內浮頂儲罐浮盤的發展趨勢及復合材料浮盤的應用前景

曹 琛 趙 邈 趙坤芳

〔河北澳科中意環保科技有限公司 河北衡水 053200〕

自上世紀20年代，美國Chicago Bridge & Iron Company展示了世界上第一個浮盤開始[1]，浮頂儲罐就成為了存儲易揮發性液體介質最為廣泛的方法。在近百年的發展中，衍生出眾多優秀的設計和技術改進，使浮頂儲罐由最早的鋼制淺盤式浮盤不斷更新換代。

浮頂儲罐的浮盤是一種復雜的綜合結構，它必須被設計為始終漂浮在液面之上，一方面減少介質的蒸發損失，一方面在火災等意外狀況下對介質燃燒區域形成保護，還要考慮浮盤盤體本身的耐久性、安全性、介質兼容性、日常作業適應性等。

內浮頂儲罐是最為典型的一個類型。由于固定頂結構的存在，使得內浮盤本身不需要考慮雨雪風霜的環境影響，對于排水、強度等因素的要求也顯著地低于外浮頂儲罐，因此誕生了輕型內浮頂設計，不僅可以像外浮頂儲罐那樣使用鋼制焊接結構來制作浮盤，還可以采用其他的輕型材料，如鋁合金、復合材料等。

1 我國內浮頂儲罐浮盤的發展歷程

我國內浮頂儲罐的歷史可追溯至上世紀70年代，由當時的北京石油設計院和東方紅煉油廠等單位合作，在1978年3月將東方紅煉油廠的一臺3 000 m3汽油拱頂罐改造成為內浮頂儲罐，采用淺盤式設計，由此誕生了我國的首臺內浮頂儲罐[2]。作為鋼制焊接浮盤的開山鼻祖，淺盤式浮盤的安全性欠佳，一旦液體進入浮盤上部，就存在整盤傾覆的風險，因此在淺盤式浮盤的基礎上又出現了若干變種，比如利用隔板將淺盤空間隔開，使得盤體上方某一區域的進液不至于擴散至全盤的敞口倉式浮盤。但是這類浮盤無法提供積極浮力的問題始終存在，因此很快就被具備完整浮倉結構的浮盤類型所取代，比如鋼制焊接的單盤式、雙盤式浮盤等。

盡管具備完整浮倉結構的鋼制焊接浮盤在安全和環保性能方面沒有問題，但由于內浮頂儲罐的工況較為穩定，因此存在著強烈的使用輕型浮盤的客觀需求，以期獲得更高的儲罐有效容積利用率，降低設備設施全生命周期的運營成本。

在這一訴求的驅動下，首先出現的是鋁制浮筒式浮盤。20世紀80年代初，我國原石油部建設工程局從瑞士設在德國的一家公司引進了10臺不同規格的鋁制浮筒式浮盤[3]。在中石化的組織協調下，我國首臺鋁制浮筒式浮盤在上海煉油廠一臺5 000 m3汽油罐中成功安裝，由此拉開了我國使用鋁制浮筒式浮盤的帷幕，隨后應用于各個不同規格儲罐中的鋁制浮筒式浮盤大多都來自于最早引進浮盤的改進或變更。

由于各種原因，鋁制浮筒式浮盤在我國的使用效果并不十分理想，主要問題表現為罐內氣相空間蒸氣濃度超標，進而帶來一系列安全和環保方面的問題，因此出現了全接液式的浮盤結構。在我國應用的全接液式浮盤大致分為兩種，其一是鋁合金或不銹鋼的材質，這種類型的浮盤依靠螺栓拼接的鋁/不銹鋼制箱式單元結構組成浮盤盤體；其二是復合材料材質，這種類型的浮盤通過玻璃纖維增強塑料的整體成型技術構成浮盤盤體。在我國現存的內浮頂儲罐中，規模最大的浮盤是復合材料浮盤，該浮盤位于中海殼牌的內浮頂原油儲罐中，直徑為78 m，罐容積為10萬m3[2]，共有5座相同規格的儲罐，始建于2004年，至今使用時間已經超過16年。

