分析拱頂罐改鋼制磁翻板液位計的實例

 

    摘要：通過對舊儲罐的核算、合理的設計鋼制內浮頂、儲罐相關附件的改造以及制定完善的施工方案，能使罐壁為搭接結構的拱頂罐改造成為鋼制磁翻板液位計，使其滿足石油化工防火規范中的要求。

 

    2017年底某石化廠的罐區升級改造項目中，根據項目的罐容需求，需要1萬m3的汽油儲存。為了減少投資和提高舊設備的再利用價值，項目組考慮將施建于1980的1臺容積為1萬m3儲運介質為原油的拱頂罐改造成儲存汽油（甲B類液體）的磁翻板液位計。該方案在設計初始時，考慮選取的是組裝式鋁制內浮頂，其具有安裝時不需要動火、成形快、造價低等優勢。在項目推進過程中，石油化工企業設計防火規范（GB50160—2018版）開始在行業內推廣和宣講，根據標準中的規定，儲存甲B、乙A類的單罐容積大于5000m3的磁翻板液位計應采用鋼制單盤或雙盤式浮頂[1]。為了避免以后的安全隱患，項目組決定將儲罐的內浮頂型式由組裝式鋁制內浮頂改成鋼制單盤式內浮頂。

 

    目前在國內公稱容積小于2萬m3的磁翻板液位計中，絕大多數采用的是鋁制內浮頂，其在20世紀80年代中后期開始使用至今，技術已比較成熟，多為廠家的成套設備。而使用鋼制內浮頂的儲罐多為后來新建的大型儲罐和外浮頂儲罐，其罐壁的縱環焊縫均為對接焊縫。而該項目中利舊改造的儲罐由于建造時間年代比較久遠加上原為拱頂罐，其罐壁的環焊縫為搭接結構，罐內壁的上下直徑不一樣，對鋼制內浮頂的上下升降造成一定的影響，其密封裝置往上運行時容易出現卡盤現象。

 

    1  儲罐的本體簡介

    （1）改造前對儲罐的罐體進行了超聲波測厚以及材料的化學成分及性能分析，其材質滿足現行的使用條件，其儲罐的罐體參數及每層罐壁的厚度[2]（實測）見表1，罐壁的每層壁板高度為1690mm，其搭接寬度為40mm，縱焊縫為對接結構，見表1。

 

 

    1.2  罐內情況簡介

    儲罐結構型式為拱頂罐，罐壁的環焊縫為搭接結構，其罐壁的焊縫均沒有進行處理，有一定的焊縫余高，罐體內直徑隨著高度的增加直徑在變小。儲罐原為原油儲罐，雖然經過蒸汽吹掃，罐壁上仍附著油污，罐內的防腐層破壞嚴重。儲罐在制造時，對鋼板的內表面要求處理的粗糙度等級不高，使內壁殘留許多小的焊瘤、焊渣等，該類殘留物部分有鋒利的銳角。其具體情況如圖1所示。

 

 

    2  拱頂罐改磁翻板液位計的的設計簡介

    2.1  罐壁厚度核算

    根據GB50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》中的規定，儲罐內徑小于60m，采取的是定設計點發進行核算[3]，核算出的儲罐的每層罐壁的所需厚度（mm）（設計與試水條件下）見表2。

 

 

    對比表1和表2的每層罐壁的數值，其壁厚滿足儲罐改為磁翻板液位計在強度方面的基本要求。

 

    2.2  鋼制內浮頂及其附件的設計

    儲罐的罐壁環焊縫為搭接結構，下部直徑較大，上部直徑較小，在加上施工或地基不均勻沉降引起的變形，所以罐壁各點到中心的距離（半徑）差別較大。儲罐的內浮頂設計采取的是鋼制單盤式內浮頂。鋼制內浮頂的剛度比較大，對儲罐的圓度有一定的要求。

 

    2.2.1 確定罐壁的實際變形范圍 

    采用徑向偏差儀測量以及結合原圖紙的內壁直徑尺寸，計算罐壁的實際zui大半徑Rmax和zui小半徑Rmin的差值。該儲罐罐壁的變形范圍的差值為86mm（鋼制內浮頂落地時支撐高度為1800mm，從第2層壁板開始計算變形范圍）。

 

