大型外浮顶储罐密封结构对比和安全性探讨

马文婷

（中国石油大学（北京）)

0 引言

我国大型原油储罐基本采取地上立式储罐形式，且大都采用外浮顶结构。浮顶是一种覆盖在油面上，由钢材制成的并随油面升降的盘状结构物，又称浮盘。浮盘与罐壁之间有一个环形缝隙，可方便浮顶的升降。浮顶与罐壁之间的环形空隙需要采取合理有效的密封方式，从而确保储罐的正常运行，最大程度地降低原油损耗，为罐区的生产安全提供有效保障。然而，目前浮顶储罐密封结构的研究工作主要集中在国外，国内先进浮顶密封装置的研究和应用不多，对于密封效果要求较高的情况均需要引进国外技术和设备。因此，整合国内外先进研究资料，采用合理研究方法和手段，自主创新地提出自己观点，显得尤为重要。

1 浮顶密封形式

浮顶储罐的密封可分为一次密封和二次密封。一次密封和二次密封可以组成双重密封。一次密封的形式主要有机械密封和弹性填充密封，也可以是充液式一次密封或充气式一次密封。

机械密封依靠压紧装置提供的机械力使密封钢板紧贴罐壁随浮顶升降上下滑动。同时，在板与罐壁接触部位和板与浮顶外缘环板之间装有涂耐油橡胶的纤维织物，尽量使浮顶外缘环板与密封板之间的环形气相空间与大气隔绝[1]。

弹性填充式密封是使带有涂层的弹性纤维密封带或弹性塑料泡沫与罐壁滑动接触。密封带安装在浮顶的边缘， 既可与液体接触，也可在密封件与液面之间保持一定的边缘气相空间[2]。

管式充液密封是在一整条密闭橡胶管中填充液体的密封，安装在浮盘外边缘与耐磨带之间。当浮盘产生横向漂移或升降至储罐罐壁变形位置时，充液管内的液体受到挤压，会自由流动到浮盘与罐壁间距较大的地方，从而使充液管形状发生改变。这种自由的补偿流动使密封和罐壁总保持良好的接触。这种密封与传统的泡沫密封相比可减少95%～98%的油气损失。耐磨带是由补强的尼龙布和涂在其表面的耐磨合成橡胶构成，起到保护充液密封管，减少与罐壁的摩擦，增强密封效果的作用[3]。

从安全、节能角度考虑，美国环境保护协会在上世纪80年代就对浮顶储罐的油气挥发做了严格规定，要求浮顶储罐都采用 “双重密封”，即在原有密封基础上增加一个 “二次密封”。采用双重密封后可减少50%～98%的油气损耗[4]。浮顶储罐二次密封是在一次密封上部增加的一套装置，主要由油气隔膜、支撑板、刮板、静电导杆及紧固联接件等组成。油气隔膜具有良好的防止油气渗透的作用，它环绕在浮盘与罐壁的环形空间，阻隔从一次密封渗漏的油气，并有效防止油气蒸发。刮板被支撑板紧紧压向罐壁，可防止油气泄漏和雨水渗入。支撑板具有承压保护作用，可防止外力划伤和阳光照射引起的老化[3]。二次密封结构如图1所示。

图1 二次密封结构

2 浮顶密封失效形式及泄漏类型

在浮顶施工和运行过程中，由于操作不当或维护不善会导致密封系统失效[1]。在浮顶施工过程中，罐壁的圆度、垂直度及局部凹凸度的偏差难免会造成机械密封性能降低；在作业过程中，温度的变化、油品的收发和储罐基础的沉降、介质对罐壁的腐蚀等，都会造成罐壁和浮顶几何变形，从而导致密封不严；密封橡胶受阳光照射、风蚀和老化开裂，刮蜡机构引起的变形造成密封膜失效，都会影响密封效果；在罐内由于风力、介质进出等因素的作用，浮盘也会发生 “漂移”，从而对浮顶机械密封装置造成很大影响。

防止浮顶密封系统泄漏的关键是保持储液上方气相空间油气浓度、温度和压力的恒定。通常情况下浮顶密封的泄漏类型主要有两类[5]： （1）浮顶密封静止蒸发损耗。静止储存的油品由于温度变化，由原来的油气平衡状态达到新的平衡状态，蒸发的油气通过密封件与浮顶及罐壁间的间隙逸出，尤其当密封不严时，这种油气的损耗会更大。 （2）储罐的收发油损耗。当储罐进行收油、发油等作业时，油面与浮顶间的气相空间容积发生变化，原相平衡被破坏，导致气化量的突然增加，使油气空间达到新的相平衡。超出气相空间容积的油气会逸出罐外，且浮顶升降过程中暴露在大气中的罐壁上的油品会不断蒸发，导致油气损耗。

3 浮顶密封的设计研究现状

1994年随着技术的引进，浮顶储罐的“双重密封”技术开始在我国使用。外浮顶油罐的常见密封形式主要有机械密封、泡沫密封和管式密封三种。

机械密封因其良好的密封性能、独特的防火性能、较长的使用寿命和较低的维护成本等特点而被广泛应用。管式密封可以自动补偿流动，使密封与罐壁始终保持良好接触，密封与油品间无油气空间，因而可有效地防止油气蒸发。

