淺析全接液蜂窩浮盤故障及改進措施

王學剛，陳軍，席長寧，安引軍

（中油股份獨山子石化分公司煉油廠，新疆 獨山子 833699）

近年來，隨著環(huán)保要求的提高，相關(guān)部門陸續(xù)出臺并執(zhí)行了《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》GB31570-2015、《石油化學工業(yè)污染物排放標準》GB31571-2015 等環(huán)保標準，對三苯等介質(zhì)儲罐有明確的排放要求。浮筒式鋁浮盤在儲罐減排效果、液面安全接觸方面與蜂窩浮盤存在較大的差距，2012 年，國內(nèi)引入第一臺蜂窩浮盤后，該類型浮盤得到了推廣，但因其技術(shù)發(fā)展時間短，未形成行業(yè)標準，浮盤設(shè)計、制造無標準，安裝缺乏過程質(zhì)量控制，個別地區(qū)出現(xiàn)了沉盤、卡盤等故障，本文對該類浮盤進行故障原因分析，并總結(jié)提出改進建議。

1 蜂窩浮盤的發(fā)展歷程

1923 年，第一座平盤式鋼浮盤誕生于美國。50 年代中期，組裝式浮盤誕生。1982 年，我國從原西德引進了井字形鋁制內(nèi)浮盤。1995 年，美國發(fā)明并應(yīng)用了第一代三明治夾板膠粘式蜂窩浮盤。2008 年，臺灣發(fā)明了第二代全接液承盤式膠粘蜂窩浮盤，2012 年，國內(nèi)從臺灣引進了全接液承盤式膠粘蜂窩浮盤。2018 年，國內(nèi)首臺釬焊式蜂窩浮盤技術(shù)得到了應(yīng)用。

2 蜂窩浮盤的結(jié)構(gòu)

蜂窩板是蜂窩浮盤的浮力元件，整體技術(shù)借鑒了蜂窩板在航空航天、列車、船舶上的應(yīng)用，即在同等體積下蜂窩板結(jié)構(gòu)強度大、重量輕、平整度高的特點，滿足了浮力元件的要求。蜂窩板本身的制造技術(shù)經(jīng)歷了三明治夾板式、承盤膠粘式、釬焊全焊接的發(fā)展歷程。目前，國內(nèi)蜂窩浮盤主要采用了承盤膠粘式蜂窩板。蜂窩浮盤的主要結(jié)構(gòu)件有蜂窩板、連接梁、支撐腿、封邊擋板、封圈擋板、封圈囊?guī)Ъ昂Ｃ蕖⒎馊伟濉⑷丝拙c梯子、量油孔井、防旋鎖、導(dǎo)靜電線等。其蜂窩芯與上下面板，上面板與側(cè)壁板間均采用粘膠固定，蜂窩板與梁采用自攻螺絲鉆孔固定。

API650《鋼制焊接儲罐》規(guī)范附錄H 內(nèi)浮頂部分對蜂窩浮盤的結(jié)構(gòu)說明如下，“金屬復(fù)合板內(nèi)浮頂，由金屬板艙組成浮艙，板艙包括一個蜂窩狀的心部，但是由于檢查和設(shè)計浮力要求，板艙內(nèi)的封閉單元不認為是艙，這類浮頂和液面完全接觸，一般由鋁合金制造”。蜂窩浮盤與浮箱式浮盤的主要區(qū)別在于內(nèi)部蜂窩芯結(jié)構(gòu)，蜂窩芯起到支撐、加強蜂窩板強度的作用。

圖1

早期，承盤膠粘式蜂窩浮盤的設(shè)計師認為，即使蜂窩板穿刺或邊緣角焊縫開裂，因其蜂窩芯相對獨立，且選用了與油液不反應(yīng)的粘膠劑，液體不會從進液的蜂窩芯擴散到其他蜂窩芯。但在長期實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)蜂窩板進液后，油品長期浸泡粘膠劑會導(dǎo)致其浸潤發(fā)漲與蜂窩芯脫開，最終導(dǎo)致浮力元件失效。

圖2

3 蜂窩板制造技術(shù)

蜂窩板作為浮盤的浮力元件，是其核心技術(shù)。三明治夾板式蜂窩板早已淘汰，下面就目前使用的承盤膠粘式蜂窩板和釬焊式蜂窩板制造技術(shù)說明并對比。

承盤膠粘式蜂窩板的關(guān)鍵技術(shù)為膠粘劑的選擇。該工藝最初采用環(huán)氧樹脂類雙組分反應(yīng)型固化膠粘劑，特點是對鋁材附著力好、耐高溫、潮氣影響小，缺點是膠膜脆，剝離強度不高，長期震動后蜂窩芯容易脫離。目前，膠粘式蜂窩板升級采用熱塑性膠膜連續(xù)復(fù)合工藝，黏結(jié)強度是前者的2 ～3 倍左右。釬焊蜂窩板工藝則將材料加熱到適當溫度，應(yīng)用釬料使材料產(chǎn)生結(jié)合，釬料的液相線高于450℃、但低于基體金屬的固相線溫度，釬料依靠毛細吸引作用流布于接頭的緊密配合面之間，形成冶金結(jié)合，接頭的力學性能遠優(yōu)于膠黏結(jié)頭，缺點則是制造成本較高。