    2.2.2 鋼制內浮頂直徑的確定

    在確定鋼制內浮頂的直徑時，應保證選取的彈性元件的彈性范圍不應小于罐壁的實際變形范圍，既當鋼制內浮頂通過zui大半徑時仍有一定的壓緊力不致泄漏，當鋼制內浮頂通過zui小半徑時不致卡住[4]。寫成公式為：

 

     Cmax-Cmin＞Rmax-Rmin

     式中：Cmax-彈性元件允許zui大的寬度，通常取Cmax=0.9*彈性元件的自由寬度

     C min-彈性元件允許zui小的寬度，通常取Cmax=0.35*彈性元件的自由寬度

 

    由上式可見，內浮頂到罐內壁的距離決定了彈性元件的自由寬度，從而影響整個鋼制內浮頂的密封效果和鋼制內浮頂的正常升降。某些設計文獻中對于罐壁為搭接結構的內浮頂的直徑選取的為儲罐罐壁zui大和zui小內直徑的平均值減去彈性元件zui大和zui小寬度平均值的差值，既D浮=（Dmax+Dmin）/2-2*（Cmax+Cmin）[4]。鑒于該儲罐長期使用下部分罐壁存在的變形以及彈性密封元件的寬度不確定的情況下，該儲罐的鋼制內浮頂的直徑在設計時，選取的以第2圈壁板的內徑為基準，通過固定定位，保證鋼制內浮頂外邊緣板距離罐內壁為220mm，以此確定鋼制內浮頂的外徑。由于內浮頂在制造時存在一定的焊接變形量，要求其在制造完成后的變形量控制在220+50mm以內[5]，其考慮罐壁越往上內徑越小的結構，故不允許出現負公差的情況。即鋼制內浮頂距離罐內壁的距離的范圍為220~270mm之間。

 

    2.2.3 鋼制內浮頂密封組件型式的確定

    鋼制內浮頂與罐壁之間的密封通常采用彈性材料密封結構，根據彈性密封件的結構和斷面尺寸，密封的結構形式主要可以分為填料式密封和舌型密封結構兩大類。兩者的密封結構示意見圖2：

 

 

    對比2種密封結構，填料式密封的優點是不存在氣相空間，缺點是在罐壁板為搭接結構中，隨著罐壁內直徑的縮小，容易出現卡盤現場；而舌型密封結構的優點是不存在卡盤現場，缺點是密封裝置下存在一定的蒸發空間，蒸發的耗損比填料式密封大。

 

    該儲罐儲存介質為汽油，其具有高揮發性以及易燃易爆的特點，采取的密封方式是填料式密封結構的密封方式，其結構能使部分密封組件浸液可以消除油氣空間。

 

    2.2.4 密封彈性元件自由寬度的確定

    密封裝置選用的彈性元件為聚氨酯軟泡沫塑料，要求密封廠家提供的彈性元件在環向間隙尺寸偏差為±100mm的條件下，密封裝置仍具有良好的密封性能。廠家根據設計方提供的密封間隙為220mm的條件下，選取的彈性密封元件自由寬度為300mm。由其自由寬度計算出彈性元件的允許zui大寬度為270mm，允許zui小寬度為115.5mm。其允許zui大寬度與允許zui小寬度的差值為154.5mm，其值大于罐壁zui大和zui小內徑的差值86mm，從理論上滿足了密封且鋼制內浮頂運行不卡的要求。

 

    2.2.5 鋼制內浮頂附件的簡介

    鋼制內浮頂除鋼制內浮頂本體及密封裝置外，其它附件還包括：防轉裝置、導靜電裝置、自動通氣閥、呼吸閥、人孔、支柱以及量油導向管、雷達液位計導向管穿過浮頂的密封連接等。

 

    2.3  罐體的設計改造內容

    2.3.1 罐內壁的處理

    罐內壁的防腐破壞嚴重，且防腐涂料不適應新介質的耐腐蝕要求，同時罐內壁的環焊縫為搭接焊縫未經過處理，且內壁板上遺留有不少的焊疤、焊瘤等，在浮盤上下運行時容易刮傷密封裝置彈性密封件。故要求對環焊縫以及焊疤、焊瘤等進行打磨處理，將其尖角等不規則的鋒利部分打磨圓滑，同時對整個罐內壁重新進行噴砂除銹，達到涂漆所需的粗糙度。

 

    2.3.2 增加的罐壁附件

    增加了9個罐壁通氣窗，其作用使鋼制內浮頂上方空間的揮發氣體的濃度在爆燃范圍之外，且保證了事故狀態下的溢流。

 

