内浮顶油罐浮盘损坏原因的分析及预防措施

吴绍刚

〔北京石油产品质量监督检验中心 北京 100023〕

某公司有多台内浮顶油罐，包括单盘式、双盘式、带环舱拱顶式钢制浮盘和铝制及不锈钢制浮筒式浮盘等内浮顶油罐。浮盘在内浮顶油罐的改造、投用和日常生产运行过程中，出现过多起浮盘下沉和浮盘损坏事故。本文旨在研究造成浮盘损坏的原因，提出防止浮盘损坏的预防措施，为合理选择浮盘材质和结构形式，提高浮盘的使用寿命奠定基础，对内浮顶油罐浮盘的长周期安全稳定运行具有现实意义。

1 浮盘常见的事故及危害

内浮顶油罐是在固定顶油罐内部再加上一个浮动顶盖，主要由罐体内浮盘、密封装置、通气孔、导向装置等组成(见图1)。内浮盘是漂浮在油罐液面上，随油品上下升降的浮动顶盖。由于浮顶与油面间存在有限的油气空间，使得油面与大气隔离，最大限度地减少了油品蒸发损耗，同时在增加油品储存安全性、保护油品质量和保护环境等方面也起到了明显的作用[1]。也正是因为内浮盘在浮力的作用下漂浮在油面上，所以容易出现漂浮失效的问题，造成浮盘下沉及浮盘损坏等事故。浮盘损坏事故是内浮顶油罐在施工、投用、生产作业时非常忌讳的严重恶性设备事故，浮盘损坏后油罐必须停用检修，检修时处理的油气及残渣会污染环境，油气和残渣易形成重大火灾隐患，检修施工时影响周边生产作业。此外，检修油罐时常因作业空间受限，增加施工检修难度、延长施工周期，更严重的是影响生产经营，增加维修成本。内浮盘损坏事故虽然较为少见，但对生产作业影响极大，因此必须引起足够的重视。

图1 内浮顶油罐结构示意图

内浮顶油罐的浮动顶漂浮在储液面上，浮顶与罐壁之间有一环形空间，环形空间中有密封元件，浮顶与密封元件一起构成了储液面上的覆盖层。

2 浮盘损坏事故原因分析

2.1 内浮盘设计施工造成的浮盘损坏事故

内浮盘自身的刚度较小, 抗冲击能力较弱，稳定性差，在浮盘升降过程中容易出现卡盘、沉盘等情况，从而导致浮盘变形损坏。因此，在拱顶油罐改为内浮顶油罐的设计施工中，要尽量减少浮盘的设计缺陷，严格确保施工工程质量。早期的拱顶油罐的罐壁钢板均为搭接焊接，油罐上部的内径相对缩减80～100 mm，浮盘的直径设计要留有余量；油罐的圆整度要在规定的范围内，罐壁搭接处及高位人孔等影响浮盘起浮顺畅的部位要打磨圆整；导向立柱的安装垂直度要控制在合理范围内，随导向立柱滑动的浮盘滑动轮要安装正确并确保滑动自如，滑轮和滑轮轴采用铜质材料，防旋转的钢丝绳必须采用耐腐蚀的不锈钢材料，并在罐底部固定牢固，确保钢丝绳的拉紧度符合要求；铝制浮盘的浮筒单只不宜设计过长，每只2 m左右为宜，在浮盘骨架上固定牢固，否则会出现浮筒脱出固定卡带而折断及浮筒游离问题。总之，因油罐和浮盘安装施工质量不合格，如罐壁圆整度、垂直度、表面凹凸不符合要求，浮盘歪斜变形、导向柱倾斜等极易导致沉盘损坏事故。

