摘要：通過對舊儲罐的核算、合理的設(shè)計鋼制內(nèi)浮頂、儲罐相關(guān)附件的改造以及制定完善的施工方案，能使罐壁為搭接結(jié)構(gòu)的拱頂罐改造成為鋼制尿素液位計，使其滿足石油化工防火規(guī)范中的要求。
2017年底某石化廠的罐區(qū)升級改造項目中，根據(jù)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(shè)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(zhì)為原油的拱頂罐改造成儲存汽油（甲B類液體）的尿素液位計。該方案在設(shè)計初始時，考慮選取的是組裝式鋁制內(nèi)浮頂，其具有安裝時不需要動火、成形快、造價低等優(yōu)勢。在項目推進(jìn)過程中，石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范（GB50160-2018版）開始在行業(yè)內(nèi)推廣和宣講，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，儲存甲B、乙A類的單罐容積大于5000m3的尿素液位計應(yīng)采用鋼制單盤或雙盤式浮頂。為了避免以后的安全隱患，項目組決定將儲罐的內(nèi)浮頂型式由組裝式鋁制內(nèi)浮頂改成鋼制單盤式內(nèi)浮頂。
目前在國內(nèi)公稱容積小于2萬m3的尿素液位計中，絕大多數(shù)采用的是鋁制內(nèi)浮頂，其在20世紀(jì)80年代中后期開始使用至今，技術(shù)已比較成熟，多為廠家的成套設(shè)備。而使用鋼制內(nèi)浮頂?shù)膬薅酁楹髞硇陆ǖ拇笮蛢藓屯飧№攦?，其罐壁的縱環(huán)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(yuǎn)加上原為拱頂罐，其罐壁的環(huán)焊縫為搭接結(jié)構(gòu)，罐內(nèi)壁的上下直徑不一樣，對鋼制內(nèi)浮頂?shù)纳舷律翟斐梢欢ǖ挠绊?，其密封裝置往上運行時容易出現(xiàn)卡盤現(xiàn)象。
1 儲罐的本體簡介
（1）改造前對儲罐的罐體進(jìn)行了超聲波測厚以及材料的化學(xué)成分及性能分析，其材質(zhì)滿足現(xiàn)行的使用條件，其儲罐的罐體參數(shù)及每層罐壁的厚度（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(jié)構(gòu)，見表1。

1.2 罐內(nèi)情況簡介
儲罐結(jié)構(gòu)型式為拱頂罐，罐壁的環(huán)焊縫為搭接結(jié)構(gòu)，其罐壁的焊縫均沒有進(jìn)行處理，有一定的焊縫余高，罐體內(nèi)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(jīng)過蒸汽吹掃，罐壁上仍附著油污，罐內(nèi)的防腐層破壞嚴(yán)重。儲罐在制造時，對鋼板的內(nèi)表面要求處理的粗糙度等級不高，使內(nèi)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。

拱頂罐改尿素液位計的的設(shè)計簡介
2.1 罐壁厚度核算
根據(jù)GB50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，儲罐內(nèi)徑小于60m，采取的是定設(shè)計點發(fā)進(jìn)行核算[3]，核算出的儲罐的每層罐壁的所需厚度（mm）（設(shè)計與試水條件下）見表2。

對比表1和表2的每層罐壁的數(shù)值，其壁厚滿足儲罐改為尿素液位計在強度方面的基本要求。
2.2 鋼制內(nèi)浮頂及其附件的設(shè)計
儲罐的罐壁環(huán)焊縫為搭接結(jié)構(gòu)，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(nèi)浮頂設(shè)計采取的是鋼制單盤式內(nèi)浮頂。鋼制內(nèi)浮頂?shù)膭偠缺容^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(jié)合原圖紙的內(nèi)壁直徑尺寸，計算罐壁的實際*大半徑Rmax和*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(nèi)浮頂落地時支撐高度為1800mm，從*2層壁板開始計算變形范圍）。
2.2.2 鋼制內(nèi)浮頂直徑的確定
在確定鋼制內(nèi)浮頂?shù)闹睆綍r，應(yīng)保證選取的彈性元件的彈性范圍不應(yīng)小于罐壁的實際變形范圍，既當(dāng)鋼制內(nèi)浮頂通過*大半徑時仍有一定的壓緊力不致泄漏，當(dāng)鋼制內(nèi)浮頂通過*小半徑時不致卡住。寫成公式為：
