内浮顶储罐浮盘的发展趋势及复合材料浮盘的应用前景

曹 琛 赵 邈 赵坤芳

〔河北澳科中意环保科技有限公司 河北衡水 053200〕

自上世纪20年代，美国Chicago Bridge & Iron Company展示了世界上第一个浮盘开始[1]，浮顶储罐就成为了存储易挥发性液体介质最为广泛的方法。在近百年的发展中，衍生出众多优秀的设计和技术改进，使浮顶储罐由最早的钢制浅盘式浮盘不断更新换代。

浮顶储罐的浮盘是一种复杂的综合结构，它必须被设计为始终漂浮在液面之上，一方面减少介质的蒸发损失，一方面在火灾等意外状况下对介质燃烧区域形成保护，还要考虑浮盘盘体本身的耐久性、安全性、介质兼容性、日常作业适应性等。

内浮顶储罐是最为典型的一个类型。由于固定顶结构的存在，使得内浮盘本身不需要考虑雨雪风霜的环境影响，对于排水、强度等因素的要求也显著地低于外浮顶储罐，因此诞生了轻型内浮顶设计，不仅可以像外浮顶储罐那样使用钢制焊接结构来制作浮盘，还可以采用其他的轻型材料，如铝合金、复合材料等。

1 我国内浮顶储罐浮盘的发展历程

我国内浮顶储罐的历史可追溯至上世纪70年代，由当时的北京石油设计院和东方红炼油厂等单位合作，在1978年3月将东方红炼油厂的一台3 000 m3汽油拱顶罐改造成为内浮顶储罐，采用浅盘式设计，由此诞生了我国的首台内浮顶储罐[2]。作为钢制焊接浮盘的开山鼻祖，浅盘式浮盘的安全性欠佳，一旦液体进入浮盘上部，就存在整盘倾覆的风险，因此在浅盘式浮盘的基础上又出现了若干变种，比如利用隔板将浅盘空间隔开，使得盘体上方某一区域的进液不至于扩散至全盘的敞口仓式浮盘。但是这类浮盘无法提供积极浮力的问题始终存在，因此很快就被具备完整浮仓结构的浮盘类型所取代，比如钢制焊接的单盘式、双盘式浮盘等。

尽管具备完整浮仓结构的钢制焊接浮盘在安全和环保性能方面没有问题，但由于内浮顶储罐的工况较为稳定，因此存在着强烈的使用轻型浮盘的客观需求，以期获得更高的储罐有效容积利用率，降低设备设施全生命周期的运营成本。

在这一诉求的驱动下，首先出现的是铝制浮筒式浮盘。20世纪80年代初，我国原石油部建设工程局从瑞士设在德国的一家公司引进了10台不同规格的铝制浮筒式浮盘[3]。在中石化的组织协调下，我国首台铝制浮筒式浮盘在上海炼油厂一台5 000 m3汽油罐中成功安装，由此拉开了我国使用铝制浮筒式浮盘的帷幕，随后应用于各个不同规格储罐中的铝制浮筒式浮盘大多都来自于最早引进浮盘的改进或变更。

由于各种原因，铝制浮筒式浮盘在我国的使用效果并不十分理想，主要问题表现为罐内气相空间蒸气浓度超标，进而带来一系列安全和环保方面的问题，因此出现了全接液式的浮盘结构。在我国应用的全接液式浮盘大致分为两种，其一是铝合金或不锈钢的材质，这种类型的浮盘依靠螺栓拼接的铝/不锈钢制箱式单元结构组成浮盘盘体；其二是复合材料材质，这种类型的浮盘通过玻璃纤维增强塑料的整体成型技术构成浮盘盘体。在我国现存的内浮顶储罐中，规模最大的浮盘是复合材料浮盘，该浮盘位于中海壳牌的内浮顶原油储罐中，直径为78 m，罐容积为10万m3[2]，共有5座相同规格的储罐，始建于2004年，至今使用时间已经超过16年。

2 我国内浮顶储罐的现状及需求

如果从安全和环保的视角来看，钢制焊接单盘式、双盘式浮盘是较优产品。一方面，钢制焊接浮盘具备全接液、无拼接缝的特点，能够较好地控制介质蒸发排放；另一方面，钢制焊接的盘体强度高，在耐火抗爆方面存在天然的优势，能够在事故中很好地保护介质液面，避免演变为全面积火灾。

但是，浮盘作为储罐的重要设施，并不能仅从安全和环保的角度来进行评价，还必须考虑生产运行的实际需求。由于钢制焊接浮盘需在罐内动火焊接，新建罐区问题不大，但旧罐改造时风险较高，困难重重；加之钢制焊接浮盘存在自重大、易卡盘、有效罐容占用高等缺点，无不对储罐的正常运营造成影响；碳钢本身容易被腐蚀，需要时常维护检修，后期运维费用投入较高。正是这些问题的存在，使得钢制焊接浮盘在我国的内浮顶储罐中应用数量并不多，实际使用中更多的是轻型浮盘，占比最高的是铝制浮筒式浮盘，这种浮盘是一种典型的非全接液式结构，由浮盘底部的浮筒结构提供浮力，浮筒与浮盘顶部平面之间存在油气空间。当存储易挥发的化工液体时，铝制浮筒式浮盘相对于无浮盘的固定顶储罐而言，在减少产品蒸发损失方面起到了很大的作用，但是由于其存在油气空间的结构，仍有相当量的产品蒸发损失，浮盘底部所聚集的高浓度高压力蒸气会持续地从浮盘的边缘密封处、浮盘甲板拼接处等位置排放至环境中。有数据表明，运行数年后的铝制浮筒式浮盘，其储罐上部气相空间中的介质蒸气浓度可达数万10-6数量级，不仅难以满足环保要求，而且甚至可能超过爆炸下限，带来安全方面的隐患[3]。