2.2 投用试漂出现的浮盘损坏事故

某油品库区3年时间内发生过两起铝制内浮盘投用试漂浮盘损坏事故。一台500 m3的328号喷气燃料拱顶油罐改造成铝制内浮顶油罐，在施工完毕清水试漂时，水位在3.87 m处出现铝浮盘折翻变形,浮盘严重损坏。事故发生后查找原因，开始误认为是该液位处的罐壁圆整度超出规定的范围而出现卡盘造成的，经测量排除了罐壁圆整度不合格因素，确认在注水方式上出现问题。该罐改造后注水试漂时，采用了从罐顶通气管引入消防水龙带至浮盘检修口下的注水方式，浮盘上升时罐内水龙带出现了余量弯折，水带水击湍动，松动后的水龙带进入浮盘上表面，最终导致浮盘上部大量进水，浮盘在水的重力作用下失稳下沉，发生了铝浮盘扇形弯折破损事故。另一起事故也是发生在一台5 000 m3装有石脑油的内浮顶油罐，该罐在其钢制浮盘改为铝制浮盘注水初期试漂时，采用从高位人孔接入水带至浮盘检修口进水方式，固定在检修口处的水带发生松动，浮盘上表面大量进水，从而导致了严重的浮盘压塌事故。发生此类事故，铝浮盘几乎报废，骨架、浮筒、支柱、蒙皮等铝合金附件损坏率很高，损失严重。此类事故的发生完全是因为注水试漂的方案错误。内浮顶油罐注水试漂时，注水口必须选择在罐根部的进出油管线上或脱水排污口部位，注水时严格控制进水流量，定期巡检观察浮盘试漂移动状态，出现异常及时停止注水，采取应急措施，确保试漂时不出问题。另外，试漂时施工方或供货方的技术负责人要全程指导，制定完善的浮盘试漂方案并监督落实到位。

2.3 生产运行管理过程中发生的浮盘损坏事故

由于对内浮顶油罐的管理和使用经验不足, 对浮盘的安全运行在认识上存在着局限性，在生产运行管理过程中常因不能严格执行操作规程，罐内来油性质不符合浮盘运行要求等原因，发生内浮顶罐损坏事故。生产运行管理过程中内浮盘的破损主要由于以下几个原因。

(1) 收付作业油品速度过快。

内浮顶油罐初次进油，液位在浮盘初始起浮高度时，如果进油速度过快,不仅会使浮盘失稳旋转卡盘, 还会导致浮盘密封摩擦阻力不均匀使盘面多次变形后出现永久性凹凸不可逆的塑性变形，增加了浮盘沉盘和损坏危险性。所以在收油时,要尽量控制流速, 使其小于1 m/s。尽管内浮顶油罐内安装了扩散管, 降低了流速,改变了液体的流向, 使其呈放射状液流, 减少了对浮顶和支柱的冲击和液体的涡流和旋转，但生产中物料进出流速的不稳定性极易导致浮盘破损事故的发生。另外，浮盘未起浮前的低液位进油作业时，常因浮盘通气阀处于常开状态,出现大呼吸损耗，导致浮盘下的油气浓度升高，处于爆炸极限状态，遇有静电、雷击及残渣氧化自燃时，易出现重大火灾爆炸性破坏事故。因此，通常情况下, 严禁在浮盘低液位以下进行收付作业。

(2)进料管线带有气体进入内浮顶油罐。

浮筒式浮盘蒙皮厚度仅为0.3～0.6 mm，其承压能力很低, 抗破坏能力极弱，蒸气或氮气吹扫管线或装置洗塔退油带气进入内浮顶油罐后极易吹翻浮盘、撕裂蒙皮、导致浮盘解体事故。所以要求送料方如生产装置、运油船舶、铁路槽车等严禁将气体带入内浮顶油罐，收料作业要采取可靠的措施, 严格执行操作规程, 将浮盘被气体吹坏的可能性降到最低。另外，还要避免生产装置如制氢和加氢装置因管线流程切换不合理，将氢气带出装置进入内浮顶油罐内，发生氢气在油罐内闪爆，造成严重的破坏性事故。

(3)内浮盘“液泛”现象。

某油品库区一座3 000 m3脱硫前粗汽油罐发生钢制单浮盘沉盘事故，出现沉盘卡盘，浮盘变形，支柱、导向管损坏等问题。在分析原因时排除了浮盘变形、导向管及罐壁卡盘等因素。通过在罐顶用防爆手电筒观察油罐收油浮盘上升的过程，发现浮盘周边密封处出现雾沫蒸腾现象，罐顶各通气孔散发瓦斯气体，由此确认是“液泛”现象造成的。未精制汽油中含有一定量的轻烃(液化气)成分，H2S含量较高，进入内浮顶油罐后在常压下极易挥发，油料出装置油温较高，罐内油温常出现38～42 ℃高温，较高的油品温度加剧了汽油在内浮顶油罐内的蒸发速度，在钢制浮盘液面之上与浮盘下部产生大量油气，气液两相混合物从浮顶密封不严密处快速溢出，夹带着汽油的雾沫溢流到浮盘顶部，产生大量汽油积液，最终导致沉盘事故。针对上述问题，采取了在汽油馏分出口将其降温的措施，但粗汽油本身具有的易挥发性质决定了“液泛”现象无法消除，由此说明挥发性强的粗汽油，如拔头油、常顶油及掺有液化气的C4～C5类石脑油等都不适合用钢制单盘或铝制浮盘罐储存。冬季气温低时，内浮顶油罐可储存蒸气压稍高些的含少量轻烃的汽油类物料，但要严格控制含量并加强油罐巡检工作，确保内浮顶的安全运行。要想根本上避免“液泛”现象引起沉盘事故，可通过改变浮盘结构形式，设计浮盘周边带多个隔离式环舱，舱盖坡向罐壁，中央仍为浸油式单盘，环舱上部设计为拱顶式盖顶的浮盘。这种浮顶既具有普通浮顶的特性，又可使得“液泛”现象出现时，上翻的汽油回流到罐内，从而解决了浮盘沉盘损坏的问题，但此类浮盘质量大，检修防腐非常不便。

