原油储罐一、二次密封使用现状分析及改进建议*

2018-05-03张玉平刘全桢

安全、健康和环境 2018年3期

张玉平，吴昌，陶彬，刘全桢

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071 2.中国石化管道储运有限公司黄岛油库，山东青岛 266500)

随着我国环保要求的日益提高，浮盘边缘密封作为原油储罐控制VOCs排放最重要的附件越来越受到人们的重视。浮盘密封主要分机械密封和软式密封两种类型，当前我国原油罐一次密封以泡沫软密封为主。由于泡沫软密封变形补偿量小、密封内部油气空间大等缺点，在使用过程中给油库带来诸多问题。

本文就原油储罐浮盘一、二次密封进行研究，找出存在的问题，提出了改进建议。

1 密封在我国的发展和使用

我国原油储罐浮盘密封起初的结构型式是以“一次密封+挡雨板”为主，为减少油气挥发损耗，于1994年开始逐步使用二次密封，到2004年，我国原油储罐基本全部实现了双重密封。而美国在20世纪80年代、欧洲国家在1997年就已实现了外浮顶储罐的双重密封[1]。

在使用密封结构方面，一次密封最初以重锤式机械密封为主，后来逐渐被剪刀式机械密封所取代。直到2006年之后的一段时间内，我国的原油储罐发生了数起雷击密封爆燃事故，这些事故发生的主要原因是机械密封在遭受雷击后金属构件发生了放电[2]，见图1、图2。自此之后，我国开始逐步将机械密封更换为泡沫软密封。密封在国内的发展过程见表1。

2 我国密封的使用现状

2.1 一、二次密封结构

2.1.1泡沫一次软密封

图1 密封遭雷击之后持续燃烧

图2 事故过后的浮盘密封

时间一次密封机械密封软式密封重锤式剪刀式泡沫封充液封二次密封挡雨板油气隔膜1970多用没用少用没用全用没用1980多用没用多用少用全用没用1990多用多用少用少用全用多用2000多用多用多用少用全用全用2008有用没用全用少用全用全用

当前，我国原则上已不再推荐使用机械密封[3]，密封的使用主要以泡沫密封等软式密封为主，以及少量的充液管式密封。

泡沫软密封全称为“弹性泡沫塑料软密封”[4]，结构主要由橡胶袋、泡沫塑料、支撑板等组成，见图3。橡胶袋是由厚度约为1.5 mm的耐油丁腈橡胶制成，与罐壁接触的部位有高度3 mm左右的锯齿，能起到一定的挂蜡作用。弹性海绵的材质为聚氨酯泡沫塑料，目前密封所用的是硬度等级为120N的硬质海绵。

泡沫软密封的优点在于：①在浮盘边缘间隙变化不大的情况下，泡沫软密封能与罐壁更好地进行贴合，相比机械密封具有更好的密封性；②密封结构内部金属构件少，基本消除了发生雷击闪爆事故的可能。

图3 泡沫一次密封结构示意

2.1.2二次密封

二次密封主要由密封刮板、压板、油气隔膜等构件组成，见图4，其底端与一次密封的顶端一同固定在浮盘边缘板顶部的位置。二次密封顶端固定有密封刮板，刮板受到压板的弹性支撑作用紧贴在罐壁上。压板下方安装有油气隔膜，当一次密封有泄漏时，二次密封油气隔膜将泄漏的油气阻挡在压板下方，进一步阻止了油气的泄漏。

图4 二次密封装置结构示意

二次密封的区别主要体现在密封刮板结构的不同。按照结构的不同，密封刮板可分为L型、I型和T型3种结构，见图5。

图5 密封刮板类型

I型结构由于橡胶刮板的紧固螺栓与罐壁之间距离较近，雷击时可能发生放电，目前已不再使用；L型是当前使用最广泛的一种结构；T型结构完全杜绝了固定螺栓与罐壁发生间隙放电的可能，作为一种新型结构，目前使用较少。

2.2 泡沫一次密封存在的问题

2.2.1结构方面问题

泡沫软密封结构方面的问题主要表现在以下两个方面。

a)一、二次密封之间油气空间大且油气浓度超标。当前使用的三芯泡沫软密封与二次密封之间形成了较大的油气空间(见图3)，一次密封不严以及罐壁挂油导致密封内部油气浓度超标已经变成一种常态，巨大的危险源成为油库管理者不可忽视的因素。在“安全”大于“环保”的压力之下，操作人员通常采取某些非常规手段来降低一二次密封内部的油气浓度也成为了一种“必要”。

b)泡沫软密封自身固有的补偿性较差。按照规范要求，一次密封应能够满足浮盘边缘间隙250±100 mm的变化要求[3，4]。而实际检查发现，泡沫软密封很难满足这一要求。另外，当前我国很多油罐建在沿海填海造地的基础上，基础沉降导致浮盘边缘间隙尺寸超过400 mm也不在少数，严重的已达480 mm。

