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(東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

當今世界石油石化行業(yè)飛速發(fā)展，油氣資源日漸枯竭，各國都在加強油氣戰(zhàn)略儲備，需要的儲罐數(shù)量和體積不斷增長，促進了大型、綜合性儲罐的建設(shè)和發(fā)展[1-3]。大型儲油罐在使用過程中，存在兩種主要安全隱患[4]，一是儲存的原油及石油產(chǎn)品揮發(fā)產(chǎn)生大量的可燃氣體，與空氣形成易燃、易爆混合氣體，容易在閃電或油液振蕩摩擦等條件下意外閃燃，導(dǎo)致儲罐內(nèi)部壓力瞬間升高，引發(fā)儲罐爆炸[5]。二是在儲罐放油的過程中，由于油品泄放速度過快以及儲罐內(nèi)部的封閉環(huán)境，在儲罐內(nèi)部形成瞬時負壓，導(dǎo)致罐體被壓癟[6]。

常規(guī)泄壓裝置用于這兩種情況時，不能及時地將罐內(nèi)壓力恢復(fù)到正常值，不僅會導(dǎo)致儲罐結(jié)構(gòu)破壞，還有可能在整個罐區(qū)引發(fā)多米諾效應(yīng)，造成人員傷亡和重大財產(chǎn)損失[7]。為此，設(shè)計了一種儲罐異常壓力緊急平衡裝置。

1 常規(guī)泄壓裝置應(yīng)用中存在問題

目前應(yīng)用最為廣泛的儲罐壓力平衡裝置主要是呼吸閥和爆破片[8-10]。這兩類壓力平衡裝置應(yīng)用于大型儲罐時也發(fā)現(xiàn)了一些問題。

呼吸閥的缺點主要是，①通風量小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不能滿足快速泄壓的要求，因此會導(dǎo)致罐中的壓力積聚，致使儲罐罐頂脫落或損壞。②呼吸閥容易卡死、漏氣、粘住、堵塞及正負常開[11]。

爆破片的缺點主要是，①一般安置在罐頂，泄壓面積大，能實現(xiàn)對壓力的快速泄放，但其在被扭曲和破壞之后，將無法正常關(guān)閉，從而導(dǎo)致儲罐內(nèi)空氣進入，可燃氣體繼續(xù)燃燒，造成進一步的經(jīng)濟損失[12]。②對于易燃、有毒介質(zhì)，因大量泄放所造成的危害性也較大。③爆破片被破壞后必須進行更換，浪費較大人力、物力。

2 壓力平衡裝置總體設(shè)計[13-15]

儲罐異常壓力緊急平衡裝置結(jié)構(gòu)見圖1，由超壓單元與負壓單元兩部分組成。超壓單元和負壓單元分別安置在儲罐罐頂中央和罐頂四周。兩部分互不干擾，又能相互補償，是一個有機的整體，通過兩者的協(xié)調(diào)作用，彌補了各自的缺陷，更加合理地利用罐頂空間。

1.超壓單元 2.儲罐罐頂 3.負壓單元圖1 儲罐異常壓力緊急平衡裝置總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

當儲罐內(nèi)部突發(fā)異常超壓狀況時，罐內(nèi)迅速膨脹的氣體會對儲罐殼體施加向外的巨大壓力。此時，超壓單元在內(nèi)外壓差的作用下實現(xiàn)向外開啟，而負壓單元則保持封閉狀態(tài)，高壓氣體可以通過罐頂中心位置快速泄放，當儲罐內(nèi)外的壓差恢復(fù)到某一設(shè)定值后，超壓單元自動關(guān)閉。

當儲罐面臨內(nèi)部裝置緊急負壓時，負壓單元在內(nèi)外壓力的作用下迅速向儲罐內(nèi)側(cè)開啟，而超壓單元則保持封閉，外界的空氣通過罐頂四周裝置通道迅速涌入，實現(xiàn)儲罐內(nèi)外壓力的迅速平衡。

3 超壓單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)組成

對超壓單元，以實現(xiàn)罐內(nèi)正壓的緊急泄放為目標進行設(shè)計，其安裝在罐頂中央位置，主要包括外框、上閥蓋、中心桿和支座等構(gòu)件，結(jié)構(gòu)見圖2。外框架(超)采用焊接方式固定在罐頂。閥蓋在壓縮彈簧的作用下緊貼在框架上。中心桿能在支座中上下滑動，可實現(xiàn)壓力的緊急泄壓，保證儲罐結(jié)構(gòu)的安全。