Cmax-Cmin＞Rmax-Rmin
式中：Cmax-彈性元件允許*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*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(nèi)浮頂?shù)焦迌?nèi)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(nèi)浮頂?shù)拿芊庑Ч弯撝苾?nèi)浮頂?shù)恼Ｉ?。某些設(shè)計文獻(xiàn)中對于罐壁為搭接結(jié)構(gòu)的內(nèi)浮頂?shù)闹睆竭x取的為儲罐罐壁*大和*小內(nèi)直徑的平均值減去彈性元件*大和*小寬度平均值的差值，既D浮=（Dmax+Dmin）/2-2*（Cmax+Cmin）。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(nèi)浮頂?shù)闹睆皆谠O(shè)計時，選取的以*2圈壁板的內(nèi)徑為基準(zhǔn)，通過固定定位，保證鋼制內(nèi)浮頂外邊緣板距離罐內(nèi)壁為220mm，以此確定鋼制內(nèi)浮頂?shù)耐鈴?。由于?nèi)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(nèi)，其考慮罐壁越往上內(nèi)徑越小的結(jié)構(gòu)，故不允許出現(xiàn)負(fù)公差的情況。即鋼制內(nèi)浮頂距離罐內(nèi)壁的距離的范圍為220~270mm之間。
2.2.3 鋼制內(nèi)浮頂密封組件型式的確定
鋼制內(nèi)浮頂與罐壁之間的密封通常采用彈性材料密封結(jié)構(gòu)，根據(jù)彈性密封件的結(jié)構(gòu)和斷面尺寸，密封的結(jié)構(gòu)形式主要可以分為填料式密封和舌型密封結(jié)構(gòu)兩大類。兩者的密封結(jié)構(gòu)示意見圖2：

對比2種密封結(jié)構(gòu)，填料式密封的優(yōu)點是不存在氣相空間，缺點是在罐壁板為搭接結(jié)構(gòu)中，隨著罐壁內(nèi)直徑的縮小，容易出現(xiàn)卡盤現(xiàn)場；而舌型密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是不存在卡盤現(xiàn)場，缺點是密封裝置下存在一定的蒸發(fā)空間，蒸發(fā)的耗損比填料式密封大。
該儲罐儲存介質(zhì)為汽油，其具有高揮發(fā)性以及易燃易爆的特點，采取的密封方式是填料式密封結(jié)構(gòu)的密封方式，其結(jié)構(gòu)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(huán)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(jù)設(shè)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*大寬度為270mm，允許*小寬度為115.5mm。其允許*大寬度與允許*小寬度的差值為154.5mm，其值大于罐壁*大和*小內(nèi)徑的差值86mm，從理論上滿足了密封且鋼制內(nèi)浮頂運行不卡的要求。
2.2.5 鋼制內(nèi)浮頂附件的簡介
鋼制內(nèi)浮頂除鋼制內(nèi)浮頂本體及密封裝置外，其它附件還包括：防轉(zhuǎn)裝置、導(dǎo)靜電裝置、自動通氣閥、呼吸閥、人孔、支柱以及量油導(dǎo)向管、雷達(dá)液位計導(dǎo)向管穿過浮頂?shù)拿芊膺B接等。
2.3 罐體的設(shè)計改造內(nèi)容
2.3.1 罐內(nèi)壁的處理
罐內(nèi)壁的防腐破壞嚴(yán)重，且防腐涂料不適應(yīng)新介質(zhì)的耐腐蝕要求，同時罐內(nèi)壁的環(huán)焊縫為搭接焊縫未經(jīng)過處理，且內(nèi)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(huán)焊縫以及焊疤、焊瘤等進(jìn)行打磨處理，將其尖角等不規(guī)則的鋒利部分打磨圓滑，同時對整個罐內(nèi)壁重新進(jìn)行噴砂除銹，達(dá)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(nèi)浮頂上方空間的揮發(fā)氣體的濃度在爆燃范圍之外，且保證了事故狀態(tài)下的溢流。