    在鋼制內浮頂浮艙上方1米處的罐外壁位置增加了1個高位人孔及其平臺，其作用是為了檢維修時能夠進入到浮盤上方。高位人孔接管內部設置有內擋板，內擋板呈弧形與罐內表面保持齊平，其避免了彈性密封元件在上下運行時，進入到人孔接管內部，從而損傷密封元件。

 

    3  拱頂罐改磁翻板液位計的制造過程簡介

    改造施工過程中為了避免交叉作業，其施工過程主要有以下幾個步驟：

 

    3.1  罐內的除銹、防腐及罐壁的開口

    在儲罐吹掃清洗完成后，搭設罐內整體的腳手架，采用噴砂處理，對儲罐內部進行整體全面的除銹，對焊縫及罐內壁的焊疤、焊瘤進行打磨處理，使其圓滑過渡，達到不影響密封組件的運行。然后對罐內頂、內壁、罐底內表面進行全面的防腐工作，罐內壁下部分（3m部分以下）以及罐底為了防止再次生銹以及在鋼制內浮頂施工時會破壞其部分防腐層，僅做底漆處理。

 

    在噴砂處理完成的同時，罐體外部部分的開口如帶芯人孔、通氣窗開口等工作同時進行，制造完成后的焊縫均進行相應的打磨處理。同時根據鋼制內浮頂的材料尺寸，在儲罐的罐底部距離罐底板1.6m處開一個1.6m（高）*3m（寬）的施工口。

 

    3.2  鋼制內浮頂的施工

    由于儲罐的位置在罐區內，需要在廠外將鋼制內浮頂的材料進行事先的預制，制造出成品件后進行初步的防腐（涂刷底漆），然后將各組件進行編號和整理后運至施工現場。 

 

    等待防腐完成，撤掉罐內的腳手架后，通過罐底部的施工口將施工所需的材料按照施工的先后順序運至罐內。在罐底部按照鋼制內浮頂的單盤板的高度設置好腳手架平臺。按照先焊接浮艙后單盤板的順序對鋼制內浮頂進行組焊。將一定數量的圓鋼均布的焊接在罐內壁和鋼制內浮頂之間，其間距為220mm，以避免浮艙的外邊緣板焊接時引起的變形，使鋼制內浮頂的外徑變大。等待鋼制內浮頂的浮艙外邊緣板焊接完畢后，去掉此連接定位用的圓鋼。在焊接鋼制內浮頂的單盤板時采用是間斷焊接的方法，盡量避免大的焊接應力，減少焊接變形。通過此類方法該儲罐的鋼制內浮頂在現場實際制造完成后，經過實測距離罐壁的距離的平均值為250mm左右，zui小處為242mm，zui大處為260mm。滿足設計方要求的鋼制內浮頂至浮艙的外邊緣板間距為220+50mm的要求。

 

    將鋼制內浮頂的各個組件焊接完畢后，對各個隔艙及單盤板進行焊縫檢測，然后安裝密封組件的彈性元件以及罐壁施工通道的復原工作。安裝檢測完成后清理儲罐的施工現場，進行充水做鋼制內浮頂的水運實驗。充水過程中，水位至高位人孔的高度時停止充水，通過高位人孔進入到罐內，對鋼制內浮頂進行全面的檢查，確定各個浮艙及單盤板均無泄漏后，封閉高位人孔繼續充水，直至到zui高液位。

 

    在水運過程中鋼制內浮頂正常運行，沒有卡盤或浮起不正常等現象。說明密封裝置在運行中能起到密封作用且滿足彈性元件的壓縮比。水運實驗結束后放水，放水完成后將罐內清理干凈，等干燥后對剩下的罐壁板及罐底板進行處理及防腐等工作。待全部工作完成后封罐，該儲罐開始投入使用。

 

    4  結束語

    使用舊儲罐改造，其投資少、見效快，短期就可以收回投資以及提高了資源的再利用，具有明顯的經濟效益和社會效益。把舊的拱頂儲罐改成鋼制磁翻板液位計，關鍵在于根據現有的罐體尺寸，確定好鋼制鋼制內浮頂的直徑，根據罐容確定好通氣孔（窗）的安裝位置，嚴格控制鋼制內浮頂的變形、安裝及檢驗質量。這使的目前很多建設年代比較長遠的罐區、石化廠等想將罐壁為搭接結構的拱頂罐改造成鋼制磁翻板液位計，使其可以改變存儲的介質提供了一個可行的例子。