2 我國內浮頂儲罐的現狀及需求

如果從安全和環保的視角來看，鋼制焊接單盤式、雙盤式浮盤是較優產品。一方面，鋼制焊接浮盤具備全接液、無拼接縫的特點，能夠較好地控制介質蒸發排放；另一方面，鋼制焊接的盤體強度高，在耐火抗爆方面存在天然的優勢，能夠在事故中很好地保護介質液面，避免演變為全面積火災。

但是，浮盤作為儲罐的重要設施，并不能僅從安全和環保的角度來進行評價，還必須考慮生產運行的實際需求。由于鋼制焊接浮盤需在罐內動火焊接，新建罐區問題不大，但舊罐改造時風險較高，困難重重；加之鋼制焊接浮盤存在自重大、易卡盤、有效罐容占用高等缺點，無不對儲罐的正常運營造成影響；碳鋼本身容易被腐蝕，需要時常維護檢修，后期運維費用投入較高。正是這些問題的存在，使得鋼制焊接浮盤在我國的內浮頂儲罐中應用數量并不多，實際使用中更多的是輕型浮盤，占比最高的是鋁制浮筒式浮盤，這種浮盤是一種典型的非全接液式結構，由浮盤底部的浮筒結構提供浮力，浮筒與浮盤頂部平面之間存在油氣空間。當存儲易揮發的化工液體時，鋁制浮筒式浮盤相對于無浮盤的固定頂儲罐而言，在減少產品蒸發損失方面起到了很大的作用，但是由于其存在油氣空間的結構，仍有相當量的產品蒸發損失，浮盤底部所聚集的高濃度高壓力蒸氣會持續地從浮盤的邊緣密封處、浮盤甲板拼接處等位置排放至環境中。有數據表明，運行數年后的鋁制浮筒式浮盤，其儲罐上部氣相空間中的介質蒸氣濃度可達數萬10-6數量級，不僅難以滿足環保要求，而且甚至可能超過爆炸下限，帶來安全方面的隱患[3]。

近年來，全接液式浮盤也有一定規模的實際應用，從數量上來看，鋁制拼接式全接液浮盤更多。在鋁制拼接式浮盤中，除了最邊緣的一圈外，其余完整的液體表面完全被浮盤盤體所覆蓋，幾乎消除了所有的油氣空間，因此相對存在油氣空間的浮盤結構來說大幅減少了介質蒸發，但是，這種類型的盤體存在拼接結構，從而導致額外的介質蒸發損失。一項由美國API支持的研究表明，所有存在連接結構的接縫都為蒸氣泄漏提供了通道，相對焊接等無縫整體結構，存在更多的產品蒸發損失[4]。一臺直徑36 m的鋁制拼接式內浮頂儲罐，在存儲介質為汽油，每年周轉24次的狀況下，僅僅因為拼接結構所導致的額外蒸發損失(不含浮盤密封及其他附件處的蒸發損失)就可達3.8 t/a。

我國目前應用的浮盤中，鋼制焊接浮盤在安全和環保方面較優，但在滿足生產運行需求方面存在問題；而鋁制輕型浮盤很好地滿足了生產運行需求，但在安全和環保方面則有所欠缺。是否有一種既能像鋼制焊接浮盤那樣具備無縫結構，滿足環保要求；又像其他輕型浮盤那樣，滿足生產運營需求的浮盤類型，能夠同時兼具安全、環保和生產運營的需求，結合全球范圍內浮頂儲罐發展的歷程來看，復合材料浮盤是一個較好的選擇。