4 全接液蜂窩浮盤典型故障及原因分析

浮盤在罐內(nèi)油面上漂浮，隨油品收發(fā)而動態(tài)升降，其邊緣密封與罐壁板摩擦并受不同方向罐壁的反作用力，這部分反作用力又因罐壁變形程度、收發(fā)油速度快慢等因素而發(fā)生變化，因此，浮盤本身始終受到各方向罐壁的交變擠壓作用力，設(shè)計結(jié)構(gòu)是否合理，制造工藝是否科學，將直接影響浮盤的使用壽命。

下面對全接液蜂窩浮盤的典型故障逐一分析。

4.1 罐壁或垂直剛性件變形引起的卡盤、沉船

部分儲罐建設(shè)年代久遠，長期使用過程中, 罐壁板的圓度、垂直度，雷達導(dǎo)波管等內(nèi)部垂直剛性件的垂直度會發(fā)生緩慢形變,安裝浮盤前如未進行尺寸確認，將擠壓卡盤，當浮盤所受浮力不能克服其上升阻力時，油品由囊式密封及中央通氣閥上竄至浮盤上引發(fā)沉船。

4.2 浮力元件制造質(zhì)量差引起的沉盤

國內(nèi)第一臺承盤膠粘式蜂窩浮盤已使用7 年，但近年部分浮盤2 ～3 年即出現(xiàn)故障，在浮盤設(shè)計未發(fā)生變化的情況下，其重要原因為浮力元件制造質(zhì)量差。蜂窩芯的膠粘工序未對板材基層處理、膠粘劑性能差或固化時間不足，均導(dǎo)致夾層蜂窩芯剝離強度降低。蜂窩板長期受到交變應(yīng)力作用后，蜂窩芯與面板剝離，應(yīng)力直接傳遞至角焊縫處。角焊縫處于長期浸液狀態(tài)，如存在砂眼、未焊透或未熔合等缺陷，長期受力將開裂導(dǎo)致進液，進液又進一步致使粘膠劑浸潤發(fā)泡產(chǎn)生剝離，二者相互作用影響。

4.3 浮盤設(shè)計不當導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷

（1）未按規(guī)范要求考慮摩擦力。一般的蜂窩浮盤的浮力計算如下：實際浮盤浮力=浮盤高度×浮盤面積×浮盤比重。API 650 中明確浮盤設(shè)計滿足浮力大于內(nèi)浮頂總重的兩倍和浮頂上升時產(chǎn)生的摩擦力之和的要求。因摩擦力為經(jīng)驗值，部分廠家在浮力計算書中忽略摩擦力計算，僅以浮盤自重為基數(shù)進行浮力符合性計算。《石油化工儲罐用裝配式內(nèi)浮頂工程技術(shù)規(guī)范》SH/T3194-2017 中對浮盤摩擦力計算要求如下，不同的密封結(jié)構(gòu)形式及不同的材料、厚度摩擦系數(shù)不盡相同，通常需要試驗確定，其系數(shù)取值不宜小于0.2。以囊式+二次舌式刮板密封裝置為例，其浮盤邊緣板距罐壁間隙一般控制為180mm，沿用了浮筒式鋁浮盤的經(jīng)驗值。但浮筒式鋁浮盤密封一般采用梯形海綿，而蜂窩浮盤采用八角式海綿，其外形尺寸、材料壓縮比均不同。蜂窩浮盤為控制VOC 氣體揮發(fā)，邊緣密封受摩擦力遠大于浮筒式浮盤，直接影響浮力設(shè)計，見圖3。

圖3

（2）浮盤設(shè)計未考慮潛在進液點。承盤膠粘式蜂窩板，上面板與側(cè)壁板間采用粘膠方式固定，蜂窩板與梁之間使用自攻螺絲鉆孔固定，存在潛在的泄漏點。儲罐在日常運行中，揮發(fā)的油品冷凝后集聚在蜂窩板上，可能沿著自攻螺絲縫隙進入蜂窩箱內(nèi)部，破壞蜂窩芯黏結(jié)強度。

（3）浮盤密封選擇不當。部分浮盤設(shè)計未考慮介質(zhì)腐蝕性，具有腐蝕性的介質(zhì)未選用氟橡膠等抗腐蝕材質(zhì)。對于高溫熱油儲罐，囊式密封明顯不適用，應(yīng)選雙舌型或一次壓板式彈性密封。

