50000m外浮顶罐密封系统改造分析
摘要：介绍了50000m3外浮顶储罐的一二次密封以及刮蜡装置的工作原理，分析对比了新型囊式密封与原有机械式密封的优缺点；依据设计规范GB50341-2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》对一次、二次密封结构进行了详细设计计算；依据设计规范SY/T0511.7-2010《石油储罐附件：重锤式刮蜡装置》重新校核了刮蜡装置的力学性能。
关键词：外浮顶储罐一二次密封刮蜡装置机械式囊式
3
1 背景
近年来，我国发生多次大型浮顶储罐因为雷击造成起火事故，其主要原因是浮顶和罐壁之间的密封连接处存有大量易燃油气，当浮顶处于低液位时，空气流通较差，遇到高温、雷电等恶劣天气极易引发火灾。因此，为了减少储液的蒸发损失、保证储液质量和安全、防止大气污染，就必须合理设计浮顶与罐壁之间200mm环形空间的密封结构。 2 两种密封结构的简介
外浮顶罐浮顶与罐壁之间环形空间的密封系统包括一次密封、二次密封和刮蜡装置三部分。最为常见的一次密封形式主要有机械式密封和囊式密封[1]，这两种常用的密封形式都是依靠密封材料填塞在浮顶和罐壁之间的环形间隙而形成密封。主要区别在于所采用的密封材料和密封结构不同。 2.1 机械式密封
由镀锌钢板制作的密封环板，依靠机械力紧紧压在罐壁上，使之能够在罐壁上自由滑动，而又不产生间隙。机械臂可以自动将浮盘维系在储罐中心，当浮盘出现偏离中心倾向时，环形空间变窄方向的机械臂会增加对罐壁的压力，从而调整浮盘中心位置。其优点是密封性能良好，可以减少大约60%-70%的油气损失，密封结构采用金属材质，使用寿命长，其缺点是非浸液式设计，环形空间大，容易造成油气积聚，一旦泄漏，危害巨大。
1
一次密封油气隔膜一次密封 板式弹簧一次密封金属密封板 板式弹簧
图1 机械式密封结构
2.2 囊式密封
在橡胶密封带内包裹聚氨酯泡沫，在浮盘外侧下部添加支撑板上部添加压板将囊式密封件弹性压缩在罐壁和浮顶的环形空间内。其优点是密封效果好，并且聚氨酯泡沫大量填充环形空间，降低了油气积聚的可能性，对罐壁的椭圆度、垂直度以及局部的凹凸度要求较低，适用性较高，不容易发生浮盘卡死现象。缺点是耐磨性差，对罐壁光滑度要求高。
压板橡胶密封带罐壁聚氨酯泡沫支撑托板浮顶
图2 囊式密封结构 3一次密封改造的设计计算[2] 3.1 囊式密封浸液深度的计算
2
200浮仓单盘板800h罐壁R3=25800H=R1-R3R2=27800R1=29800B=66A=132A+B=C
图3 囊式密封浸液深度示意图一
浮盘主要构成是浮仓和单盘板，然后再安装一二次密封、刮蜡装置、中央排水等结构，浮仓截面如图3为梯形结构，单盘板搭焊在浮仓上。更换密封后的浮顶必须保证储液淹没到单盘板，否则油气积聚单盘板底部，当浮顶由于某种原因晃动时，油气携带部分油液从通气阀喷出，引发安全隐患。计算如下：
表1浮盘各组件质量统计
名称
浮顶
紧急排水装置 通气阀 边缘呼吸阀 船舱人孔 单盘人孔 泡沫挡板 中央集水坑 集水坑 一次机械密封 二次密封 刮蜡装置
G1浮盘累计总质量/kg
单质/kg - 175 92.97 58.77 20.84 90.85 - - - - - -
数量 - 3 7 3 32 3 - - - - - -
206667.51
总质量/kg 186012 525 650.79 176.31 666.88 272.55 5598.5 436.64 289.84 4500 2827 4712
F??V1（1）
V1??A?C??H?2?R22（2）
式中，F——刚好淹没单盘板处时浮仓提供的浮力，kg；
V1——刚好淹没单盘板处时浮仓体积，m3； ρ——5#储罐油品密度，kg/m3。
5#罐接收原油燃料油密度变化范围870-950 kg/m3，取950 kg/m3。
3
F??V1?950??132?198??4000?2???27800?10?92?109.5?103kg
F?G1
因此储液可以淹没单盘板，不会在单盘板处形成油气积聚空间。 继续计算储液可以淹没浮顶的深度。