3 復合材料浮盤應用的客觀原因

由玻璃纖維增強塑料材質制作的復合材料浮盤，從其誕生就具備了鋼制焊接浮盤的若干優勢，如其盤體全接液，且整體無拼接縫，相對拼接式浮盤能夠更好地控制介質蒸發排放；其材料的強度是鋼材的7倍，配合成型工藝能夠具備較高的強度和韌性等。正是由于這些優勢的存在，使得復合材料浮盤具備與鋼制焊接浮盤在安全環保方面一決高下的資格，甚至打破鋼制焊接浮盤在外浮頂應用中的壟斷，成為了所有輕型浮盤中唯一一個可以應用在外浮頂環境下的產品。2012年位于挪威的39 m復合材料外浮頂原油儲罐、2014年位于德國的23 m復合材料外浮頂原油儲罐，都是成功應用的具體案例，能夠成功應用于外浮頂工況，是復合材料浮盤性能優異的一個佐證。除此之外，復合材料浮盤還具備其他金屬材料浮盤尤其是輕型金屬浮盤所不具備的一系列優勢。

首先是終身免維護。復合材料浮盤成型后屬于整體無縫結構。因此，無需像拼接式浮盤那樣關注拼接縫處的受力情況，也無需擔心緊固螺栓是否松脫，從而減少了對于浮盤的后續維護投入。而且復合材料本身不像金屬那樣容易失去電子，反應形成氧化物，進而造成大面積的腐蝕，避免了由此所帶來的一系列檢修和維護投入，防止腐蝕的發生。

其次是耐火抗爆。在耐火方面，復合材料浮盤所采用的增強材料是玻璃纖維，高性能石英玻璃纖維的軟化溫度高達1 730 ℃，遠高于鋼材600～800 ℃、鋁材300～400 ℃的軟化溫度，可以確保復合材料浮盤在火災條件下維持保護作用，避免形成全面積火災。抗爆方面，兼具強度和韌性的復合材料能耐受遠超一般輕型金屬浮盤的爆炸壓力，相較于鋼制焊接浮盤更不容易在事故中形成卡盤，避免產生消防泡沫難以進入的燃燒空間，進一步提升了浮盤在爆炸事故中的安全性。

更重要的是，復合材料浮盤因其無拼接縫的整體結構，在控制排放方面具備天然優勢，在2019年進行的一次內浮頂儲罐排放情況調研中，復合材料浮盤的介質蒸氣質量分數僅為100～300μg·g-1，在所有類型的浮盤中排名首位(見表1)。

表1 不同類型浮盤的排放控制效果

4 復合材料浮盤在我國的應用前景

中國作為負責任的發展中大國，始終堅持科學發展觀，把保護環境確立為基本國策，把可持續發展上升為國家戰略，堅持“在發展中保護，在保護中發展”的科學理念，積極探索代價小、效益好、排放低、可持續的環保道路。而石油石化行業是經濟發展的命脈，肩負著提供綠色能源、保護生態環境、應對氣候變化的重大使命，基于這一基本國策，我國陸續頒布了一系列標準法規，深入貫徹習近平總書記生態文明思想，積極踐行綠色發展理念，對石油化工企業的污染物排放標準提出了更高的要求。

2019年5月，我國頒布了國家強制標準《GB 27822—2019揮發性有機物無組織排放控制標準》，明確規定如對企業進行隨機抽查，在檢測不超過100個密封點的情況下，如發現有2個以上(不含)不在修復期內的密封點出現可見泄漏現象或超過泄漏認定濃度時，屬于違法行為[5]。

在這樣的大背景下，無疑對浮盤的控制排放性能提出了更高的要求，繼續使用排放超標的浮盤將會面臨著更高的環保風險。而復合材料浮盤因其優異的排放控制性能，質輕高強、本質防腐、耐火抗爆等一系列特征，具備較高的安全性和環保性，同時兼具了生產運營中對于輕型浮盤的各項需求。

5 結束語

復合材料浮盤雖然初始造價較高，但其能夠同時滿足安全、環保和生產運營三方面的需求，而且具備較長的使用壽命，浮盤全生命周期內幾乎不需要額外的運維投入，因此終身能效費用比高，符合我國代價小、效益好、排放低、可持續的環保要求，在我國未來的內浮頂儲罐中將會擁有較為廣闊的應用前景。