內(nèi)浮頂儲罐浮盤選型研究與技術(shù)應(yīng)用

紀(jì)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(fā)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(jīng)、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(fā)免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及造血系統(tǒng)疾病，在太陽光的照射下，會與其他物質(zhì)如氮氧化物、硫氧化物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成二次污染[2]。近年來國家環(huán)保法律法規(guī)中對于無組織VOCs排放的控制要求愈發(fā)嚴(yán)格，儲存易揮發(fā)液體的儲罐成為各級環(huán)保部門的督察重點，傳統(tǒng)浮筒式浮盤因存在油氣揮發(fā)空間導(dǎo)致VOCs 排放的排放量較大[3]，達不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(tǒng)或消除油氣空間等措施抑制介質(zhì)揮發(fā)；過程管控通常采用設(shè)備泄漏檢測和修復(fù)技術(shù)，通過檢測和修復(fù)的不斷循環(huán)來減少設(shè)備出現(xiàn)的泄漏點，有效控制VOCs排放；VOCs 的末端治理技術(shù)是在廢氣排放過程中添加密閉收集系統(tǒng)，將VOCs 輸送到回收設(shè)備或者治理設(shè)備中完成處理，達標(biāo)排放。其中，源頭控制技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備的經(jīng)濟性和可行性，結(jié)合環(huán)保政策的傾向性，本文通過分析現(xiàn)用浮盤技術(shù)和高效密封技術(shù)的特點，對比了安全環(huán)保性和經(jīng)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(zhì)油品內(nèi)浮頂儲罐中的應(yīng)用。

1 內(nèi)浮頂儲罐浮盤與密封技術(shù)分析

1.1 內(nèi)浮頂儲罐浮盤技術(shù)

根據(jù)內(nèi)浮盤的結(jié)構(gòu)和材料的差異，可將內(nèi)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(jié)構(gòu)類型，其結(jié)構(gòu)特點決定了VOCs 排放水平和本質(zhì)安全水平，浮盤的選型要結(jié)合安全、環(huán)保的政策法規(guī)要求，并考慮其改造的經(jīng)濟性、便捷性、風(fēng)險性和投用后的穩(wěn)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(jiān)管部門要求的性價比最高的設(shè)備。

浮筒式浮盤因安裝方便、快捷、造價較低，是目前倉儲企業(yè)儲罐中應(yīng)用最廣的浮盤形式，由不連續(xù)的浮力元件和蒙皮組成，是一種典型的非全接液式的結(jié)構(gòu)，分為鋁制浮筒式浮盤和不銹鋼浮筒式浮盤，整體結(jié)構(gòu)強度低，見圖1。浮筒式浮盤因結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)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(fā)面積，VOCs 排放濃度普遍達不到環(huán)保要求的VOCs 排放限值。按照《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》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(dāng)用于容積大于5 000 m3的內(nèi)浮頂儲罐時，如果發(fā)生火災(zāi)很容易導(dǎo)致全面火災(zāi)，難以撲救；《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于進一步加強化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》（安監(jiān)總管三〔2014〕68 號）中明確要求內(nèi)浮頂儲罐正常操作時嚴(yán)禁浮盤和物料之間形成空間；2020 年征求意見的《石油庫設(shè)計規(guī)范》也要求單罐容積大于5 000 m3的內(nèi)浮頂儲罐，應(yīng)選用抗爆耐火浮頂。由此可見，浮筒式浮盤從安全、環(huán)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(shè)計規(guī)范》要求的浮盤，技術(shù)成熟度高，在外浮頂儲罐中廣泛應(yīng)用，見圖2。碳鋼單盤式浮盤由周圈環(huán)形密封艙和中間單層盤板組成，在儲罐安裝現(xiàn)場用鋼結(jié)構(gòu)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(xiàn)場用鋼結(jié)構(gòu)焊接而成。碳鋼單、雙盤是符合安全、環(huán)保要求的抗爆耐火全接液浮盤，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、運行穩(wěn)定性高，但應(yīng)用于內(nèi)浮頂儲罐會導(dǎo)致浮盤改造時破壞儲罐本體結(jié)構(gòu)，浮盤改造涉及受限空間動火作業(yè)、吊裝作業(yè)，安全風(fēng)險高。其結(jié)構(gòu)特性決定了碳鋼單、雙盤更適用于新建儲罐，但浮盤易發(fā)生腐蝕，日常檢查和維護困難，造成維修維護成本高、風(fēng)險高，不利于設(shè)備的長周期運行維護。

