吳紹剛

〔北京石油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 北京 100023〕

某公司有多臺內(nèi)浮頂油罐，包括單盤式、雙盤式、帶環(huán)艙拱頂式鋼制浮盤和鋁制及不銹鋼制浮筒式浮盤等內(nèi)浮頂油罐。浮盤在內(nèi)浮頂油罐的改造、投用和日常生產(chǎn)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)過多起浮盤下沉和浮盤損壞事故。本文旨在研究造成浮盤損壞的原因，提出防止浮盤損壞的預(yù)防措施，為合理選擇浮盤材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式，提高浮盤的使用壽命奠定基礎(chǔ)，對內(nèi)浮頂油罐浮盤的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實意義。

1 浮盤常見的事故及危害

內(nèi)浮頂油罐是在固定頂油罐內(nèi)部再加上一個浮動頂蓋，主要由罐體內(nèi)浮盤、密封裝置、通氣孔、導(dǎo)向裝置等組成(見圖1)。內(nèi)浮盤是漂浮在油罐液面上，隨油品上下升降的浮動頂蓋。由于浮頂與油面間存在有限的油氣空間，使得油面與大氣隔離，最大限度地減少了油品蒸發(fā)損耗，同時在增加油品儲存安全性、保護(hù)油品質(zhì)量和保護(hù)環(huán)境等方面也起到了明顯的作用[1]。也正是因為內(nèi)浮盤在浮力的作用下漂浮在油面上，所以容易出現(xiàn)漂浮失效的問題，造成浮盤下沉及浮盤損壞等事故。浮盤損壞事故是內(nèi)浮頂油罐在施工、投用、生產(chǎn)作業(yè)時非常忌諱的嚴(yán)重惡性設(shè)備事故，浮盤損壞后油罐必須停用檢修，檢修時處理的油氣及殘渣會污染環(huán)境，油氣和殘渣易形成重大火災(zāi)隱患，檢修施工時影響周邊生產(chǎn)作業(yè)。此外，檢修油罐時常因作業(yè)空間受限，增加施工檢修難度、延長施工周期，更嚴(yán)重的是影響生產(chǎn)經(jīng)營，增加維修成本。內(nèi)浮盤損壞事故雖然較為少見，但對生產(chǎn)作業(yè)影響極大，因此必須引起足夠的重視。

圖1 內(nèi)浮頂油罐結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)浮頂油罐的浮動頂漂浮在儲液面上，浮頂與罐壁之間有一環(huán)形空間，環(huán)形空間中有密封元件，浮頂與密封元件一起構(gòu)成了儲液面上的覆蓋層。

2 浮盤損壞事故原因分析

2.1 內(nèi)浮盤設(shè)計施工造成的浮盤損壞事故

內(nèi)浮盤自身的剛度較小, 抗沖擊能力較弱，穩(wěn)定性差，在浮盤升降過程中容易出現(xiàn)卡盤、沉盤等情況，從而導(dǎo)致浮盤變形損壞。因此，在拱頂油罐改為內(nèi)浮頂油罐的設(shè)計施工中，要盡量減少浮盤的設(shè)計缺陷，嚴(yán)格確保施工工程質(zhì)量。早期的拱頂油罐的罐壁鋼板均為搭接焊接，油罐上部的內(nèi)徑相對縮減80～100 mm，浮盤的直徑設(shè)計要留有余量；油罐的圓整度要在規(guī)定的范圍內(nèi)，罐壁搭接處及高位人孔等影響浮盤起浮順暢的部位要打磨圓整；導(dǎo)向立柱的安裝垂直度要控制在合理范圍內(nèi)，隨導(dǎo)向立柱滑動的浮盤滑動輪要安裝正確并確?；瑒幼匀?，滑輪和滑輪軸采用銅質(zhì)材料，防旋轉(zhuǎn)的鋼絲繩必須采用耐腐蝕的不銹鋼材料，并在罐底部固定牢固，確保鋼絲繩的拉緊度符合要求；鋁制浮盤的浮筒單只不宜設(shè)計過長，每只2 m左右為宜，在浮盤骨架上固定牢固，否則會出現(xiàn)浮筒脫出固定卡帶而折斷及浮筒游離問題?？傊蛴凸藓透”P安裝施工質(zhì)量不合格，如罐壁圓整度、垂直度、表面凹凸不符合要求，浮盤歪斜變形、導(dǎo)向柱傾斜等極易導(dǎo)致沉盤損壞事故。

