外浮顶储罐密封技术提升改造探讨

外浮顶储罐密封技术提升改造探讨

俞坚祥

中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司  浙江宁波  315000

摘要：在我国石油化工行业快速发展的背景下，为了提高石油化工企业生产和储存的环保性，必须做好储罐环保治理工作，采用科学的密封方式，提高储罐使用环保性。在镇海炼化分公司环保治理项目中，主要通过提供更优化的密封产品以促进VOC治理项目的落实。在储罐环形空间内原有的一二次密封基础上增设无油气密封装置；并进行了现场应用，改造实施后储罐密封装置显著减少油气挥发量，密封面高度提升一定程度上减小一二次密封之间的密封空间并能弥补罐壁局部变形。此外，还在储罐导向管处增设量油管/导向柱密封套装置；在浮盘支柱处增设全密封式密封帽；在呼吸阀上加装密封套筒装置，希望通过以上浮顶罐密封设计优化措施，旨在进一步提高生产储存环保性。

关键词：VOC治理；储罐设备；油气挥发；密封装置；无油气密封

在石油产品炼制、储存过程中，会产生大量挥发性有机化合物（VOC），发生大气光化学反应，导致雾霾等大气污染问题频繁发生，对区域环境产生恶劣影响，随着世界环保发展趋势，国家相关部门对重点行业挥发性有机物综合治理提出新的要求，对推进实施VOC治理具有重要意义。浮顶罐作为化工企业的重要基础设备，其顶盖漂浮在储罐液面上，浮顶随储存介质液位水平上升或下降，通常用于存储原油、汽油、煤油等有挥发性的石油产品。外浮顶储罐密封主要包含边缘密封装置和其他附件密封装置。边缘密封包含一次密封与二次密封，用于封堵外浮顶与罐壁之间的环形空间，为了减少储存油品的排放和蒸发损失，防止杂质 ( 雨水、灰尘等 ) 进入储罐来保持油品的纯度，同时保证罐体内的浮顶可以平稳移动。边缘设置密封。其他附件密封主要包含通过外浮顶附件（支柱、量油管）等处的密封。加强储罐的密封设计，已经成为石油化工企业VOC治理的重要工作。[1]

1.外浮顶储罐密封存在问题及原因分析

1.1一、二次密封内部存在油气空间

一次软密封主要以泡沫等软密封为主，采用囊式密封结构，由橡胶带、泡沫塑料、支撑板等组成。安装在外浮顶边缘板上，橡胶袋是厚度约 1.5mm 的耐油丁腈，内部填充硬度 120N 的聚氨酯弹性泡沫塑料，依靠泡沫塑料压缩变形，弹性堵塞边缘缝隙。

二次密封采用舌型密封刮板结构，主要由不锈钢密封刮板、压板、油气隔膜等构件组成，安装在一次密封上部的外浮顶边缘板上，依靠密封刮板的弹性与罐壁做滑动接触，利用自身刚性将密封推向罐壁，从而形成密封，将一次密封泄漏的油气阻挡在压板下方，进一步阻止泄漏。

一、二次密封间存在爆炸极限范围内的油气是引发密封圈闪爆的主要原因之一。[2]对于一、二次密封间存在油气空间的问题，解决方式有两种，其一，降低油气空间的油气浓度；其二，减小油气空间体积。降低油气空间的油气浓度成本较高，因此优化密封着重放在减小油气空间体积上。[3]

1.2导向柱和量油管有工艺开口

浮顶油罐导向柱和量油管上有数量不等的工艺开口，其底部与浮盘配合处留有孔隙以保证浮盘的正常偏移，在浮盘发生也为变化后，导向柱上的粘壁油品会挥发油气。当储罐温度、压力发生变化，储罐内油品会气化并从导向柱和量油管上的开孔中逸出，可能会造成火灾甚至发生爆炸事故，某些有毒气体还会导致人体中毒，危及人身安全。

1.3浮顶支柱与支柱套管之间存在间隙

外浮顶油罐的浮顶有单盘和双盘两种，单盘浮顶一般由密封圈、浮仓、单盘、导向柱、采样孔，支柱等部分组成。其中支柱穿透浮顶切数量众多，对油品储存损耗有着很大的影响。[4]在支柱和套管之间约有5mm间隙，油气通过浮顶支柱与支柱套管之间的环隙挥发、泄露，油气泄漏对于石油化工企业发展十分不利。