2.2.2材料方面问题

泡沫塑料密封的使用材料主要为橡胶袋和弹性海绵，材料的问题主要表现为聚氨酯泡沫的塑性变形和老化。

a)橡胶袋问题。橡胶材料在油品中的抗老化性能、抗拉性能以及耐低温性能在使用周期内基本都能满足相关要求，但是在实际使用过程中，橡胶袋能否保持完好主要与两个因素有关：①对罐壁的尖锐凸起物比较敏感，在浮盘运行过程中容易致使其破损；②当浮盘上升时，密封的橡胶袋会向下翻转。此时若浮盘边缘间隙过小，会发生橡胶袋被浮盘下限位板过度挤压导致撕裂。

在使用寿命方面，规范要求橡胶袋的使用寿命不应低于15年[4]，但通常情况下大多数企业在一个清罐周期之后都会更换新的密封。

b)弹性海绵问题。泡沫软密封其中一个特点就是在使用初期阶段密封效果好，但是随着时间的推移，以及受罐壁变形、浮盘漂移等因素的影响，海绵会逐渐发生老化，密封性会变得越来越差。

2.3 二次密封存在的问题

2.3.1压板发生塑性变形

较小的边缘间隙环境会导致二次密封压板过度挤压，从而产生塑性变形。当浮盘恢复到“原位”后，二次密封就会脱离罐壁(见图6)，导致二次密封失效。

图6 压板发生塑性变形

2.3.2密封刮板老化

储罐在长期运行过程当中，受光照以及高温的作用，橡胶刮板产生老化(光中的紫外线会对橡胶起破坏作用)。严重时，橡胶刮板呈现出波浪状(见图7)，导致密封刮板与罐壁间难以保持紧密贴合。

图7 密封刮板老化发生褶皱变形

2.3.3密封刮板的固定螺栓与罐壁之间发生间隙放电

用于固定I形橡胶刮板的螺栓与罐壁呈垂直状态，由于螺栓末端与罐壁距离太近，储罐遭受雷击之后，螺栓与罐壁之间有发生间隙放电的可能。

2.3.4导电片产生间隙放电

经实验发现，即使导静电片与罐壁接触良好(见图8)，储罐遭受雷击时，相互间仍有发生放电的可能。导致这种现象发生的原因，可能是罐壁凝蜡在导电片与罐壁形成了绝缘隔膜，导致雷击时浮盘上的雷电流泄放不畅。

图8 包裹式安装导静电片

3 措施和建议

针对泡沫软密封当前的使用现状和存在的问题，提出了如下几点改进措施和建议。

3.1 优化密封结构，减小一、二次密封之间的油气空间

即使在泡沫软密封严密的情况下，由于罐壁挂油以及二次密封的作用，仍会导致密封内部油气集聚。因此，要消除密封内部油气空间，可通过挤压或占用空间的方法来达到减小油气空间的目的。如①内部加装填充海绵；②内部加装气囊；③加装橡胶包带等。

3.2 严把油罐基础施工质量

若要从本质上提升浮盘边缘密封的性能，更重要的是要控制储罐罐壁的变形量，而罐基础发生不均匀沉降是导致罐壁变形的最根本原因。

随着我国经济快速发展导致对原油需求大幅增加，油库建设的冒进使油库的施工质量无法得到很好的保证。如，某沿海新建油库运行不到一年，基础沉降导致的罐体过度变形致使浮盘无法正常运行，类似的案例不在少数。因此，严格把关储罐基础施工质量，特别是建造在填海造地上的油库。

3.3 严格控制储油液位

储罐罐壁的变形程度是由下至上逐渐增大的，当边缘间隙的尺寸超过密封运行极限范围之后，密封会失效。因此，油库应定期对罐体的变形进行评估，当径向变形超过规范要求的允许偏差时，应将储油液位降到安全高度[4]。

3.4 使用非软式密封

除我国和日本之外，国外其他大部分地区原油罐使用的一次密封结构仍以机械密封为主。日本使用的密封结构主要为一种全尺寸泡沫软式密封，究其原因，主要是因为日本属于地震频发国，而软式密封的可变性好，地震时能够有效防止浮盘对罐壁产生的激烈冲击，可靠性高[6]。另外，英国石油储罐相关的规范也明确说明软式密封主要应用于地震多发区。

我国大量使用泡沫软密封，起初主要考虑的是安全问题。但是随着环保问题的日益突出，如何提高浮盘密封的密封性能、减少储罐VOCs排放量成为当前亟待解决的问题。而三芯泡沫软密封很难满足这一要求，因此开发使用大变量的密封结构，成为当务之急。

我国密封的设计是按照满足公式(1)进行设计，欧美地区通常执行公式(2)：

L∈R(-X/+X)

(1)

L∈R(-X/+3X)

(2)

式中：L——密封补偿应达到的尺寸，mm；

R——浮盘边缘间隙设计尺寸(我国通常为200～300)，mm；

X——密封变形量(我国要求为100)，mm。

可以看出，我国的设计要求明显低于欧美地区的标准。而软式密封由于其自身结构和材料的局限性，在大幅度提高变形量方面很难再有大的改进。因此，要实现R(-X/+3X)的设计要求，只能通过以下几种途径实现。

a)优化剪刀式机械密封结构，从消除结构内部油气浓度方面入手，来解决雷击闪爆的问题。

b)研发、引进使用新型密封结构，如德国WIL公司开发的一种叫SealMaster的机械密封(见图9)，该密封已经在欧洲地区大面积使用，以及日本大量使用的全尺寸泡沫密封。