2.2 投用試漂出現(xiàn)的浮盤損壞事故

某油品庫區(qū)3年時間內(nèi)發(fā)生過兩起鋁制內(nèi)浮盤投用試漂浮盤損壞事故。一臺500 m3的328號噴氣燃料拱頂油罐改造成鋁制內(nèi)浮頂油罐，在施工完畢清水試漂時，水位在3.87 m處出現(xiàn)鋁浮盤折翻變形,浮盤嚴(yán)重?fù)p壞。事故發(fā)生后查找原因，開始誤認(rèn)為是該液位處的罐壁圓整度超出規(guī)定的范圍而出現(xiàn)卡盤造成的，經(jīng)測量排除了罐壁圓整度不合格因素，確認(rèn)在注水方式上出現(xiàn)問題。該罐改造后注水試漂時，采用了從罐頂通氣管引入消防水龍帶至浮盤檢修口下的注水方式，浮盤上升時罐內(nèi)水龍帶出現(xiàn)了余量彎折，水帶水擊湍動，松動后的水龍帶進(jìn)入浮盤上表面，最終導(dǎo)致浮盤上部大量進(jìn)水，浮盤在水的重力作用下失穩(wěn)下沉，發(fā)生了鋁浮盤扇形彎折破損事故。另一起事故也是發(fā)生在一臺5 000 m3裝有石腦油的內(nèi)浮頂油罐，該罐在其鋼制浮盤改為鋁制浮盤注水初期試漂時，采用從高位人孔接入水帶至浮盤檢修口進(jìn)水方式，固定在檢修口處的水帶發(fā)生松動，浮盤上表面大量進(jìn)水，從而導(dǎo)致了嚴(yán)重的浮盤壓塌事故。發(fā)生此類事故，鋁浮盤幾乎報廢，骨架、浮筒、支柱、蒙皮等鋁合金附件損壞率很高，損失嚴(yán)重。此類事故的發(fā)生完全是因為注水試漂的方案錯誤。內(nèi)浮頂油罐注水試漂時，注水口必須選擇在罐根部的進(jìn)出油管線上或脫水排污口部位，注水時嚴(yán)格控制進(jìn)水流量，定期巡檢觀察浮盤試漂移動狀態(tài)，出現(xiàn)異常及時停止注水，采取應(yīng)急措施，確保試漂時不出問題。另外，試漂時施工方或供貨方的技術(shù)負(fù)責(zé)人要全程指導(dǎo)，制定完善的浮盤試漂方案并監(jiān)督落實到位。

2.3 生產(chǎn)運(yùn)行管理過程中發(fā)生的浮盤損壞事故

由于對內(nèi)浮頂油罐的管理和使用經(jīng)驗不足, 對浮盤的安全運(yùn)行在認(rèn)識上存在著局限性，在生產(chǎn)運(yùn)行管理過程中常因不能嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，罐內(nèi)來油性質(zhì)不符合浮盤運(yùn)行要求等原因，發(fā)生內(nèi)浮頂罐損壞事故。生產(chǎn)運(yùn)行管理過程中內(nèi)浮盤的破損主要由于以下幾個原因。

(1) 收付作業(yè)油品速度過快。

內(nèi)浮頂油罐初次進(jìn)油，液位在浮盤初始起浮高度時，如果進(jìn)油速度過快,不僅會使浮盤失穩(wěn)旋轉(zhuǎn)卡盤, 還會導(dǎo)致浮盤密封摩擦阻力不均勻使盤面多次變形后出現(xiàn)永久性凹凸不可逆的塑性變形，增加了浮盤沉盤和損壞危險性。所以在收油時,要盡量控制流速, 使其小于1 m/s。盡管內(nèi)浮頂油罐內(nèi)安裝了擴(kuò)散管, 降低了流速,改變了液體的流向, 使其呈放射狀液流, 減少了對浮頂和支柱的沖擊和液體的渦流和旋轉(zhuǎn)，但生產(chǎn)中物料進(jìn)出流速的不穩(wěn)定性極易導(dǎo)致浮盤破損事故的發(fā)生。另外，浮盤未起浮前的低液位進(jìn)油作業(yè)時，常因浮盤通氣閥處于常開狀態(tài),出現(xiàn)大呼吸損耗，導(dǎo)致浮盤下的油氣濃度升高，處于爆炸極限狀態(tài)，遇有靜電、雷擊及殘渣氧化自燃時，易出現(xiàn)重大火災(zāi)爆炸性破壞事故。因此，通常情況下, 嚴(yán)禁在浮盤低液位以下進(jìn)行收付作業(yè)。