1.4呼吸阀工作时泄放油气

压力/真空泄放阀（以下简称PV泄放阀（呼吸阀））是一种用于减少蒸发损耗的装置，同时可以保护储罐免受超压或真空可能造成的破坏性影响。当储罐内的蒸汽空间压力超过压力设定值时，呼吸阀打开，以释放储罐中的蒸汽，直到压力降至其设定值以下。当储罐内形成真空，并超过真空设定值时，呼吸阀打开，使空气进入储罐，直到真空度降低到设定值以下。[5]呼吸阀在工作过程中会有大量的油气直接卸放到大气中，呼吸阀一般安装在浮盘上部，油气的直接卸放给储罐的安全带来风险，也会造成环境的污染。

图3 呼吸阀工作示意图

2.浮顶罐密封改进措施

针对识别出的以上问题与安全环保风险，2020 年中国石化 HSSE 印发的《中国石化安全生产专项整治三年行动计划》〔2020〕1 号中要求：开展大型外浮顶储罐浮顶油气超标问题整治。镇海炼化积极响应国家及集团公司要求，对储罐实施外浮顶储罐密封改造，结合实践经验，本文提出如下几项有效的安全环保设计优化措施，主要内容包括增设无油气密封装置、导向柱和量油管密封装置、支柱橡胶密封帽、呼吸阀密封套筒。

2.1无油气密封装置

浮顶油罐一二次无油气密封装置，是集一次密封装置、二次密封装置和无油气密封装置的一体式密封装置，既保留了一、二次密封装置的密封效果，又增添了无油气密封装置进一步增强密封效果，且消除了一、二次密封间的油气空间，大大降低储罐运行的安全隐患，是近年来应用最广泛的新型密封装置。

浮顶储罐一二次无油气密封装置由一次密封装置、无油气密封装置和二次密封装置组成，在常规一二次密封装置之间增设无油气密封装置，无油气密封装置由橡胶带、泡沫塑料、压板、加强密封板等组成，填充聚氨酯由橡胶带包裹，并由加强密封板限位；加强密封板安装在无油气密封上端，一端与边缘板连接，一端压住二次密封气体阻隔膜并贴合罐壁；二次密封上部增设定位板将气体阻隔膜顶向罐壁，以减小气体阻隔膜与罐壁之间的间隙；承压板与气体阻隔膜之间与大气连通，无油气聚集。常规一次密封与无油气密封装置由填充在环形间距内的聚氨酯海绵的弹力进行密封，并能保证标准环形间距偏差±100mm的密封效果。二次密封橡胶滑动片进一步增强了密封整体效果，且具有挡水防尘的效果，其隔膜与罐壁基本贴合，消除了其与罐壁间的油气空间，以使二次密封承压板内部与外部大气直接连通，此密封结构形式大大的降低了储罐运行的安全隐患。

2.2导向管密封套装置

浮顶油罐导向柱和量油管密封装置，是一种用于浮顶油罐导向柱和量油管工艺开孔及底部浮盘上孔隙密封的密封装置。导向柱和量油管密封装置由固定罩、支撑圈、密封套和等电位连接等部件组成，具有结构设计科学，强度高，耐油气和耐老化，装置运行安全可靠等优点，能够有效防止油气挥发，保护大气环境和人身安全，保障油罐安全运行。而且能适用于内外浮顶储罐在无需动火作业的情况下便捷安装。

导向柱和量油管密封装置针对这些开口进行可靠密封。导向柱和量油管密封装置由固定罩、密封套、上下喉箍、支撑圈组件和等电位连接等部件组成。密封套采用含加强层、耐油气、耐老化的丁腈橡胶带模压硫化制成，采用拉链封口成圆筒状，上端采用不锈钢喉箍固定在量油管/导向柱的上端，下端采用不锈钢喉箍固定在固定罩环口上。密封装置采用镀锡软铜复绞线与浮顶支耳形成良好的电气连接。

图6 导向柱和量油管密封装置

2.3支柱密封帽

浮顶支柱橡胶密封帽安装在浮顶支柱套管的上部，将支柱和支柱套管的上端进行密封，以消除浮顶支柱与支柱套管之间的油气泄漏，降低储罐的安全风险和环境影响。密封帽主要有两种结构形式，其中全密封形式的密封帽还能密封浮顶支柱和支柱套管之间的固定螺栓（销轴）间隙内渗漏的油气能将油气完全密封在橡胶密封帽的内部。

