航空煤油储罐特点及施工难点分析

航空煤油储罐特点及施工难点分析冷明1易敬2陈磊31．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249；2．北京中航油工程建设有限公司，北京100621；3．西南石油大学石油工程学院，四川成都610500摘要：针对国内有关航空煤油储罐的介绍大多针对某施工项目完成或某项新技术在航煤储罐中应用的问题，系统总结了国内外航煤储罐的发展以及特点，分析了航空煤油储罐采用锥形罐底、浮动吸油装置以及防腐防静电处理等一系列方法是为在较短沉淀时间以更快的速度安全高效地转运高质量航空煤油。同时，结合国内某10000m3航空煤油储罐施工工程实例总结了储罐建设中的难点，包括储罐焊接变形控制、锥形罐底施工、罐壁倒装法施工及浮动吸油装置装配等，并通过对各施工难点分析，逐一给出解决措施。关键词：航煤储罐；锥形罐底；浮动吸油管；防腐蚀静电处理；建设施工中图分类号：TE821文献标识码：Adoi：网络出版时间：网络出版地址：近期航空事故频繁出现，航空煤油（以下简称航煤）储罐作为民用机场供油设施中核心装置对于油品质量的控制显得尤其重要[1]。航煤储罐与一般的原油、成品油罐相比具有特殊的结构，在建造施工及使用过程中存在一些难点。储罐大型化是发展趋势，但大型航煤储罐罐顶技术尚不成熟、相应的设计及验收规范尚不完整、施工技术相对落后以及有资质的施工团队较少等因素制约了航煤储罐的发展。目前国内最大的航煤储罐为30000m3，常用的一般不超过20000m3。我国民航系统所用大型航煤储罐尚无完整的设计规范和建设经验，目前依据的标准主要为中航油建筑工程设计研究院修订的MH5008－2005《民用机场供油工程建设技术规范》。因此，在总结国内外航煤储罐发展及其特点基础上，结合国内某10000m3航煤储罐工程实例，具体分析其施工难点并提出解决措施。1国内外航煤储罐发展及航煤储罐特点1.1国内外航煤储罐发展20世纪50年代，国外便已开始试验采用非金属材料（泡沫塑料，玻璃钢等）用于内浮顶航煤储罐的内浮盘安装。在60－70年代，美国在航煤储罐上已经广泛采用铝制内浮顶，所有立式航煤储罐以及部分原油、成品油储罐均按API650规定采用锥形罐底，并已成熟运行30－40年，相关航煤储罐的设计以及施工技术较为成熟。截至目前，航煤储罐设计使用的主要规范为美国的API650，英国的BS2654以及日本的JISB8501。早期，我国航煤储存广泛采用拱顶罐，但航煤蒸发性高，同时拱顶罐在储存与收发油时存在“小呼吸”与“大呼吸”，油品蒸发损耗较大[2]。为保证航煤洁净，常采用“三罐制”，即使用罐—储存罐—沉淀罐来获取合格的航煤，该方法增加了生产成本，且延长了油品的沉淀时间[3]。基于此，80年代初，我国民航系统设计采用一种新式的锥形底航煤储罐，用来排出罐内沉积污水，提高航煤的质量。90年代后此种罐型在得到广泛应用。1988年，浙江义乌泵业有限公司（原浙江义乌石油油泵厂）成功研制出可供500m3航煤储罐安全使用的DN100浮动式吸油装置并应用于拱顶罐；1991年，总后勤部油料研究所成功研制了大管径油罐浮动出油装置，并迅速推广应用于机场油库[4]。该种锥形罐底加上浮动吸油装置的使用成功取代2014-05-1520:29了“三罐制”航煤储罐。九五期间是我国机场建设的高峰期，根据民航油料设计规范，90年代后期建设的立式煤油储罐必须安装浮动吸油装置[5]。我国于60年代后期开始研制主要应用于原油储罐的铝制内浮顶储罐，1996年应用于民航系统航煤储罐。由中航油华东油料等3家公司共同研制的国内首个铝制内浮顶浮动出油装置成功应用于10000m3航煤储罐，该装置是国内铝制内浮顶与浮动出油装置两项成熟技术的结合，截至目前，国内航煤储罐仍广泛采用装有浮动出油装置的装配式铝制内浮顶。1.2航煤储罐特点航煤主要用作飞机燃料，对水分、悬浮物等杂质控制极严格，少量的水与杂质就可能引起航空发动机过滤器、阀门管道等产生冰堵、金属腐蚀等问题。航煤的性质及其使用场合决定了其储存容器不同于一般原油、成品油罐。MH5008－2005规定航煤储罐应该采用立式内浮顶锥底油罐或卧式油罐。卧式油罐罐容相对较小，在民航系统油库中常用作零位罐，即储存油库区污油，容积大于100m3时便可采用立式储罐。1.2.1锥形罐底采用锥形罐底（图1）是航煤储罐最主要的一个特点。为控制航煤含水量，去除油品中的机械杂质，民用机场规范中规定航煤储罐采用锥底设计，锥底坡度不应小于4%，且为了及时排出沉淀于罐底的水和杂质，防止油品中的水、无机盐、微生物等对罐底罐壁的腐蚀，需在罐底中心设置排污口[6]。