(2)進(jìn)料管線帶有氣體進(jìn)入內(nèi)浮頂油罐。

浮筒式浮盤蒙皮厚度僅為0.3～0.6 mm，其承壓能力很低, 抗破壞能力極弱，蒸氣或氮氣吹掃管線或裝置洗塔退油帶氣進(jìn)入內(nèi)浮頂油罐后極易吹翻浮盤、撕裂蒙皮、導(dǎo)致浮盤解體事故。所以要求送料方如生產(chǎn)裝置、運(yùn)油船舶、鐵路槽車等嚴(yán)禁將氣體帶入內(nèi)浮頂油罐，收料作業(yè)要采取可靠的措施, 嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程, 將浮盤被氣體吹壞的可能性降到最低。另外，還要避免生產(chǎn)裝置如制氫和加氫裝置因管線流程切換不合理，將氫氣帶出裝置進(jìn)入內(nèi)浮頂油罐內(nèi)，發(fā)生氫氣在油罐內(nèi)閃爆，造成嚴(yán)重的破壞性事故。

(3)內(nèi)浮盤“液泛”現(xiàn)象。

某油品庫區(qū)一座3 000 m3脫硫前粗汽油罐發(fā)生鋼制單浮盤沉盤事故，出現(xiàn)沉盤卡盤，浮盤變形，支柱、導(dǎo)向管損壞等問題。在分析原因時排除了浮盤變形、導(dǎo)向管及罐壁卡盤等因素。通過在罐頂用防爆手電筒觀察油罐收油浮盤上升的過程，發(fā)現(xiàn)浮盤周邊密封處出現(xiàn)霧沫蒸騰現(xiàn)象，罐頂各通氣孔散發(fā)瓦斯氣體，由此確認(rèn)是“液泛”現(xiàn)象造成的。未精制汽油中含有一定量的輕烴(液化氣)成分，H2S含量較高，進(jìn)入內(nèi)浮頂油罐后在常壓下極易揮發(fā)，油料出裝置油溫較高，罐內(nèi)油溫常出現(xiàn)38～42 ℃高溫，較高的油品溫度加劇了汽油在內(nèi)浮頂油罐內(nèi)的蒸發(fā)速度，在鋼制浮盤液面之上與浮盤下部產(chǎn)生大量油氣，氣液兩相混合物從浮頂密封不嚴(yán)密處快速溢出，夾帶著汽油的霧沫溢流到浮盤頂部，產(chǎn)生大量汽油積液，最終導(dǎo)致沉盤事故。針對上述問題，采取了在汽油餾分出口將其降溫的措施，但粗汽油本身具有的易揮發(fā)性質(zhì)決定了“液泛”現(xiàn)象無法消除，由此說明揮發(fā)性強(qiáng)的粗汽油，如拔頭油、常頂油及摻有液化氣的C4～C5類石腦油等都不適合用鋼制單盤或鋁制浮盤罐儲存。冬季氣溫低時，內(nèi)浮頂油罐可儲存蒸氣壓稍高些的含少量輕烴的汽油類物料，但要嚴(yán)格控制含量并加強(qiáng)油罐巡檢工作，確保內(nèi)浮頂?shù)陌踩\(yùn)行。要想根本上避免“液泛”現(xiàn)象引起沉盤事故，可通過改變浮盤結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計浮盤周邊帶多個隔離式環(huán)艙，艙蓋坡向罐壁，中央仍為浸油式單盤，環(huán)艙上部設(shè)計為拱頂式蓋頂?shù)母”P。這種浮頂既具有普通浮頂?shù)奶匦?，又可使得“液泛”現(xiàn)象出現(xiàn)時，上翻的汽油回流到罐內(nèi)，從而解決了浮盤沉盤損壞的問題，但此類浮盤質(zhì)量大，檢修防腐非常不便。

“液泛”現(xiàn)象常導(dǎo)致內(nèi)浮盤失穩(wěn)損壞，因此在日常生產(chǎn)經(jīng)營中要引起充分重視，特別是對高標(biāo)號調(diào)和汽油罐，因含有MTBE、戊烷油等較輕組分，揮發(fā)性很強(qiáng)，注意避免單批次來油在高溫下出現(xiàn)“液泛”現(xiàn)象，確保內(nèi)浮頂?shù)陌踩\(yùn)行。

2.4 儲存含硫油品的內(nèi)浮頂油罐自燃現(xiàn)象造成的浮盤損壞事故

目前, 國內(nèi)煉油廠多加工高含硫原油,以致油罐的腐蝕日益嚴(yán)重,常頂、常一線、石腦油、焦化汽油、乙烯輕烴料、輕污油等的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在0.04 %左右，硫元素主要以H2S、單質(zhì)S、硫醇、硫醚、二硫化物及噻吩硫等形式存在于半成品油中，對油罐壁和浮盤腐蝕嚴(yán)重，腐蝕物的主要成分為硫化鐵混合物 ( FeS、FeS2和Fe2S3)，該混合物在干燥條件時發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)熱效應(yīng)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