浮顶支柱敞口型橡胶密封帽采用套筒结构，能将支柱与支柱套管之间的油气完全密封，亦能防止雨水通过管件间隙渗入到油品中。该密封帽具有优异的耐油气、耐天候老化、密封性好、强度高、结构合理等特点。

图7 支柱密封帽安装示意图

2.4呼吸阀密封套筒

呼吸阀密封套筒主要由与呼吸阀顶部固定的支架、胶套、油气输送管道、金属喉箍等组成，配合油气吸附装置解决呼吸阀的油气卸放问题。

图8 呼吸阀密封套筒安装示意图

3.应用效果

增设无油气密封后，密封装置整体性能得以大幅提高，主要体现在：

1）正常情况下一次密封装置能够减少储罐油气挥发量的75%，加装二次密封装置后能减少储罐油气挥发量的95%，传统一二次密封的密封效果比较优异。一二次无油气密封多增设一套无油气密封，进一步提高了密封效果，能够减少储罐油气挥发量的98%以上，其密封效果较之传统一二次密封更加优越；

2）传统一二次密封的密封面即是一次密封装置的密封面高度，一般为200-300mm。一二次无油气密封增设的一套无油气密封的密封面高度一般为250-500（根据储罐实际参数），一二次无油气密封的密封面高度较之传统一二次密封提高了一倍多，既能增强密封效果，又能弥补罐壁在较小的垂直高度范围内局部变形过大的缺陷；

3）一二次无油气密封能有效的减小或消除一二次密封之间的油气空间，消除储罐运行过程中的安全隐患。传统一二次密封之间存在较大的油气空间，且油气浓度会随着油气的挥发及罐壁凝油的挥发逐渐升高，甚至超标，给储罐的安全运行带来极大的安全隐患。

图9 未增设无油气密封装置，一二次密封间油气浓度超标时的燃爆试验

增设浮顶油罐导向柱和量油管密封装置后，密封装置整体性能得以大幅提高，在油罐浮顶上下运行过程中，导向柱和量油管密封装置能够始终保持良好的油气密封性能，防止油气挥发泄露，保障油罐安全运行。

结语

通过现场实测与实际应用总结分析得出，外浮顶储罐密封具有较大的安全环保风险，已被列入中石化集团公司 2022 年系统性安全风险清单，对其风险治理迫在眉睫。加装无油气密封装置，大幅缩减浮盘边缘一、二次密封油气空间，杜绝了密封圈火灾燃爆事故的发生，进一步提高密封性能，减少油气挥发，保障储罐更安全的运行。在储罐导向管处增设量油管/导向柱密封套装置，消除导向管与浮盘之间的孔隙及导向管上侧开孔处的油气挥发，静态条件下可基本消除VOCs 泄漏，提高了储罐安全性能。在浮盘支柱处增设全密封式密封帽，消除支柱端部环隙及定位销轴/螺栓处缝隙的油气挥发。在呼吸阀上加装密封套筒装置，配合客户自购的油气吸附装置，消除了呼吸阀工作时的油气挥发成套技术的加装提升了外浮顶储罐的安全环保水平。

综上所述，本文全面分析外浮顶储罐密封存在的问题，并对引起泄漏问题的主要原因进行分析，最后提出多项有效的浮顶罐密封设计优化措施，希望能够对石油化工企业发展起到一定的借鉴和帮助作用，不断外浮顶储罐使用安全环保性，促进我国石油化工产业发展。

参考文献

[1] 邢思远.储罐VOCs来源及治理措施[J].炼油与化工,2021,32(1):71-72.

[2]杨淦茗, 外浮顶储罐密封现状分析及改造措施. 中国化工贸易,2022,

[3] 许欣怡,黄维秋,许艳蕾,许雪.石化罐区挥发性有机化合物(VOCs)的现状及治理[J].河南科技,2021,40(11):123-126.

[4] 杨增良等. 外浮顶罐单盘支柱的密封. 石油规划设计,2005,16（4）:43~45.

[5] 王荣贵, 刘道芬. 常压、低压储罐呼吸量的确定及呼吸阀的选用[J]. 化肥设计, 2007, 45(2):4.