全尺寸补偿膜法密封在外浮顶石脑油罐的应用

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(1.中国石油天然气股份有限公司 大连石化公司， 辽宁 大连 116011；2.中国石油天然气集团安全环保技术研究院， 北京 102206；3.北京三益能环工程技术有限公司， 北京 100086)

随着储油罐和油库规模的大型化，为保证储罐的严密性和浮顶的灵活性，需要设置浮顶密封系统。浮顶储罐的密封系统是大型储罐安全运行最薄弱的环节[1]，目前国内采用的外浮顶储罐密封主要有一次密封和二次密封。可靠的浮顶密封装置能有效防止储罐内油气蒸发，降低浮顶上的油气含量，减少油气泄漏损耗，保证油品质量，避免雷击起火的可能性和环境污染，从而确保储罐的安全储运和清洁生产。GB 31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》[2]中对挥发性有机化合物(VOCs)的排放要求进一步提高，大幅减少油品在储运环节中的挥发损耗，实现VOCs达标排放成为当务之急。文中分析了外浮顶储罐密封技术现状，以中国石油大连石化公司G650石脑油罐为例，介绍了欧洲普遍使用的全尺寸补偿膜法密封技术在其上的应用效果。

1 外浮顶储罐密封技术现状

1.1 一次密封结构及特性

1.1.1机械鞋型密封

机械鞋型密封是金属滑板在压紧装置作用下紧贴罐壁，通过金属滑板与罐壁滑动接触，滑板部分镶嵌于油面下。金属滑板随浮顶外缘环板的升降而沿罐壁滑行，在金属滑板上端与浮顶外缘环板间装有涂有耐油橡胶的纤维织物，使浮顶外缘环板与密封板间的环形气相空间与大气隔绝，实现浮盘密封。目前国内外浮盘密封结构形式多样，但没有大型储罐浮盘密封设计、制造和安装验收的统一标准[3]。

机械鞋型密封的局限性：①补偿储罐变形范围小，当油罐变形超过±130 mm时，机械密封的金属滑板与罐壁会产生间隙，造成油气泄漏。②容易产生放电且易损坏。在使用过程中，发现机械密封底部安装的刮蜡器效果差，结构松散，对环形间隙变化的适应性差，造成金属滑板与罐壁间隙大，产生密封不严等缺陷[4]。从现场调研情况看，机械密封容易出现密封不严、密封靴板与罐壁间隙大等现象[5]。机械密封对罐的不圆度、局部凹凸度都比较敏感，罐壁的这些缺陷均会降低密封效果[6]。

1.1.2囊式弹性填充式密封

囊式弹性填充式密封是由密封包袋填充物海绵或填充液等材料，将密封包袋安装在浮顶与罐壁间隙中，橡胶弹性纤维密封袋与罐壁滑动接触。当浮顶与罐壁间隙发生变化时，通过弹性材料的压缩与舒张来补偿浮顶与罐壁间隙的变化，在密封包袋、浮盘、罐壁与油面之间会形成油气空间，通过密封包袋实现浮盘与罐壁的密封。同时保证浮顶在储罐内升降自如而不被卡住，从而达到减少油气蒸发损耗的目的。

在囊式弹性密封使用过程中，部分浮顶储油罐密封泄漏问题较为严重，出现了密封包袋多处破损、进油和罐壁局部密封不严的现象，浮盘与罐壁之间的环向空间间隙大小不均匀，间隙常超出了规定的±100 mm的间隙补偿能力。在间隙尺寸较小处，一次软密封局部受到重挤压，致使密封包袋受到密封托板与罐壁的剪切，出现包袋破损、进油现象。在间隙较大处，密封不能完全覆盖油面，起不到密封作用，造成油气损耗增大，又易引起火灾爆炸等事故。

1.2 二次密封结构及特性

浮顶储罐二次密封是在一次密封上部增加的一套密封装置，能覆盖整个边缘气相空间，主要用来挡雨和风沙，同时有效减少油气损失。目前浮顶储罐的二次密封装置是在浮顶储罐原有一次密封的上方沿罐壁安装一圈带沟槽状的橡胶密封刮板，橡胶密封刮板的底端连接在承压板上，沿罐壁与浮船之间的环状间隙搭接排列，其下端与浮船的边缘板通过螺栓相连接。承压板迫使橡胶密封刮板紧压在罐壁上，承压板的整个内侧覆盖一层防蒸发隔膜，防蒸发隔膜的两边分别卷入橡胶密封刮板上的Z型压板和浮盘边缘板中，与橡胶密封刮板及一次密封共同组成环状密封空间。