其他反應(yīng):2FeO+ 1/2O2= Fe2O3+ 271.9 kJ

可以看出硫化鐵氧化熱值非常高, 付油或清罐時新鮮干燥空氣進(jìn)入油罐，空氣中的氧氣接觸硫化鐵發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng),放出大量熱量，導(dǎo)致熱積蓄而自燃，引發(fā)油罐火災(zāi)事故,燒塌罐體，毀壞浮盤或?qū)е孪浪苯訅核”P。例如, 1993年9月某公司乙01號5 000 m3石腦油罐付油至液位2.2 m時，因浮盤上的環(huán)罐壁積聚的硫化亞鐵(FeS)銹渣自燃, 引燃囊式密封后, 引起油品環(huán)罐壁火災(zāi),消防滅火時大量的泡沫液從導(dǎo)流板沿罐壁匯集到浮盤上，慶幸的是油罐在即將沉盤的瞬間，大火因缺氧等因素突然熄滅，造成浮盤嚴(yán)重變形，部分支柱、密封毀壞。銷售企業(yè)經(jīng)營的是成品油，硫含量控制在較低標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但硫及硫化物對油罐的腐蝕仍然存在，特別是成品柴油中含有一定量的硫化物，對油罐和浮頂有一定的腐蝕性，銹渣中的硫化鐵量雖少但也要充分重視，做到定期清罐，及時清理掩埋銹渣，預(yù)防油罐及浮盤損毀事故的發(fā)生。

2.5 介質(zhì)腐蝕性造成的浮盤損壞事故

絕大多數(shù)內(nèi)浮盤損壞是由腐蝕引起的，大氣、水線等條件下引起的外腐蝕及合格油品內(nèi)腐蝕的浮盤損壞屬于浮盤的正常損毀。但因有些罐體儲存石油中間產(chǎn)品，含有無機(jī)鹽、硫化氫、硫醇、堿氮化物、有機(jī)酸、二氧化硫等一些腐蝕性雜質(zhì), 這些雜質(zhì)對浮盤的腐蝕速度很快，在高油溫環(huán)境條件下還會加劇腐蝕，常導(dǎo)致浮盤損壞事故頻繁發(fā)生，縮短了浮盤的正常使用壽命。某庫區(qū)4382罐為5 000 m3的內(nèi)浮頂油罐，儲存重整原料石腦油，浮盤為0Cr13材質(zhì)，2007年10月安裝投用，2009年6月20日發(fā)生浮盤腐蝕損壞事故。分析腐蝕原因：儲存介質(zhì)中含有硫化氫、堿氮、銨鹽等腐蝕性化合物，在浮盤蒙皮下表面的氣相空間中存在含有硫化氫等雜質(zhì)的酸性液滴，出現(xiàn)酸腐蝕現(xiàn)象，水分蒸發(fā)后，在浮盤下表面生成含硫的鹽類積垢，產(chǎn)生垢下腐蝕，同時伴隨著點蝕形態(tài)的氧濃差腐蝕。另外，浮盤的舌型密封在儲罐頻繁收、付油作業(yè)過程中將罐壁防腐層及含硫化物的鐵銹刮落，堆積在浮盤上表面的四周，加速了浮盤四周的腐蝕。從現(xiàn)場檢查看，浮盤浸沒在油中的部位基本沒有腐蝕，腐蝕主要集中在氣相空間處。浮盤下表面采集垢樣的分析結(jié)果見表1。

表1 浮盤下表面采集垢樣的分析結(jié)果

表1中垢樣主要成分為單質(zhì)硫、有機(jī)物、硫化亞鐵、鐵的氧化物及少量的鹽等物質(zhì)。由此可見，酸性強(qiáng)的油品不適合用0Cr13材質(zhì)制作內(nèi)浮盤，主要是氣相腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)過對使用過的其他材質(zhì)的內(nèi)浮盤損壞事故比較，發(fā)現(xiàn)堿氮、鹽類含量高，有堿性或氯離子的油品對鋁合金內(nèi)浮盤液相腐蝕極快；1Cr18Ni9TI不銹鋼內(nèi)浮盤耐酸堿性強(qiáng)但對含氯離子(氯酸鹽類)的油品極為敏感，腐蝕速度極快；Q235B碳鋼材質(zhì)內(nèi)浮盤耐蝕性相對適中，在地處海邊等大氣條件下，如果防腐不及時，海水、雨水的濕氣通過罐頂通氣孔進(jìn)入浮盤表面，氯離子會對鋼板及焊縫形成腐蝕。因此，浮盤的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式必須依儲存介質(zhì)、生產(chǎn)工況、技術(shù)發(fā)展和投資情況的不同而定。