“液泛”现象常导致内浮盘失稳损坏，因此在日常生产经营中要引起充分重视，特别是对高标号调和汽油罐，因含有MTBE、戊烷油等较轻组分，挥发性很强，注意避免单批次来油在高温下出现“液泛”现象，确保内浮顶的安全运行。

2.4 储存含硫油品的内浮顶油罐自燃现象造成的浮盘损坏事故

目前, 国内炼油厂多加工高含硫原油,以致油罐的腐蚀日益严重,常顶、常一线、石脑油、焦化汽油、乙烯轻烃料、轻污油等的硫质量分数均在0.04 %左右，硫元素主要以H2S、单质S、硫醇、硫醚、二硫化物及噻吩硫等形式存在于半成品油中，对油罐壁和浮盘腐蚀严重，腐蚀物的主要成分为硫化铁混合物 ( FeS、FeS2和Fe2S3)，该混合物在干燥条件时发生氧化还原反应，反应热效应如下[2]:

FeS + 3/2O2= FeO + SO2+ 49.0 kJ

FeS2+ O2= FeS + SO2+ 222.3 kJ

Fe2S3+ 3/2O2= Fe2O3+ 3S + 586.6 kJ

其他反应:2FeO+ 1/2O2= Fe2O3+ 271.9 kJ

可以看出硫化铁氧化热值非常高, 付油或清罐时新鲜干燥空气进入油罐，空气中的氧气接触硫化铁发生强烈反应,放出大量热量，导致热积蓄而自燃，引发油罐火灾事故,烧塌罐体，毁坏浮盘或导致消防水直接压塌浮盘。例如, 1993年9月某公司乙01号5 000 m3石脑油罐付油至液位2.2 m时，因浮盘上的环罐壁积聚的硫化亚铁(FeS)锈渣自燃, 引燃囊式密封后, 引起油品环罐壁火灾,消防灭火时大量的泡沫液从导流板沿罐壁汇集到浮盘上，庆幸的是油罐在即将沉盘的瞬间，大火因缺氧等因素突然熄灭，造成浮盘严重变形，部分支柱、密封毁坏。销售企业经营的是成品油，硫含量控制在较低标准范围内，但硫及硫化物对油罐的腐蚀仍然存在，特别是成品柴油中含有一定量的硫化物，对油罐和浮顶有一定的腐蚀性，锈渣中的硫化铁量虽少但也要充分重视，做到定期清罐，及时清理掩埋锈渣，预防油罐及浮盘损毁事故的发生。

2.5 介质腐蚀性造成的浮盘损坏事故

绝大多数内浮盘损坏是由腐蚀引起的，大气、水线等条件下引起的外腐蚀及合格油品内腐蚀的浮盘损坏属于浮盘的正常损毁。但因有些罐体储存石油中间产品，含有无机盐、硫化氢、硫醇、碱氮化物、有机酸、二氧化硫等一些腐蚀性杂质, 这些杂质对浮盘的腐蚀速度很快，在高油温环境条件下还会加剧腐蚀，常导致浮盘损坏事故频繁发生，缩短了浮盘的正常使用寿命。某库区4382罐为5 000 m3的内浮顶油罐，储存重整原料石脑油，浮盘为0Cr13材质，2007年10月安装投用，2009年6月20日发生浮盘腐蚀损坏事故。分析腐蚀原因：储存介质中含有硫化氢、碱氮、铵盐等腐蚀性化合物，在浮盘蒙皮下表面的气相空间中存在含有硫化氢等杂质的酸性液滴，出现酸腐蚀现象，水分蒸发后，在浮盘下表面生成含硫的盐类积垢，产生垢下腐蚀，同时伴随着点蚀形态的氧浓差腐蚀。另外，浮盘的舌型密封在储罐频繁收、付油作业过程中将罐壁防腐层及含硫化物的铁锈刮落，堆积在浮盘上表面的四周，加速了浮盘四周的腐蚀。从现场检查看，浮盘浸没在油中的部位基本没有腐蚀，腐蚀主要集中在气相空间处。浮盘下表面采集垢样的分析结果见表1。