轻质油储罐长期运行后，罐壁和浮盘会发生变形，导致罐壁与浮盘之间的环形空间距离发生变化。在距离变大的部位，橡胶密封刮板不能紧压在罐壁上，失去密封作用。而在距离变小的部位，橡胶密封刮板过紧地压在罐壁上，使浮盘上升时摩擦阻力增大。当摩擦阻力超过承压板极限时，承压板发生塑性变形而失去弹性，导致二次密封失效[10]。

1.3 密封失效原因

浮顶储罐密封圈失效引发的火灾频率较高，原因主要是密封不严，密封脱离罐壁，油面暴露，引起油气体积分数偏高。从大型浮顶储罐运行情况看，由于储罐的直径和高度尺寸均较大，罐壁难以保持绝对的圆度和垂直度。在浮盘升降过程中，受油面波动和外界风力等因素影响，浮盘在油面上存在一定程度的漂移，导致浮盘与罐壁的间距随浮盘的升降而不断变化。密封圈服役一段时间后，二次密封的密封刮板会出现不同程度的变形，严重老化的橡胶刮板甚至呈现波浪状，导致密封刮板难以与罐壁保持紧密贴合。另外，机械密封密封不严、密封鞋板与罐壁间隙大以及软密封橡胶包袋内的填充物弹性降低，会导致软密封与罐壁存在多处间隙，有的缝隙宽度超过100 mm[11]。

可以看出，现有密封的工作补偿范围有限，当密封补偿能力不足以弥补以上情况造成的油罐变形和浮盘偏移时，会使密封脱离罐壁，易造成一、二次密封之间存在大量的有机挥发气体，当其处于爆炸极限范围内时，遇到火源则会发生爆炸着火事故。

2 全尺寸补偿膜法密封技术原理及应用

2.1 全尺寸补偿膜法密封技术原理

全尺寸补偿膜法密封包括一次密封和二次密封，见图1。

图1 全尺寸补偿膜法一、二次密封示图

一次密封是利用镶嵌式密封原理，根据储罐的变形情况，采用不同宽度、不同厚度和不同长度的弹性钢板搭接而成的弹性密封钢板结构。弹性钢板一端连接浮盘边缘，弯曲后紧贴罐壁向下插入油品液面325 mm以下。为保证良好的密封性能，在弹性钢板的内侧覆以环形PTFE复合膜，将浮盘与罐壁间气环密闭，形成静密封结构，无气体泄漏，密封弹性钢板与罐壁紧密贴合，确保液相无暴露[12]。二次密封则是通过弹力臂确保二次密封顶端密封条与罐壁紧密贴合，二次密封采用耐紫外辐射的高分子保护膜，起到密封、挡雨和挡风沙的作用。

全尺寸补偿膜法密封的工作补偿范围大，一般工作补偿范围为-100～300 mm，根据每台储罐不同的变形情况以及地基情况，通过专用软件进行模拟计算，可确保一、二次密封具有足够的补偿能力，使得浮盘边缘密封与罐壁始终保持全接触。

2.2 全尺寸补偿膜法密封应用状况

大连石化公司于2016-06对储运车间的G650外浮顶石脑油罐进行了浮盘边缘密封改造，将原有的囊式海绵密封和二次密封拆除，更换为全尺寸补偿膜法一、二次密封，改造完成后进行了浮盘升降试验。在浮盘升降试验时，对一次密封与浮盘形成的气环空间进行了气密检测，在石脑油罐进水至浮盘支腿离地时，向气环内充压至0.35 kPa，保压30 min，压力未下降即满足气密要求。为能及时准确检测到一、二次密封中间的气体体积分数，安装二次密封时选取具有代表性的2个位置安装了采样口，一个在石脑油罐内最北靠近浮盘13#人孔，太阳照射得到的位置(位置A)；另一个在石脑油罐最南端靠近浮盘6#人孔，太阳照射不到的位置(位置B)。浮顶石脑油罐浮顶边缘的一、二次密封处是造成火灾的部位之一，减少油气达到燃烧、爆炸极限，消除密封间产生火花的条件是避免油罐雷击火灾的重要措施。因此，在浮顶油罐运行中检测一、二次密封油气存留体积分数是一项重要的工作。

2016-08全尺寸补偿膜法密封投用后，大连石化公司质检中心和储运车间对G650外浮顶石脑油罐一、二次密封之间烃的体积分数进行了跟踪检测，部分数据见表1。

2016-08-23大连石化公司质检中心对一次密封与浮盘形成的气环空间液位3.188 m处进行了分析，测得气体温度28 ℃、烃体积分数66.89%、氧体积分数5.07%、氮体积分数25.1%。此时烃的体积分数值为油气的饱和体积分数，远高出石脑油气爆炸上限8%，此气环空间为安全空间。

表1 全尺寸补偿膜法应用后G650罐一、二次密封间烃体积分数

中国石油安全环保技术研究院大连分院曾于2016-04-28对G650石脑油罐改造前进行过VOCs排放摸底检测，检测依据为HJ 733—2014《泄漏和敞开液面排放的挥发性有机物检测技术导则》[13]和泄漏检测与修复(LDAR)技术。

