王学刚，陈军，席长宁，安引军

（中油股份独山子石化分公司炼油厂，新疆 独山子 833699）

近年来，随着环保要求的提高，相关部门陆续出台并执行了《石油炼制工业污染物排放标准》GB31570-2015、《石油化学工业污染物排放标准》GB31571-2015 等环保标准，对三苯等介质储罐有明确的排放要求。浮筒式铝浮盘在储罐减排效果、液面安全接触方面与蜂窝浮盘存在较大的差距，2012 年，国内引入第一台蜂窝浮盘后，该类型浮盘得到了推广，但因其技术发展时间短，未形成行业标准，浮盘设计、制造无标准，安装缺乏过程质量控制，个别地区出现了沉盘、卡盘等故障，本文对该类浮盘进行故障原因分析，并总结提出改进建议。

1 蜂窝浮盘的发展历程

1923 年，第一座平盘式钢浮盘诞生于美国。50 年代中期，组装式浮盘诞生。1982 年，我国从原西德引进了井字形铝制内浮盘。1995 年，美国发明并应用了第一代三明治夹板胶粘式蜂窝浮盘。2008 年，台湾发明了第二代全接液承盘式胶粘蜂窝浮盘，2012 年，国内从台湾引进了全接液承盘式胶粘蜂窝浮盘。2018 年，国内首台钎焊式蜂窝浮盘技术得到了应用。

2 蜂窝浮盘的结构

蜂窝板是蜂窝浮盘的浮力元件，整体技术借鉴了蜂窝板在航空航天、列车、船舶上的应用，即在同等体积下蜂窝板结构强度大、重量轻、平整度高的特点，满足了浮力元件的要求。蜂窝板本身的制造技术经历了三明治夹板式、承盘胶粘式、钎焊全焊接的发展历程。目前，国内蜂窝浮盘主要采用了承盘胶粘式蜂窝板。蜂窝浮盘的主要结构件有蜂窝板、连接梁、支撑腿、封边挡板、封圈挡板、封圈囊带及海棉、封圈刮板、人孔井与梯子、量油孔井、防旋锁、导静电线等。其蜂窝芯与上下面板，上面板与侧壁板间均采用粘胶固定，蜂窝板与梁采用自攻螺丝钻孔固定。

API650《钢制焊接储罐》规范附录H 内浮顶部分对蜂窝浮盘的结构说明如下，“金属复合板内浮顶，由金属板舱组成浮舱，板舱包括一个蜂窝状的心部，但是由于检查和设计浮力要求，板舱内的封闭单元不认为是舱，这类浮顶和液面完全接触，一般由铝合金制造”。蜂窝浮盘与浮箱式浮盘的主要区别在于内部蜂窝芯结构，蜂窝芯起到支撑、加强蜂窝板强度的作用。

图1

早期，承盘胶粘式蜂窝浮盘的设计师认为，即使蜂窝板穿刺或边缘角焊缝开裂，因其蜂窝芯相对独立，且选用了与油液不反应的粘胶剂，液体不会从进液的蜂窝芯扩散到其他蜂窝芯。但在长期实际使用过程中，发现蜂窝板进液后，油品长期浸泡粘胶剂会导致其浸润发涨与蜂窝芯脱开，最终导致浮力元件失效。

图2

3 蜂窝板制造技术

蜂窝板作为浮盘的浮力元件，是其核心技术。三明治夹板式蜂窝板早已淘汰，下面就目前使用的承盘胶粘式蜂窝板和钎焊式蜂窝板制造技术说明并对比。

承盘胶粘式蜂窝板的关键技术为胶粘剂的选择。该工艺最初采用环氧树脂类双组分反应型固化胶粘剂，特点是对铝材附着力好、耐高温、潮气影响小，缺点是胶膜脆，剥离强度不高，长期震动后蜂窝芯容易脱离。目前，胶粘式蜂窝板升级采用热塑性胶膜连续复合工艺，黏结强度是前者的2 ～3 倍左右。钎焊蜂窝板工艺则将材料加热到适当温度，应用钎料使材料产生结合，钎料的液相线高于450℃、但低于基体金属的固相线温度，钎料依靠毛细吸引作用流布于接头的紧密配合面之间，形成冶金结合，接头的力学性能远优于胶黏结头，缺点则是制造成本较高。