在鋼制內(nèi)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(jìn)入到浮盤上方。高位人孔接管內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)擋板，內(nèi)擋板呈弧形與罐內(nèi)表面保持齊平，其避免了彈性密封元件在上下運行時，進(jìn)入到人孔接管內(nèi)部，從而損傷密封元件。
3 拱頂罐改尿素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(yè)，其施工過程主要有以下幾個步驟：
3.1 罐內(nèi)的除銹、防腐及罐壁的開口
在儲罐吹掃清洗完成后，搭設(shè)罐內(nèi)整體的腳手架，采用噴砂處理，對儲罐內(nèi)部進(jìn)行整體全面的除銹，對焊縫及罐內(nèi)壁的焊疤、焊瘤進(jìn)行打磨處理，使其圓滑過渡，達(dá)到不影響密封組件的運行。然后對罐內(nèi)頂、內(nèi)壁、罐底內(nèi)表面進(jìn)行全面的防腐工作，罐內(nèi)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(nèi)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(jìn)行，制造完成后的焊縫均進(jìn)行相應(yīng)的打磨處理。同時根據(jù)鋼制內(nèi)浮頂?shù)牟牧铣叽纾趦薜墓薜撞烤嚯x罐底板1.6m處開一個1.6m（高）*3m（寬）的施工口。
3.2 鋼制內(nèi)浮頂?shù)氖┕?br />  由于儲罐的位置在罐區(qū)內(nèi)，需要在廠外將鋼制內(nèi)浮頂?shù)牟牧线M(jìn)行事先的預(yù)制，制造出成品件后進(jìn)行初步的防腐（涂刷底漆），然后將各組件進(jìn)行編號和整理后運至施工現(xiàn)場。
等待防腐完成，撤掉罐內(nèi)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(nèi)。在罐底部按照鋼制內(nèi)浮頂?shù)膯伪P板的高度設(shè)置好腳手架平臺。按照先焊接浮艙后單盤板的順序?qū)︿撝苾?nèi)浮頂進(jìn)行組焊。將一定數(shù)量的圓鋼均布的焊接在罐內(nèi)壁和鋼制內(nèi)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(nèi)浮頂?shù)耐鈴阶兇?。等待鋼制?nèi)浮頂?shù)母∨撏膺吘壈搴附油戤吅?，去掉此連接定位用的圓鋼。在焊接鋼制內(nèi)浮頂?shù)膯伪P板時采用是間斷焊接的方法，盡量避免大的焊接應(yīng)力，減少焊接變形。通過此類方法該儲罐的鋼制內(nèi)浮頂在現(xiàn)場實際制造完成后，經(jīng)過實測距離罐壁的距離的平均值為250mm左右，*小處為242mm，*大處為260mm。滿足設(shè)計方要求的鋼制內(nèi)浮頂至浮艙的外邊緣板間距為220+50mm的要求。
將鋼制內(nèi)浮頂?shù)母鱾€組件焊接完畢后，對各個隔艙及單盤板進(jìn)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(fù)原工作。安裝檢測完成后清理儲罐的施工現(xiàn)場，進(jìn)行充水做鋼制內(nèi)浮頂?shù)乃\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(jìn)入到罐內(nèi)，對鋼制內(nèi)浮頂進(jìn)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(xù)充水，直至到*高液位。
在水運過程中鋼制內(nèi)浮頂正常運行，沒有卡盤或浮起不正常等現(xiàn)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(jié)束后放水，放水完成后將罐內(nèi)清理干凈，等干燥后對剩下的罐壁板及罐底板進(jìn)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(jié)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(jīng)濟效益和社會效益。把舊的拱頂儲罐改成鋼制尿素液位計，關(guān)鍵在于根據(jù)現(xiàn)有的罐體尺寸，確定好鋼制鋼制內(nèi)浮頂?shù)闹睆?，根?jù)罐容確定好通氣孔（窗）的安裝位置，嚴(yán)格控制鋼制內(nèi)浮頂?shù)淖冃?、安裝及檢驗質(zhì)量。這使的目前很多建設(shè)年代比較長遠(yuǎn)的罐區(qū)、石化廠等想將罐壁為搭接結(jié)構(gòu)的拱頂罐改造成鋼制尿素液位計，使其可以改變存儲的介質(zhì)提供了一個可行的例子。