近年来，全接液式浮盘也有一定规模的实际应用，从数量上来看，铝制拼接式全接液浮盘更多。在铝制拼接式浮盘中，除了最边缘的一圈外，其余完整的液体表面完全被浮盘盘体所覆盖，几乎消除了所有的油气空间，因此相对存在油气空间的浮盘结构来说大幅减少了介质蒸发，但是，这种类型的盘体存在拼接结构，从而导致额外的介质蒸发损失。一项由美国API支持的研究表明，所有存在连接结构的接缝都为蒸气泄漏提供了通道，相对焊接等无缝整体结构，存在更多的产品蒸发损失[4]。一台直径36 m的铝制拼接式内浮顶储罐，在存储介质为汽油，每年周转24次的状况下，仅仅因为拼接结构所导致的额外蒸发损失(不含浮盘密封及其他附件处的蒸发损失)就可达3.8 t/a。

我国目前应用的浮盘中，钢制焊接浮盘在安全和环保方面较优，但在满足生产运行需求方面存在问题；而铝制轻型浮盘很好地满足了生产运行需求，但在安全和环保方面则有所欠缺。是否有一种既能像钢制焊接浮盘那样具备无缝结构，满足环保要求；又像其他轻型浮盘那样，满足生产运营需求的浮盘类型，能够同时兼具安全、环保和生产运营的需求，结合全球范围内浮顶储罐发展的历程来看，复合材料浮盘是一个较好的选择。

3 复合材料浮盘应用的客观原因

由玻璃纤维增强塑料材质制作的复合材料浮盘，从其诞生就具备了钢制焊接浮盘的若干优势，如其盘体全接液，且整体无拼接缝，相对拼接式浮盘能够更好地控制介质蒸发排放；其材料的强度是钢材的7倍，配合成型工艺能够具备较高的强度和韧性等。正是由于这些优势的存在，使得复合材料浮盘具备与钢制焊接浮盘在安全环保方面一决高下的资格，甚至打破钢制焊接浮盘在外浮顶应用中的垄断，成为了所有轻型浮盘中唯一一个可以应用在外浮顶环境下的产品。2012年位于挪威的39 m复合材料外浮顶原油储罐、2014年位于德国的23 m复合材料外浮顶原油储罐，都是成功应用的具体案例，能够成功应用于外浮顶工况，是复合材料浮盘性能优异的一个佐证。除此之外，复合材料浮盘还具备其他金属材料浮盘尤其是轻型金属浮盘所不具备的一系列优势。

首先是终身免维护。复合材料浮盘成型后属于整体无缝结构。因此，无需像拼接式浮盘那样关注拼接缝处的受力情况，也无需担心紧固螺栓是否松脱，从而减少了对于浮盘的后续维护投入。而且复合材料本身不像金属那样容易失去电子，反应形成氧化物，进而造成大面积的腐蚀，避免了由此所带来的一系列检修和维护投入，防止腐蚀的发生。

其次是耐火抗爆。在耐火方面，复合材料浮盘所采用的增强材料是玻璃纤维，高性能石英玻璃纤维的软化温度高达1 730 ℃，远高于钢材600～800 ℃、铝材300～400 ℃的软化温度，可以确保复合材料浮盘在火灾条件下维持保护作用，避免形成全面积火灾。抗爆方面，兼具强度和韧性的复合材料能耐受远超一般轻型金属浮盘的爆炸压力，相较于钢制焊接浮盘更不容易在事故中形成卡盘，避免产生消防泡沫难以进入的燃烧空间，进一步提升了浮盘在爆炸事故中的安全性。

更重要的是，复合材料浮盘因其无拼接缝的整体结构，在控制排放方面具备天然优势，在2019年进行的一次内浮顶储罐排放情况调研中，复合材料浮盘的介质蒸气质量分数仅为100～300μg·g-1，在所有类型的浮盘中排名首位(见表1)。

表1 不同类型浮盘的排放控制效果

4 复合材料浮盘在我国的应用前景

中国作为负责任的发展中大国，始终坚持科学发展观，把保护环境确立为基本国策，把可持续发展上升为国家战略，坚持“在发展中保护，在保护中发展”的科学理念，积极探索代价小、效益好、排放低、可持续的环保道路。而石油石化行业是经济发展的命脉，肩负着提供绿色能源、保护生态环境、应对气候变化的重大使命，基于这一基本国策，我国陆续颁布了一系列标准法规，深入贯彻习近平总书记生态文明思想，积极践行绿色发展理念，对石油化工企业的污染物排放标准提出了更高的要求。

2019年5月，我国颁布了国家强制标准《GB 27822—2019挥发性有机物无组织排放控制标准》，明确规定如对企业进行随机抽查，在检测不超过100个密封点的情况下，如发现有2个以上(不含)不在修复期内的密封点出现可见泄漏现象或超过泄漏认定浓度时，属于违法行为[5]。

在这样的大背景下，无疑对浮盘的控制排放性能提出了更高的要求，继续使用排放超标的浮盘将会面临着更高的环保风险。而复合材料浮盘因其优异的排放控制性能，质轻高强、本质防腐、耐火抗爆等一系列特征，具备较高的安全性和环保性，同时兼具了生产运营中对于轻型浮盘的各项需求。

5 结束语

复合材料浮盘虽然初始造价较高，但其能够同时满足安全、环保和生产运营三方面的需求，而且具备较长的使用寿命，浮盘全生命周期内几乎不需要额外的运维投入，因此终身能效费用比高，符合我国代价小、效益好、排放低、可持续的环保要求，在我国未来的内浮顶储罐中将会拥有较为广阔的应用前景。