表1 浮盘下表面采集垢样的分析结果

表1中垢样主要成分为单质硫、有机物、硫化亚铁、铁的氧化物及少量的盐等物质。由此可见，酸性强的油品不适合用0Cr13材质制作内浮盘，主要是气相腐蚀严重。经过对使用过的其他材质的内浮盘损坏事故比较，发现碱氮、盐类含量高，有碱性或氯离子的油品对铝合金内浮盘液相腐蚀极快；1Cr18Ni9TI不锈钢内浮盘耐酸碱性强但对含氯离子(氯酸盐类)的油品极为敏感，腐蚀速度极快；Q235B碳钢材质内浮盘耐蚀性相对适中，在地处海边等大气条件下，如果防腐不及时，海水、雨水的湿气通过罐顶通气孔进入浮盘表面，氯离子会对钢板及焊缝形成腐蚀。因此，浮盘的材质和结构形式必须依储存介质、生产工况、技术发展和投资情况的不同而定。

3 内浮盘损坏事故的防范措施

发生浮盘损坏事故的原因有很多种，实际生产应用中要加强预防，确保浮盘安全使用。

(1)油罐内浮盘的施工质量必须符合设计要求。施工前要严格检查材质质量，浮盘投用前把好工程验收质量关，做好浮盘注水试漂方案，确保浮盘升降平稳，密封良好，附件完好，进出管线工艺流程合理。

(2)加强日常的检查和维护。按要求定期对罐顶通气孔、浮盘导向装置、通气阀、浮盘表面、安全附件、油罐内表面等进行检查和维护，尤其对储存强腐蚀性介质的油罐要加强监控，充分利用高、低液位报警器监测浮盘运行情况,及时发现和消除事故隐患，防止浮盘受损。

(3)控制进罐油品指标，改善工艺条件，严格按章操作。送料方要切实抓好平稳输送，避免流速波动，控制好来油不串气和来油温度，降低来油中硫等腐蚀介质含量，高温时采用喷淋水降温，严格按章操作，杜绝违章作业。

(4)科学合理选择浮盘材质。根据油品的腐蚀特性，生产工况，结合使用寿命、投资效益等论证采用适合的浮盘材质。

(5)重视防腐工作。油罐内表面，碳钢焊接式浮盘上下表面要加强防腐工作。对储存腐蚀性油品的油罐或地处海边的油罐，油罐内壁必须做整体内防腐处理，否则罐壁及盘面减薄太快(相对于成品油类储罐)，建议整体热喷耐腐蚀涂层，采用玻璃鳞片类树脂封闭，结合使用罐底加装牺牲阳极保护装置，延长油罐和浮盘的使用寿命[3]。

4 浮盘材质的安全性比较与使用建议

在正常设计、施工、生产运行条件下，浮盘的使用寿命主要由腐蚀速度决定，因此浮盘材质的选择很关键。浮筒式浮盘优点是组装简单快捷，但无论是铝合金、各种不锈钢等材质的浮筒式还是骨架浮筒式内浮盘都具有腐蚀敏感性，液面与蒙皮间有50～100 mm的气相空间，存在酸性、盐、氯离子等气相腐蚀区，密封性及浮盘整体刚度较差，存在易腐蚀、寿命短，易损坏，遇明火容易燃烧且燃烧后极短时间内容易变形，以及灭火扑救困难等缺点。而碳钢焊接式内浮盘是最早开发普遍使用的一种技术成熟浮盘，虽然建造时施工时间长，技术要求高，但具有密封性好、抗沉、耐蚀、使用稳定安全的优点，浮盘可与油面直接密闭接触，能稳定使用囊式密封形式，可真正起到降低油气蒸发损耗效果，只要初次建造时浮盘钢板厚度设计合理，导向立柱使用不锈钢及导向轮和轮轴使用耐腐蚀材质，做好浮盘防腐和附件日常维护保养工作，浮盘可长期使用。近20多年来进行大量内浮顶油罐改造过程中，拆除了钢制浮盘改为铝质或不锈钢等材料的浮筒或空心板式浮盘是不妥的，降低了安全性，增加了着火风险，投资风险性加大，建议炼油厂新建和改造内浮顶油罐选用钢制浮盘形式。