密封技術，雖然目前應用并不廣泛，但卻是貫徹政府監管部門安全、環保要求的有效技術措施，也是浮盤和密封技術發展的趨勢。通過對該項技術的深入研究，拓展應用范圍，摒棄技術缺陷，將逐漸發展為主流技術，為倉儲企業的節能減排和本質安全提供技術支撐和堅實保障。