（4）未考慮檢修拆卸方便，使用自攻螺絲或鉚釘固定蜂窩板與梁。一是增加泄漏點，自攻螺絲在蜂窩板上面板鉆孔，油氣冷凝集聚在浮盤上，從縫隙進入蜂窩板；二是局部板故障漏液后，無法做到不動火拆卸，增大了浮盤檢修的安全風險。圖4 為改進設(shè)計，采用M8 螺栓連接。

圖4

（5）粘膠劑選擇未考慮適用溫度。儲罐檢修需用低壓蒸汽蒸煮，要求浮盤及配套邊緣密封、粘接劑等適用溫度范圍至少滿足80℃以上，且滿足蒸汽連續(xù)吹掃48 小時無損傷、老化、變形。

4.4 安裝質(zhì)量引起的浮盤故障

浮盤試浮或投用初期發(fā)生的沉船大多是由于浮盤防旋鋼絲繩或?qū)蚬艽怪倍绕畛瑯说仍蛟斐伞Ｐ枰岢龅氖且匾暤截洸牧系尿炇铡惭b過程質(zhì)量控制。蜂窩板到貨后，首先要組織現(xiàn)場逐塊板檢查，面板有無鼓包（蜂窩芯剝離），有無達到木材1/2 深度的劃痕損傷等。安裝前，廠家需對儲罐內(nèi)壁變形情況進行測繪，必要時調(diào)整浮盤邊緣件尺寸。安裝過程中，對過程控制參數(shù)，如邊緣密封間隙等設(shè)置停檢點或旁站檢查，試浮驗收中，要對性能參數(shù)逐項檢查驗證。

5 蜂窩浮盤改進建議

5.1 優(yōu)化浮盤設(shè)計

（1）浮盤制造前廠家應(yīng)將浮盤浮力計算書、開口方位圖、總裝配圖、主要部件結(jié)構(gòu)圖等，交付設(shè)計院或業(yè)主審核。

（2）建議浮盤制造廠家建立模擬儲罐或水槽，進行蜂窩板產(chǎn)品定型前浮力單元模擬失效測試及摩擦力測試，合理設(shè)計邊緣密封間隙值，滿足API 650 中關(guān)于浮力單元的要求，任意兩個浮力單元或內(nèi)浮頂喪失15%浮力后，內(nèi)浮頂應(yīng)仍能漂浮在液面上且不產(chǎn)生附加危害。

（3）承盤膠粘式蜂窩浮盤優(yōu)化設(shè)計、改進為箱體全焊接結(jié)構(gòu)，消除潛在進液點。

（4）優(yōu)化蜂窩板角焊縫結(jié)構(gòu)，內(nèi)部增加槽鋼等輔助筋板，焊縫由縱向線型結(jié)構(gòu)變?yōu)楸阌诤附印姸雀蟮拿嫘徒Y(jié)構(gòu)。

（5）所有可移動蓋板均應(yīng)與浮盤固定部分采取可靠電氣連接，避免靜電集聚。

5.2 加強制造過程質(zhì)量控制

蜂窩板屬夾層架構(gòu)，性能驗收應(yīng)嚴格執(zhí)行《夾層架構(gòu)滾筒剝離強度試驗方法》GB/T 1457-2005、《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗方法》GB/T 1456-2005 等規(guī)范，必要時要求第三方檢驗機構(gòu)進行抽樣檢測。現(xiàn)場到貨后，及時組織逐塊外觀檢測，發(fā)現(xiàn)爆板情況，立即更換。釬焊蜂窩板應(yīng)做出廠前釬焊成型超聲檢測。所有蜂窩板應(yīng)做浸水試驗，確認角焊縫焊接質(zhì)量。

5.3 提高浮盤安裝質(zhì)量管控

（1）安裝前必須對儲罐測繪，重點檢查罐壁圓度、垂直度，罐內(nèi)垂直剛性件（如雷達導(dǎo)波管等）的垂直偏差，根據(jù)儲罐壁板變形情況，加工邊緣圍板，做到一罐一安裝方案。

（2）設(shè)置施工質(zhì)量控制點，明確關(guān)鍵工序、見證點、停檢點，加強過程質(zhì)量控制。

6 結(jié)語

全接液蜂窩浮盤是石化行業(yè)的新技術(shù)，處于不斷完善和發(fā)展的過程，目前無相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)，市場產(chǎn)品良莠不齊、故障頻發(fā)，本文從設(shè)計、制造、安裝等多方面分析了故障原因，并提出了相應(yīng)的改進建議，只有從源頭環(huán)節(jié)改進缺陷，加強制造質(zhì)量管控，才能提高浮盤的可靠性及使用壽命。

表1 全接液蜂窩浮盤安裝檢查驗收記錄表