储罐异常压力紧急平衡装置设计

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(东北石油大学 机械科学与工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

当今世界石油石化行业飞速发展，油气资源日渐枯竭，各国都在加强油气战略储备，需要的储罐数量和体积不断增长，促进了大型、综合性储罐的建设和发展[1-3]。大型储油罐在使用过程中，存在两种主要安全隐患[4]，一是储存的原油及石油产品挥发产生大量的可燃气体，与空气形成易燃、易爆混合气体，容易在闪电或油液振荡摩擦等条件下意外闪燃，导致储罐内部压力瞬间升高，引发储罐爆炸[5]。二是在储罐放油的过程中，由于油品泄放速度过快以及储罐内部的封闭环境，在储罐内部形成瞬时负压，导致罐体被压瘪[6]。

常规泄压装置用于这两种情况时，不能及时地将罐内压力恢复到正常值，不仅会导致储罐结构破坏，还有可能在整个罐区引发多米诺效应，造成人员伤亡和重大财产损失[7]。为此，设计了一种储罐异常压力紧急平衡装置。

1 常规泄压装置应用中存在问题

目前应用最为广泛的储罐压力平衡装置主要是呼吸阀和爆破片[8-10]。这两类压力平衡装置应用于大型储罐时也发现了一些问题。

呼吸阀的缺点主要是，①通风量小，结构复杂,不能满足快速泄压的要求，因此会导致罐中的压力积聚，致使储罐罐顶脱落或损坏。②呼吸阀容易卡死、漏气、粘住、堵塞及正负常开[11]。

爆破片的缺点主要是，①一般安置在罐顶，泄压面积大，能实现对压力的快速泄放，但其在被扭曲和破坏之后，将无法正常关闭，从而导致储罐内空气进入，可燃气体继续燃烧，造成进一步的经济损失[12]。②对于易燃、有毒介质，因大量泄放所造成的危害性也较大。③爆破片被破坏后必须进行更换，浪费较大人力、物力。

2 压力平衡装置总体设计[13-15]

储罐异常压力紧急平衡装置结构见图1，由超压单元与负压单元两部分组成。超压单元和负压单元分别安置在储罐罐顶中央和罐顶四周。两部分互不干扰，又能相互补偿，是一个有机的整体，通过两者的协调作用，弥补了各自的缺陷，更加合理地利用罐顶空间。

1.超压单元 2.储罐罐顶 3.负压单元图1 储罐异常压力紧急平衡装置总体设计结构

当储罐内部突发异常超压状况时，罐内迅速膨胀的气体会对储罐壳体施加向外的巨大压力。此时，超压单元在内外压差的作用下实现向外开启，而负压单元则保持封闭状态，高压气体可以通过罐顶中心位置快速泄放，当储罐内外的压差恢复到某一设定值后，超压单元自动关闭。

当储罐面临内部装置紧急负压时，负压单元在内外压力的作用下迅速向储罐内侧开启，而超压单元则保持封闭，外界的空气通过罐顶四周装置通道迅速涌入，实现储罐内外压力的迅速平衡。

3 超压单元结构设计

3.1 结构组成

对超压单元，以实现罐内正压的紧急泄放为目标进行设计，其安装在罐顶中央位置，主要包括外框、上阀盖、中心杆和支座等构件，结构见图2。外框架(超)采用焊接方式固定在罐顶。阀盖在压缩弹簧的作用下紧贴在框架上。中心杆能在支座中上下滑动，可实现压力的紧急泄压，保证储罐结构的安全。

图2 储罐异常压力紧急平衡装置超压单元结构示图

图2中限位凸起与限位滑道构成限位结构，中心柱、支座外壳、压缩弹簧、挡板、固定螺栓、支座构成弹簧泄放机构。图3为储罐异常压力紧急平衡装置超压单元俯视图，其中①、②、③、④为限位机构，具有限制阀盖开启度的功能，保障装置的安全性。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为弹簧泄放机构，均匀地安放在外框架(超)上。

图3 储罐异常压力紧急平衡装置超压单元结构俯视图

限位结构与弹簧泄放机构各有4套，分别均布在阀盖上和外框架上。限位机构用于控制阀盖的开启程度，弹簧泄放机构可实现储罐的封闭。

3.2 工作原理[16]

装置超压单元针对罐内压力急剧增加的异常工况设计。工作时，阀盖正常状态为常闭。当储罐内爆炸性混合气体由于意外原因被点燃，压力瞬间增高时，原本紧密贴合外框架(超)的阀盖在内外压力差的作用下向外开启。挡板带动中心柱在支座外壳内压缩弹簧，致使阀门打开，实现对储罐内部压力的紧急释放。当储罐内外的压力恢复到正常值后，阀盖又会受到弹簧力返回到初始位置，以实现机构的自动关闭，保证储罐的封闭性。

4 负压单元结构设计

4.1 结构组成

对负压单元，以实现罐内负压的紧急补偿为目标进行设计，其均匀安装在罐顶四周，由外框架(负)、滑道、压缩弹簧、阀盖及支撑杆等组合而成，见图4。

图4 储罐异常压力紧急平衡装置负压单元结构示图

外框架(负)焊接在罐顶，滑道连接在管壁角钢上。滑道与管壁角钢之间增加2个固定块，固定块直接焊接在管壁角钢上。固定块的使用为滑道与罐壁之间的连接和固定提供了更大的接触面积。紧固钢丝绳两端分别与罐顶和滑道相连，形成倒三角结构，可防止滑道上下摆动。固定架包括2个固定杆，固定杆交叉分布，其两端与两侧滑道水平焊接，可防止滑道左右摆动。为了进一步增强固定架的稳定性，固定杆的交叉连接采用榫卯结构[17]。支撑杆呈平行四边形结构，以铰链相连接，能够伸展和压缩，可有效地完成装置的开启和关闭。支撑杆一端通过滑块与滑杆相连，另一端连接阀盖。阀盖上有密封圈，用于保证储罐的密闭性。在滑道内，滑杆套有压缩弹簧与滑块，保证装置实现自动开合。

4.2 工作原理

负压单元针对罐内压力急剧降低的异常工况设计[18]。工作时，阀盖正常状态为常闭。当储罐出现内部紧急负压时，内外压差使阀盖向内开启，滑块随阀盖的运动在滑道内向后滑动，同时压缩弹簧。此时装置打开，储罐外部的空气迅速补偿罐内的压力。当储罐内外的压力恢复到正常值后，阀盖在弹簧的作用下回到初始位置，以实现自动关闭，保证储罐的封闭性[19]。

5 结语

针对储罐的两种紧急异常压力状况，设计了储罐异常压力紧急平衡装置。该装置能够做出及时、有效的反应，可保证罐体结构不被破坏。该装置能够实现自动闭合，使储罐重新恢复封闭环境，可减少事故造成的经济损失。该装置结构简单，易于装拆，使用灵活，造价低廉，可根据储罐直径及其容量的大小选择适宜的装置数量。