从现场调研情况看，机械密封容易出现密封不严的情况。密封靴板与罐壁的间隙大，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间产生缝隙，有的缝隙宽达10 cm以上。

在同样条件下，二次密封的密封效果越好，一、二次密封之间油气浓度就越高，油气燃烧爆炸的危险性也就越大。未设置二次密封或二次密封失效的浮盘密封圈内油气浓度较低。显然，二次密封与罐壁的紧密贴合在一定程度上阻碍了密封圈内油气扩散至大气，但同时也使密封圈内油气浓度达到较高程度。过多的油气扩散至大气，将严重污染环境。

为了更好地解决与罐壁的贴合、浮盘漂移等问题，国内外很多学者和工程技术人员都对密封圈进行了独特的改造。

滚轮骨架密封[5]是将浮顶与罐壁之间的整体圆环分解成若干个圆弧线段密封骨架，可用转动的转轴将骨架连接起来，组成一个与储罐几何形状相同的密封圈，结构如图2所示。转轴安装在支承架上，支承架的一端固定在浮顶的边缘板上，另一端与罐壁接触，与罐壁接触的一端装有可以转动的滚轮。当浮顶在罐内上下移动时，密封圈依靠滚轮在罐壁上行走，密封圈上的密封骨架与罐壁的间距保持不变。安装在密封骨架上的弹性密封条始终紧密地压靠在罐壁上，达到密封的目的。固定在浮顶边缘板上的一端装有两个弹簧，一个弹簧将滚轮顶向罐壁，另一个弹簧在浮顶发生漂移时将产生很强的反弹力使浮顶在罐内始终保持在中心位置。滚轮骨架与浮顶之间的环形空间采用尼龙橡胶布密封。

图2 滚轮骨架密封

滚轮骨架密封依靠端部的滚轮在罐壁上行走，与其它形式的密封相比，在罐壁上因摩擦移动产生的摩擦力要小得多，浮顶升、降的灵活性大，并且不易发生浮顶在升、降过程中的卡死现象。

应用与滚轮骨架密封相似的原理，某公司开发的新型浮盘密封圈在一定程度上解决了密封圈与罐壁贴合不严以及密封圈内部可燃油气浓度过高的问题。一、二次密封连接在一起，可有效地避免密封之间的油膜挥发。二次密封略高于浮舱边缘的设计缩小了一、二次密封之间的油气空间，即使一、二次密封之间存在油气，其体积也是非常有限的。

尽管该新型密封圈在一定程度上提高了浮盘密封圈的安全和环保性能，但是仍然不能完全消除密封圈内的油气空间，而该密封圈内部结构较复杂，金属构件较多，这对浮盘密封装置的防雷设计提出了更高的要求。因此，国内较常采用结构简单的填充式密封结构。

4 密封对原油储存安全的重要性

在储罐运行过程中，既要求密封装置能与罐体紧密接触，又要求对浮顶的升降无影响。提高浮顶密封装置的可靠性和严密性，对减少原油蒸发、确保储罐安全操作具有重要的意义。

（1）提高浮顶密封装置的可靠性。在安装密封装置时，要充分考虑储罐在施工和运行过程中遇到的各种情况，尽量使密封装置能够稳定工作。如密封圈内的软填充物质如果没有填充均匀，会引起浮盘在升降过程中受力不均，严重时会引起浮盘扭曲变形或倾斜，甚至引发沉盘事故。再如储罐在施工中有可能出现储罐局部凹凸度超标，会使得浮盘在升降过程中受力不均，局部受挤压，密封装置能否适应并有效缓解这种局部受压的现象，对浮盘的稳定运行具有重要的意义。

（2）增强密封装置的严密性。原油挥发的过程是气液相趋向相平衡的动态过程，由于原油的挥发性较强，即使在常温下，原油只要存在气液相界面，原油挥发就持续进行。原油的爆炸下限较低（油气爆炸极限范围是1.1%～6.4%），油气浓度容易处于爆炸范围内。保持密封装置的严密性，可以最大程度地维持罐内油气的相平衡，减少油气的蒸发损耗。

[1]郎需庆，宫宏，刘全桢，等.浮顶储油罐密封泄漏机理与泄漏控制 [J].安全、健康和环境，2007，7（10）：17-19.

[2]孙新宇，李晓明，彭仁海，等.储罐安全运行与管理[M].北京:中国石化出版社， 2004.

[3]王福众，曲江，范传宝，等.充液式双重密封在浮顶罐中的应用 [J].油气储运，2004，23（2）：56-60.

[4]陈建平.浮顶储罐的一种新型密封装置 [J].油气储运,1998， 17 （9）： 21-23.

[5]张晓东，陈建平.浮顶储罐的密封及密封装置 [J].石油化工设备技术，2001，22(2)：11-14.