3 內(nèi)浮盤損壞事故的防范措施

發(fā)生浮盤損壞事故的原因有很多種，實際生產(chǎn)應(yīng)用中要加強(qiáng)預(yù)防，確保浮盤安全使用。

(1)油罐內(nèi)浮盤的施工質(zhì)量必須符合設(shè)計要求。施工前要嚴(yán)格檢查材質(zhì)質(zhì)量，浮盤投用前把好工程驗收質(zhì)量關(guān)，做好浮盤注水試漂方案，確保浮盤升降平穩(wěn)，密封良好，附件完好，進(jìn)出管線工藝流程合理。

(2)加強(qiáng)日常的檢查和維護(hù)。按要求定期對罐頂通氣孔、浮盤導(dǎo)向裝置、通氣閥、浮盤表面、安全附件、油罐內(nèi)表面等進(jìn)行檢查和維護(hù)，尤其對儲存強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的油罐要加強(qiáng)監(jiān)控，充分利用高、低液位報警器監(jiān)測浮盤運(yùn)行情況,及時發(fā)現(xiàn)和消除事故隱患，防止浮盤受損。

(3)控制進(jìn)罐油品指標(biāo)，改善工藝條件，嚴(yán)格按章操作。送料方要切實抓好平穩(wěn)輸送，避免流速波動，控制好來油不串氣和來油溫度，降低來油中硫等腐蝕介質(zhì)含量，高溫時采用噴淋水降溫，嚴(yán)格按章操作，杜絕違章作業(yè)。

(4)科學(xué)合理選擇浮盤材質(zhì)。根據(jù)油品的腐蝕特性，生產(chǎn)工況，結(jié)合使用壽命、投資效益等論證采用適合的浮盤材質(zhì)。

(5)重視防腐工作。油罐內(nèi)表面，碳鋼焊接式浮盤上下表面要加強(qiáng)防腐工作。對儲存腐蝕性油品的油罐或地處海邊的油罐，油罐內(nèi)壁必須做整體內(nèi)防腐處理，否則罐壁及盤面減薄太快(相對于成品油類儲罐)，建議整體熱噴耐腐蝕涂層，采用玻璃鱗片類樹脂封閉，結(jié)合使用罐底加裝犧牲陽極保護(hù)裝置，延長油罐和浮盤的使用壽命[3]。

4 浮盤材質(zhì)的安全性比較與使用建議

在正常設(shè)計、施工、生產(chǎn)運(yùn)行條件下，浮盤的使用壽命主要由腐蝕速度決定，因此浮盤材質(zhì)的選擇很關(guān)鍵。浮筒式浮盤優(yōu)點是組裝簡單快捷，但無論是鋁合金、各種不銹鋼等材質(zhì)的浮筒式還是骨架浮筒式內(nèi)浮盤都具有腐蝕敏感性，液面與蒙皮間有50～100 mm的氣相空間，存在酸性、鹽、氯離子等氣相腐蝕區(qū)，密封性及浮盤整體剛度較差，存在易腐蝕、壽命短，易損壞，遇明火容易燃燒且燃燒后極短時間內(nèi)容易變形，以及滅火撲救困難等缺點。而碳鋼焊接式內(nèi)浮盤是最早開發(fā)普遍使用的一種技術(shù)成熟浮盤，雖然建造時施工時間長，技術(shù)要求高，但具有密封性好、抗沉、耐蝕、使用穩(wěn)定安全的優(yōu)點，浮盤可與油面直接密閉接觸，能穩(wěn)定使用囊式密封形式，可真正起到降低油氣蒸發(fā)損耗效果，只要初次建造時浮盤鋼板厚度設(shè)計合理，導(dǎo)向立柱使用不銹鋼及導(dǎo)向輪和輪軸使用耐腐蝕材質(zhì)，做好浮盤防腐和附件日常維護(hù)保養(yǎng)工作，浮盤可長期使用。近20多年來進(jìn)行大量內(nèi)浮頂油罐改造過程中，拆除了鋼制浮盤改為鋁質(zhì)或不銹鋼等材料的浮筒或空心板式浮盤是不妥的，降低了安全性，增加了著火風(fēng)險，投資風(fēng)險性加大，建議煉油廠新建和改造內(nèi)浮頂油罐選用鋼制浮盤形式。