4 全接液蜂窝浮盘典型故障及原因分析

浮盘在罐内油面上漂浮，随油品收发而动态升降，其边缘密封与罐壁板摩擦并受不同方向罐壁的反作用力，这部分反作用力又因罐壁变形程度、收发油速度快慢等因素而发生变化，因此，浮盘本身始终受到各方向罐壁的交变挤压作用力，设计结构是否合理，制造工艺是否科学，将直接影响浮盘的使用寿命。

下面对全接液蜂窝浮盘的典型故障逐一分析。

4.1 罐壁或垂直刚性件变形引起的卡盘、沉船

部分储罐建设年代久远，长期使用过程中, 罐壁板的圆度、垂直度，雷达导波管等内部垂直刚性件的垂直度会发生缓慢形变,安装浮盘前如未进行尺寸确认，将挤压卡盘，当浮盘所受浮力不能克服其上升阻力时，油品由囊式密封及中央通气阀上窜至浮盘上引发沉船。

4.2 浮力元件制造质量差引起的沉盘

国内第一台承盘胶粘式蜂窝浮盘已使用7 年，但近年部分浮盘2 ～3 年即出现故障，在浮盘设计未发生变化的情况下，其重要原因为浮力元件制造质量差。蜂窝芯的胶粘工序未对板材基层处理、胶粘剂性能差或固化时间不足，均导致夹层蜂窝芯剥离强度降低。蜂窝板长期受到交变应力作用后，蜂窝芯与面板剥离，应力直接传递至角焊缝处。角焊缝处于长期浸液状态，如存在砂眼、未焊透或未熔合等缺陷，长期受力将开裂导致进液，进液又进一步致使粘胶剂浸润发泡产生剥离，二者相互作用影响。

4.3 浮盘设计不当导致结构缺陷

（1）未按规范要求考虑摩擦力。一般的蜂窝浮盘的浮力计算如下：实际浮盘浮力=浮盘高度×浮盘面积×浮盘比重。API 650 中明确浮盘设计满足浮力大于内浮顶总重的两倍和浮顶上升时产生的摩擦力之和的要求。因摩擦力为经验值，部分厂家在浮力计算书中忽略摩擦力计算，仅以浮盘自重为基数进行浮力符合性计算。《石油化工储罐用装配式内浮顶工程技术规范》SH/T3194-2017 中对浮盘摩擦力计算要求如下，不同的密封结构形式及不同的材料、厚度摩擦系数不尽相同，通常需要试验确定，其系数取值不宜小于0.2。以囊式+二次舌式刮板密封装置为例，其浮盘边缘板距罐壁间隙一般控制为180mm，沿用了浮筒式铝浮盘的经验值。但浮筒式铝浮盘密封一般采用梯形海绵，而蜂窝浮盘采用八角式海绵，其外形尺寸、材料压缩比均不同。蜂窝浮盘为控制VOC 气体挥发，边缘密封受摩擦力远大于浮筒式浮盘，直接影响浮力设计，见图3。

图3

（2）浮盘设计未考虑潜在进液点。承盘胶粘式蜂窝板，上面板与侧壁板间采用粘胶方式固定，蜂窝板与梁之间使用自攻螺丝钻孔固定，存在潜在的泄漏点。储罐在日常运行中，挥发的油品冷凝后集聚在蜂窝板上，可能沿着自攻螺丝缝隙进入蜂窝箱内部，破坏蜂窝芯黏结强度。