圖2 碳鋼單、雙盤

國務(wù)院《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》、生態(tài)環(huán)境部《揮發(fā)性有機物治理突出問題排查整治工作要求》等政策條文規(guī)定重點區(qū)域存儲汽油、航空煤油、石腦油以及苯、甲苯、二甲苯等易揮發(fā)有機液體的內(nèi)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(qū)別于傳統(tǒng)的浮筒式浮盤和碳鋼單、雙盤的又一種可行的技術(shù)方案，其特點是由連續(xù)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(wěn)定、施工簡便等優(yōu)勢，已經(jīng)成為現(xiàn)行技術(shù)發(fā)展的趨勢。由于技術(shù)特點的不同和發(fā)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(fā)展的產(chǎn)物，見圖3、圖4，在實際應(yīng)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(fā)生了多次由浮盤損壞和沉盤引發(fā)的火災(zāi)或亡人事故，已經(jīng)被市場否定。2020 年征求意見稿的《石油庫設(shè)計規(guī)范》明確提出了抗爆耐火浮頂?shù)母拍?，需符合GB 50341—2014 有關(guān)規(guī)定的鋼制單盤式或雙盤式浮頂，以及其他經(jīng)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(yīng)用?；诖耍附尤右焊”P和玻璃鋼全接液浮盤成為內(nèi)浮頂儲罐浮盤的優(yōu)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(gòu)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(fēng)險小，密封性能好，結(jié)構(gòu)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(jù)浮箱材質(zhì)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(jù)浮箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(jù)浮箱之間的拼接方式，可以分為有梁結(jié)構(gòu)和無梁結(jié)構(gòu)。以上各類型全焊接全接液浮盤均能滿足安全和環(huán)保的要求，且技術(shù)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(jié)合儲罐容積、儲存介質(zhì)、泄漏風(fēng)險、經(jīng)濟性、運行穩(wěn)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(fù)合材料制作而成的三明治結(jié)構(gòu)，浮盤在罐內(nèi)制作、整體成型、無縫連接，浮盤頂層和底層及相關(guān)構(gòu)件由玻璃纖維增強塑料支撐，浮盤芯為阻燃性的復(fù)合型蜂窩材料，見圖6。玻璃鋼全接液浮盤具有全復(fù)合材料制成本質(zhì)防腐、一體單元化設(shè)計、全平面結(jié)構(gòu)、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(shù)，尚未被納入相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍，對浮盤的應(yīng)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(yīng)用過程中重點關(guān)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(nèi)浮頂儲罐浮盤邊緣密封技術(shù)

儲罐浮盤和罐壁的環(huán)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(fā)，提高安全性能。浮盤邊緣密封是決定儲罐VOCs 排放能否達標(biāo)的另一個重要結(jié)構(gòu)，GB 20950—2020《儲油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求儲存真實蒸氣壓≥5.2 kPa 但＜27.6 kPa 且設(shè)計容積≥150 m3的揮發(fā)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(shè)計容積≥75 m3的揮發(fā)性有機液體儲罐，若采用內(nèi)浮頂罐，浮盤與罐壁之間應(yīng)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?shù)倪吘壝芊饨雰Υ嫖锪弦好娴拿芊庑问?，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(nèi)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(nèi)部通常為水或煤油[7]，利用充液介質(zhì)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(jù)儲存介質(zhì)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(yīng)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(fā)生因更換囊式密封引發(fā)的火災(zāi)及人員傷亡事故；檢維修時多采用破壞法，類似于一次性產(chǎn)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(gòu)連接，油氣隔膜將浮盤與滑板密封，形成密閉油氣空間，實現(xiàn)浮盤密封。機械式鞋形密封最大調(diào)整范圍為±125 mm，當(dāng)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(gòu)件組成的密封結(jié)構(gòu)?；瑒訌椓Π逋ǔ２捎肧30110 全硬化（H）狀態(tài)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(yōu)異。因其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的特性，能保障穩(wěn)定運行12 年以上，使用壽命成倍增加，減少了密封更換的經(jīng)濟成本和安全風(fēng)險?？紤]儲罐罐壁為搭接焊，罐壁內(nèi)部焊瘤、毛刺多，容易產(chǎn)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(yōu)異。

通過對以上各類型密封的特性進行對比，針對應(yīng)用過程中重點關(guān)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(shù)的應(yīng)用

中化能源物流有限公司通過研究各類型浮盤技術(shù)和密封技術(shù)特點，對比分析各項技術(shù)優(yōu)劣性，最終根據(jù)技術(shù)對比和政策要求，選取全接液浮盤和全補償彈性密封技術(shù)作為中化能源物流有限公司內(nèi)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(nèi)浮頂儲罐，儲存介質(zhì)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(huán)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(gòu)對儲罐收油過程的排放結(jié)果進行檢測，檢測方案如下：

1）從低液位至高液位，對生產(chǎn)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(fēng)孔或透光孔以下500 mm，每個位置檢測3 組數(shù)據(jù)，記錄平均值；

3）每組取樣及檢測時，分別監(jiān)測介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)力大小等，并記錄每次檢測時間、檢測數(shù)據(jù)、儲罐狀態(tài)、液位高度等數(shù)據(jù)。

檢測結(jié)果表明，VOCs 排放濃度檢測值均在500 mg／m3以下，具體檢測數(shù)據(jù)見表3。

表3 VOCs 排放檢測記錄

通過對VOCs 排放數(shù)據(jù)進行分析，可以看出在各液位高度下，收油狀態(tài)的VOCs 排放值明顯高于靜止?fàn)顟B(tài)，各狀態(tài)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(huán)保法規(guī)的要求，實現(xiàn)VOCs 達標(biāo)排放。收油工作結(jié)束后，在儲罐液位保持不動時，穩(wěn)定狀態(tài)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(huán)保要求，而且大幅度減少了油氣揮發(fā)和物料損耗。

圖10 收油狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)VOCs 排放濃度對比

3 結(jié)束語

全接液浮盤與全補償彈性密封技術(shù)是新興的浮盤和密封技術(shù)，雖然目前應(yīng)用并不廣泛，但卻是貫徹政府監(jiān)管部門安全、環(huán)保要求的有效技術(shù)措施，也是浮盤和密封技術(shù)發(fā)展的趨勢。通過對該項技術(shù)的深入研究，拓展應(yīng)用范圍，摒棄技術(shù)缺陷，將逐漸發(fā)展為主流技術(shù)，為倉儲企業(yè)的節(jié)能減排和本質(zhì)安全提供技術(shù)支撐和堅實保障。