圖2 儲罐異常壓力緊急平衡裝置超壓單元結(jié)構(gòu)示圖

圖2中限位凸起與限位滑道構(gòu)成限位結(jié)構(gòu)，中心柱、支座外殼、壓縮彈簧、擋板、固定螺栓、支座構(gòu)成彈簧泄放機構(gòu)。圖3為儲罐異常壓力緊急平衡裝置超壓單元俯視圖，其中①、②、③、④為限位機構(gòu)，具有限制閥蓋開啟度的功能，保障裝置的安全性。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為彈簧泄放機構(gòu)，均勻地安放在外框架(超)上。

圖3 儲罐異常壓力緊急平衡裝置超壓單元結(jié)構(gòu)俯視圖

限位結(jié)構(gòu)與彈簧泄放機構(gòu)各有4套，分別均布在閥蓋上和外框架上。限位機構(gòu)用于控制閥蓋的開啟程度，彈簧泄放機構(gòu)可實現(xiàn)儲罐的封閉。

3.2 工作原理[16]

裝置超壓單元針對罐內(nèi)壓力急劇增加的異常工況設(shè)計。工作時，閥蓋正常狀態(tài)為常閉。當儲罐內(nèi)爆炸性混合氣體由于意外原因被點燃，壓力瞬間增高時，原本緊密貼合外框架(超)的閥蓋在內(nèi)外壓力差的作用下向外開啟。擋板帶動中心柱在支座外殼內(nèi)壓縮彈簧，致使閥門打開，實現(xiàn)對儲罐內(nèi)部壓力的緊急釋放。當儲罐內(nèi)外的壓力恢復(fù)到正常值后，閥蓋又會受到彈簧力返回到初始位置，以實現(xiàn)機構(gòu)的自動關(guān)閉，保證儲罐的封閉性。

4 負壓單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)組成

對負壓單元，以實現(xiàn)罐內(nèi)負壓的緊急補償為目標進行設(shè)計，其均勻安裝在罐頂四周，由外框架(負)、滑道、壓縮彈簧、閥蓋及支撐桿等組合而成，見圖4。

圖4 儲罐異常壓力緊急平衡裝置負壓單元結(jié)構(gòu)示圖

外框架(負)焊接在罐頂，滑道連接在管壁角鋼上?；琅c管壁角鋼之間增加2個固定塊，固定塊直接焊接在管壁角鋼上。固定塊的使用為滑道與罐壁之間的連接和固定提供了更大的接觸面積。緊固鋼絲繩兩端分別與罐頂和滑道相連，形成倒三角結(jié)構(gòu)，可防止滑道上下擺動。固定架包括2個固定桿，固定桿交叉分布，其兩端與兩側(cè)滑道水平焊接，可防止滑道左右擺動。為了進一步增強固定架的穩(wěn)定性，固定桿的交叉連接采用榫卯結(jié)構(gòu)[17]。支撐桿呈平行四邊形結(jié)構(gòu)，以鉸鏈相連接，能夠伸展和壓縮，可有效地完成裝置的開啟和關(guān)閉。支撐桿一端通過滑塊與滑桿相連，另一端連接閥蓋。閥蓋上有密封圈，用于保證儲罐的密閉性。在滑道內(nèi)，滑桿套有壓縮彈簧與滑塊，保證裝置實現(xiàn)自動開合。

4.2 工作原理

負壓單元針對罐內(nèi)壓力急劇降低的異常工況設(shè)計[18]。工作時，閥蓋正常狀態(tài)為常閉。當儲罐出現(xiàn)內(nèi)部緊急負壓時，內(nèi)外壓差使閥蓋向內(nèi)開啟，滑塊隨閥蓋的運動在滑道內(nèi)向后滑動，同時壓縮彈簧。此時裝置打開，儲罐外部的空氣迅速補償罐內(nèi)的壓力。當儲罐內(nèi)外的壓力恢復(fù)到正常值后，閥蓋在彈簧的作用下回到初始位置，以實現(xiàn)自動關(guān)閉，保證儲罐的封閉性[19]。

5 結(jié)語

針對儲罐的兩種緊急異常壓力狀況，設(shè)計了儲罐異常壓力緊急平衡裝置。該裝置能夠做出及時、有效的反應(yīng)，可保證罐體結(jié)構(gòu)不被破壞。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動閉合，使儲罐重新恢復(fù)封閉環(huán)境，可減少事故造成的經(jīng)濟損失。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于裝拆，使用靈活，造價低廉，可根據(jù)儲罐直徑及其容量的大小選擇適宜的裝置數(shù)量。