（3）浮盘密封选择不当。部分浮盘设计未考虑介质腐蚀性，具有腐蚀性的介质未选用氟橡胶等抗腐蚀材质。对于高温热油储罐，囊式密封明显不适用，应选双舌型或一次压板式弹性密封。

（4）未考虑检修拆卸方便，使用自攻螺丝或铆钉固定蜂窝板与梁。一是增加泄漏点，自攻螺丝在蜂窝板上面板钻孔，油气冷凝集聚在浮盘上，从缝隙进入蜂窝板；二是局部板故障漏液后，无法做到不动火拆卸，增大了浮盘检修的安全风险。图4 为改进设计，采用M8 螺栓连接。

图4

（5）粘胶剂选择未考虑适用温度。储罐检修需用低压蒸汽蒸煮，要求浮盘及配套边缘密封、粘接剂等适用温度范围至少满足80℃以上，且满足蒸汽连续吹扫48 小时无损伤、老化、变形。

4.4 安装质量引起的浮盘故障

浮盘试浮或投用初期发生的沉船大多是由于浮盘防旋钢丝绳或导向管垂直度偏差超标等原因造成。需要提出的是要重视到货材料的验收、安装过程质量控制。蜂窝板到货后，首先要组织现场逐块板检查，面板有无鼓包（蜂窝芯剥离），有无达到木材1/2 深度的划痕损伤等。安装前，厂家需对储罐内壁变形情况进行测绘，必要时调整浮盘边缘件尺寸。安装过程中，对过程控制参数，如边缘密封间隙等设置停检点或旁站检查，试浮验收中，要对性能参数逐项检查验证。

5 蜂窝浮盘改进建议

5.1 优化浮盘设计

（1）浮盘制造前厂家应将浮盘浮力计算书、开口方位图、总装配图、主要部件结构图等，交付设计院或业主审核。

（2）建议浮盘制造厂家建立模拟储罐或水槽，进行蜂窝板产品定型前浮力单元模拟失效测试及摩擦力测试，合理设计边缘密封间隙值，满足API 650 中关于浮力单元的要求，任意两个浮力单元或内浮顶丧失15%浮力后，内浮顶应仍能漂浮在液面上且不产生附加危害。

（3）承盘胶粘式蜂窝浮盘优化设计、改进为箱体全焊接结构，消除潜在进液点。

（4）优化蜂窝板角焊缝结构，内部增加槽钢等辅助筋板，焊缝由纵向线型结构变为便于焊接、强度更大的面型结构。

（5）所有可移动盖板均应与浮盘固定部分采取可靠电气连接，避免静电集聚。

5.2 加强制造过程质量控制

蜂窝板属夹层架构，性能验收应严格执行《夹层架构滚筒剥离强度试验方法》GB/T 1457-2005、《夹层结构弯曲性能试验方法》GB/T 1456-2005 等规范，必要时要求第三方检验机构进行抽样检测。现场到货后，及时组织逐块外观检测，发现爆板情况，立即更换。钎焊蜂窝板应做出厂前钎焊成型超声检测。所有蜂窝板应做浸水试验，确认角焊缝焊接质量。

5.3 提高浮盘安装质量管控

（1）安装前必须对储罐测绘，重点检查罐壁圆度、垂直度，罐内垂直刚性件（如雷达导波管等）的垂直偏差，根据储罐壁板变形情况，加工边缘围板，做到一罐一安装方案。

（2）设置施工质量控制点，明确关键工序、见证点、停检点，加强过程质量控制。

6 结语

全接液蜂窝浮盘是石化行业的新技术，处于不断完善和发展的过程，目前无相关规范指导，市场产品良莠不齐、故障频发，本文从设计、制造、安装等多方面分析了故障原因，并提出了相应的改进建议，只有从源头环节改进缺陷，加强制造质量管控，才能提高浮盘的可靠性及使用寿命。

表1 全接液蜂窝浮盘安装检查验收记录表