检测时选择了均匀分布的8个点，采样探头靠近挡雨板。在风速小于1.5 m/s、液位6.1 m，逸散排放相对稳定的情况下对各采样点进行检测。每个点位检测时间3 min，记录3 min内仪器最大读数，具体检测数据见表2。

表2 G650石脑油罐改造前后二次密封LDAR技术VOCs排放检测数据 μmol/mol

全尺寸补偿膜法密封装置投用后，委托辽宁鼎昇环境检测有限公司于2016-10-21对G650石脑油罐的VOCs排放进行了全面检测，检测依据为文献[13]、GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》[14]，同时借鉴DB11_447—2007《炼油与石油化学工业大气污染物排放标准》[15]，沿着二次密封周边选取了8个均布检测点，在风速0.7 m/s、液位10.1 m时进行检测并记录，检测结果见表2。

3 全尺寸补偿膜法密封技术应用效果

3.1 数据分析

由表1可见，石脑油罐投用初期一、二次密封间气体烃体积分数较高，随着石脑油罐的运行，烃体积分数逐步降低，到后来一直稳定在0.1%左右。笔者认为，出现这种情况的原因是由于在浮盘投用初期，一次密封的弹性钢板与罐壁紧密贴合需要一个过程，浮盘上下运行时，弹性钢板与罐壁相互摩擦、挤压和碰撞，弹性钢板会自动调整位置进行自适应，与罐壁更好地贴合，所以会出现初期弹性钢板与罐壁贴合不紧密使得一、二次密封间介质烃体积分数较高的情况。经过初期磨合，弹性钢板与罐壁贴合良好后，烃体积分数就稳定在了0.1%左右，远低于石脑油气爆炸极限1.2%～8%(体积分数)，一、二次密封空间为安全空间，即使有点火源也不会发生爆炸着火等安全事故。

由表2可以看出，改造前二次密封LDAR技术VOCs泄漏最高检测值为13 000 μmol/mol，高于2 000 μmol/mol的泄漏标准限值[7]。改造后二次密封LDAR技术VOCs泄漏最高检测值为479 μmol/mol，远低于泄漏标准限值。二次密封效果好，除了自身与罐壁贴合紧密外，还得益于一次密封良好的密封效果。

3.2 安全性分析

3.2.1实现了浮盘与罐壁的等电位连接

基于API RP 545—2009《Recommended practice for lightning protection of aboveground storage tanks for flammable or combustible liquids》[16]的试验研究表明，导电片浸入油品液面以下0.3 m不会发生放电现象。胡海燕等人[17]认为目前浮顶储罐均设有刮蜡器，结构类似于液下导电片，一端安装在浮顶板下面，另一端刮板与罐壁紧密贴合，随浮顶升降上下移动，且满足浸入油品液面以下0.3 m不会产生火花放电的结构要求。因此，浮顶储罐的刮蜡器与浮顶进行可靠电气连接后完全可以替代现有导电片作为浮顶与罐壁之间的雷电流泄放通道，避免储罐二次密封放电发生，且便于检测和维护，更安全可靠。

石脑油罐正常运行时，全尺寸补偿膜法密封的弹性钢板插入油品中的最低点超过325 mm，弹性钢板沿罐壁一周连续排布，受自身弹力作用，弹性钢板时刻与罐壁保持面接触的贴合状态，接触面积超过44.6 m2。金属弹性钢板与罐壁紧密贴合可起到与导电片和刮蜡器相同的导电作用，弹性钢板的连续排布完全满足API中导电片间隔小于3 m的要求，不会发生打火放电现象。因此，全尺寸补偿膜法密封具有比API RP 545要求更高的安全性能。

3.2.2二次密封为低轮廓密封

常规二次密封高度通常高出浮盘的500 mm，全尺寸补偿膜法密封二次密封的高度仅高出浮盘300 mm，高度减小200 mm可使石脑油罐储量增加126 m3。同时低轮廓密封降低了二次密封高度，极大缩小了一、二次密封间的油气空间，即使一、二次密封间存在油气，可燃气体积也非常有限[10]。

相对普通囊式密封，因采用了弹性钢板的全尺寸补偿一次密封，故可提高一次密封承压能力，防止其被压力波破坏，避免发生大规模燃烧事故[18]。

4 结语

全尺寸补偿膜法密封在G650石脑油罐投用后，罐顶及罐周围几乎闻不到油气味，密封效果得到了有效改善。建议在全尺寸补偿膜法密封投用初期，短时间内进行多次收付油操作，使浮盘进行多次长行程升降，便于一次密封尽快度过磨合期，实现一次密封与罐壁的良好贴合，确保一、二次密封间油气体积分数低于爆炸极限，消除安全隐患。

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