大型浮顶储罐密封系统的研究

大型浮顶储罐密封系统的研究

20世纪60年代，西欧、中东、日本和美国开始建设10.14mg大型浮标储水池。中国的大型浮顶储水池建设起步较晚。1985年，这两个10.14m3大型浮标储水池首次从国外引进。2003年，建成了12.55、104m3大型浮顶储水池。目前，中国单一台油气田的体积为15.04hm。随着储罐及油库规模的大型化,对储罐的密封质量要求越来越高。为保证储罐的严密性和浮顶的灵活性,需要设置浮顶密封系统。浮顶储罐的密封系统是大型储罐安全运行的最薄弱环节。浮顶储罐密封失效造成的油气泄漏不仅会对环境造成极大的污染,而且会引发火灾、爆炸等恶性事故,酿成重大损失。目前国内外浮盘密封结构形式多种多样,没有统一的大型储罐浮盘密封设计、制造和安装验收标准。可靠的浮顶密封装置能有效防止储罐内油气的蒸发,减少油气泄漏损耗,保证油品质量,降低浮顶上的油气含量,减少环境污染,避免雷击起火的可能性,从而确保储罐的安全储运和清洁生产,经济效益和社会效益显著。但是到目前为止,我国对浮顶密封的应用研究仍处在起步阶段,开展浮顶密封泄漏机理、主要结构件的失效形式、泄漏量的主要影响因素分析等的研究意义重大。1次密封的特点浮顶储罐的密封可分为一次密封和二次密封。一次密封的形式主要有机械密封和弹性填充密封。机械密封是密封板在压紧装置的作用下紧贴罐壁随浮顶外缘环板升降而沿罐壁滑行。在金属滑板上端与浮顶外缘环板之间装有涂有耐油橡胶的纤维织物,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。弹性填充式密封是使带有涂层的弹性纤维密封带与罐壁滑动接触。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。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,能覆盖整个边缘气相空间,可更有效地减少油气损失。浮顶储罐的良好密封主要取决于储液表面温度的高低及其变化幅度、油气空间的体积和油气空间上部风压的分布。一次密封可较好地减少油气空间,抑制油气损耗。二次密封利用一、二次密封之间环形气相空间的良好绝热效果有效地控制储液表面温度、油气浓度及压力变化;二次密封装置还利用与一次密封圈所围成的环形气相空间,有效地消除了环境风载荷作用所引起的一次密封面上部风压分布不均匀现象。2浮式密封泄漏机分析2.1油气损耗的因素储罐浮顶的油气泄漏过程实质上是储罐液面维持相平衡的动态过程。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分为两类,即浮顶密封静止蒸发损耗和储罐的收、发油损耗。a)密封静止蒸发损耗。静止储存的油品由于温度变化,原相平衡状态被打破,油气蒸发以达到新的平衡状态,油气通过密封件与浮顶及罐壁之间的间隙逸出。当密封件与浮顶及罐壁之间的贴合不严密时,蒸发泄漏会加剧。b)储罐的收、发油损耗。储罐进行收、发油作业时,油面与浮顶之间的气相空间容积发生变化,油气浓度和压力均发生变化,原相平衡被破坏,导致气化量增加,油气空间达到新的相态平衡。当油气体积超过气相空间的容量时,部分油气将排出罐外。当储罐在油面位于浮顶最低点以上进行发油作业时,浮顶下降后罐壁暴露在大气中,粘附在罐壁上的少量油品不断蒸发,导致油气损耗。c)其它损耗。储罐开口部分及附件不严密或损坏(如密封带开裂、导向柱与浮盘间的密封不良等)都将导致油气损耗。2.2浮顶、下风侧处空气流动的影响在实际生产中,导致浮顶密封泄漏的主要因素包括罐顶空气的定向流动和浮顶温度的变化,其中罐顶空气的定向流动是导致浮顶密封泄漏的最主要因素。试验表明,流过浮顶储罐顶部的空气在储罐的上风侧的浮顶上方产生一个低压区,导致空气从浮顶的下风侧沿着浮顶周边向上风侧边缘密封方向移动。稳定的空气定向流动在浮顶上、下风侧处将形成气压差,高压在下风侧,低压在上风侧。浮顶上、下风侧处形成的压差和空气流动的模式是两种基本风致损耗产生的原因。a)浮顶上、下风侧处形成的气压差迫使外界空气进入浮顶下风侧密封下方的连续边缘气相空间,空气然后沿周边穿过边缘环形气相空间,在浮顶的上风侧将空气与油气的混合物挤出罐外,这将降低气相空间的油气浓度,相平衡被破坏,导致油品持续蒸发以维持新的相平衡状态。b)边缘密封上方流动的空气使边缘密封和罐壁之间缝隙中的空气产生涡流,涡流可使外界空气与缝隙中的油气相混合,降低了液面上方空间的油气浓度,打破原气液平衡,使油品不断蒸发以保持新的相平衡。c)昼夜大气温度和太阳辐射强度的变化亦会对储液表面温度产生影响,增加环形气相空间与大气压的压差造成油品泄漏。同罐顶空气流动引起的压差造成的密封泄漏相比,昼夜大气温度和太阳辐射强度的变化对密封泄漏的影响相对较小。3机械密封性能下降在浮顶储罐的施工和运行过程中,由于操作不当或维护不利导致密封系统失效的情况比较突出,主要有如下几方面:a)在浮顶储罐施工中,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,导致油气泄漏。b)在浮顶储罐作业过程中,温度的变化、油品收发及引起储罐基础的沉降、介质对罐壁的腐蚀等因素会导致储罐和浮顶的几何形状、尺寸及密封面质量的变化,亦会造成密封不严,致使油气泄漏。c)密封橡胶受阳光照射、风蚀而老化开裂,刮蜡机构可能引起的变形造成密封膜失效,进而影响密封效果。d)风力、介质进出储罐等因素使浮盘在罐内产生“漂移”,对浮顶机械密封装置影响很大。e)刮蜡板上下重复刮蜡将增大罐壁的粗糙度,致使密封装置与罐壁贴合不严,造成油气泄漏。4降低浮顶储罐的密封性能提高浮顶密封装置的可靠性和严密性对减少储液蒸发、确保储罐安全操作有重要意义。基于浮顶密封结构和泄漏机理,提出如下建议与设想。a)对于一次密封为机械密封的浮顶储罐,机械密封宜选用具有阻燃功能的密封带;对于一次密封是弹性填充密封的浮顶储罐,降低填充密封带在浮盘上的安装位置,密封带采用浸液式安装,从根本上消除一次密封与液面之间的油气空间。b)储存重质油品的储罐安装除蜡设备,以减少油品在罐壁的黏附。c)储罐浮顶喷涂反射光线能力强的涂料,减少太阳照射和昼夜温差对浮顶储罐密封结构(主要是密封橡胶)的影响,延长密封橡胶寿命,提高密封性能。d)在浮顶储罐外侧加挡风圈,尽量避免因风力造成浮盘的“漂移”,降低浮盘对机械密封性能的影响。e)在雷雨季节可在一、二次