G1?F??V2（3） V2??R1h（4）
式中，G1——浮盘累计总质量，kg；
V2——储液继续淹没浮顶的体积，m3； h——储液继续淹没浮顶的深度，m。
2h?G1?F?R12??206.7?109.53?10?0.367m 2??29.8?950h=36.7mm
参考中石油外浮顶罐施工技术要求，囊式密封设计须满足浸液深度不小于30mm，所以综合考虑各种工况，油品密度变化，设计囊式密封最底部支撑板距离浮仓底面190mm。如图4所示：
200浮仓单盘板800h罐壁R3=25800H=R1-R3R2=27800R1=29800B=66A=132A+B=C
图4 囊式密封浸液深度示意图二
3.2 刮蜡效果不佳原因分析[3]
刮蜡装置由两部分组成：刮蜡板和加力机构，如图5所示。刮蜡板沿罐壁周向分布，紧贴储罐内壁，在浮盘上下移动过程中，刮除附着在罐内壁呈“蜡”状油层。加力机构是四连杆机构，利用杠杆原理，借助配重通过压块向刮蜡板施加压紧力，
4
带动刮蜡板随浮盘上下运动。
现场5#罐罐壁出现大量结蜡现象，与导静电漆混合一起，长时间暴露空气中，龟裂成片状，大量脱落到浮仓板上。推断产生此现象原因是（1）储罐中油品质量低劣，容易结渣粘附在罐壁难以刮扫，（2）刮蜡装置作用于罐壁的正压力不足，使得刮蜡板与罐壁不能紧密贴合。依据设计规范SY/T0511.7-2010《石油储罐附件：重锤式刮蜡装置》，对仓一5#罐刮蜡装置进行受力分析（为了便于分析计算，略去装置构件自重不计）。
浮船底板罐壁环形空间L2ααL1N刮蜡板重锤G
图5 刮蜡机构受力分析示意图
N1L1sin(90???)?GL2cos?（5）
N1?N2?GL2（6） L1nN1（7） s式中，N1——罐壁对刮蜡板径向正压力，N；
N2—罐壁对整个刮蜡机构径向正压力，N/延长米； n——储罐刮蜡机构的个数，组； s——罐壁与刮蜡板接触处的周长，m； L1——斜梁长度，m； L2——支梁长度，m；
ρQ235——重锤Q235-B材料密度7.85，kg/m3； G——重锤重量，N。
计算得出结论，在加力机构杆长和重锤重量不变的情况下，刮蜡装置对刮蜡板
5
产生的压紧力恒定不变，不会随着浮盘的左右浮动引起α角度变化而变化。
增加刮蜡板压紧力可以采取以下措施： （1）增加重锤重量；
（2）加大L2长度或者减小L1长度； （3）增加刮蜡装置的密度。
仓一5#罐，共有196组刮蜡机构，每组由4片重锤组成，每组重锤重量G=122.1N，L1=0.3m，L2=0.9m。计算得出罐壁对刮蜡板的正压力为N1=366.3N
N2?nN1196?366.3??381.1N/延长米 s2??30满足设计规范SY/T0511.7-2010《石油储罐附件：重锤式刮蜡装置》[4]中提出的储罐压紧力不宜小于375N/m的设计要求。
综上，仓一5#储罐的刮蜡装置完全能够满足压紧力要求，因此造成刮蜡效果不理想的原因即为油品质量较差，结渣严重。现场完成清罐后检查发现，除部分加力机构销轴脱落，并无其他损毁，刮蜡装置不需更换。 4结语
2015年11月油品公司仓一5#罐进行了清罐作业以及整套密封系统更换改造的设计技术交底工作。一次机械式密封更换为囊式密封，压缩了浮顶与罐壁间的环形空间，降低了油气大量积聚的可能，具有更好的密封效果和安全环保性。刮蜡装置的压紧力符合设计规范要求，能够紧贴罐壁完成清扫作业，不需更换。
此外，本次外浮顶储罐密封装置更换的设计计算，对于其他类似油气化工品行业的存储设备（包括不同罐容，不同储液介质）也有很好的借鉴意义。
参考文献
[1]胡建春.浮顶油罐密封分析[J].中国设备工程,2002,12:45-46. [2]GB50341-2014.立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范.
[3]王沙.大型浮顶油罐各种刮除蜡装置的比选及技术性分析[J].油气储运,2008,1:28-31. [4]SY/T0511.7-2010.石油储罐附件：重锤式刮蜡装置.
6