采用锥形罐底不仅能够保证油品清洁，而且延长了罐体的使用寿命。图1煤油储罐锥底结构示意图为保证航煤质量，及时排除游离水及沉淀物，美国军用标准MIL-STD-1518B也规定航煤储罐罐底需设排污口，且规定排污管道流速不宜过大，阀门应半开，以防航煤因涡旋流入排污口阻止污水及时排出[7]。储罐使用时间过长，油品的渗漏事故将会增大，为预防控制煤油渗漏，美国从1989年开始对国内油库进行改造，设计出新型结构（图2）。储罐采用锥底设计，锥底下设置渗漏检测的二次密封装置，一旦发现罐体渗漏，从储罐旁边测漏井中可立即检查到，并迅速采取措施以减小损失，该种罐型在国内并未得到推广。图2美国新型锥底罐二次密封示意图1.2.2浮动吸油装置为获得高质量航煤，80年代末，民航系统设计采用一种浮动吸油装置，将储罐内吸油口从罐底移至罐顶，这样能时刻抽取上层相对洁净的油品，同时降低了油品在罐内沉降时间，提高了油罐的周转速度和利用率。早期浮动出油装置是为拱顶煤油罐设计的，采用单回转装置，吸油管只能绕回转轴转动，又称单臂式吸油装置（图3）。该装置存在诸多缺陷，如吸油管的浮力配置困难，回转装置设计安装要求高，尤其在进行储罐初次装油、清扫检修后再次装油时应预防回转装置出现卡死状况；适用于直径较小的拱顶罐，吸油管直径小（约DN100），流速不宜过大（≤4.5m/s），流量相对也较小（约100m3/h）。同时，采用拱顶罐储存航煤，其蒸发损耗仍然严重。目前，常使用安装浮动出油装置的内浮顶锥底罐储存航煤，采用双回转轴的吸油管固定于内浮盘上，随浮盘上下浮动吸油（图4），此种结构可有效降低航煤蒸发损耗，同时保证油品的吸出质量。浮动吸油装置为双臂式结构，吸油管直径可达DN500，吸油流量大大增加，最大体积流量可达3500m3/h。在出油量大、周转系数高的储罐中常并联两个浮动吸油装置给机场供油。采用锥形罐底与浮动出油装置结合的航煤储罐可以有效降低航煤在储罐中沉淀时间，通常为2h，而早期的航煤储罐沉淀时间通常大于8h；根据美国MIL-STD-1518B标准，航空燃料在储罐沉降时间也约为2h，当有紧急情况时，通过一系列设施，沉淀时间可缩短至30min。图3拱顶罐单臂式浮动吸油装置示意图图4内浮顶罐双臂式浮动出油装置示意图1.2.3防腐蚀处理航煤储罐内壁需全面内防腐处理，不仅有助于去除机械杂质，防止微生物繁衍，还可以保证航煤的储存环境，预防泄漏。航煤储罐外壁做喷砂涂漆即可，而内壁、罐底应进行高等级除锈，防腐层施工。除锈应将罐内壁板因焊接而产生的凹凸处磨平，除锈达到St2，表面清洁度应至少达到Sa2.5。防腐层应采用使用寿命达到10年以上防腐涂料，并多层喷涂，底漆应能够预防金属表面腐蚀，并具有一定的导电性能。防腐涂料使用不当易引发事故，如浙江某油库储罐内壁在导静电涂层使用几年后，开罐检查发现罐底部穿孔严重，罐壁离罐底高200mm范围内，点腐蚀严重，罐底及罐壁300mm高以下涂层破坏严重[8]。防腐涂料脱落引起的罐底腐蚀属点腐蚀最多，且发生点腐蚀部位为罐底凹陷处，据统计，油罐腐蚀中底板腐蚀占40%，因腐蚀穿孔造成事故的占76.4%[9]。因此需加强对罐底的腐蚀控制，通常在喷涂防腐涂料的基础上，对罐底施以牺牲阳极的阴极保护来减缓腐蚀速率。1.2.4防静电处理1987年10月，浙江椒江市石油公司油库航煤油罐在收油时发生爆炸，经调查，经翻新的拱顶罐在罐顶处有多处金属突出物未清理，罐底第二层圈板处的重复焊接时的残留突出物未清理，且油罐在进油时，流速远远高于其安全流速，导致静电积聚，最终导致金属突出物件间火花放电，酿成事故[7]。航空煤油电导率小，在收发油过程中易产生静电，积累到一定程度容易产生火花放电危险。因此，需对储罐进行防静电处理。未加入抗静电剂的航煤入罐时，初始速度不大于1m/s，当航煤浸没注入口200mm后，开始提高流速，最大流速可达到7m/s，加入抗静电剂的油品则不受此限制。在航煤管道系统中储罐出入口均设有过滤器，GB13348－2009规定从过滤器出来的航煤应预留至少30s缓冲时间消散静电，因此，入口段前应保持一段约30m长的直管段。同样，吸油管吸油速度不应高于4.5m/s。浮动吸油装置各金属部位、浮盘、罐体应用导线连接形成等势体，并经罐体引出导线将多余电荷导入土壤。罐内壁防腐层涂料是否采用导静电涂料有待商榷，文献[10]中对国内外航煤储罐使用的防腐涂料进行比较，发现国外并没有明确规定储罐内壁采用导静电涂料。实际上，国外普遍采用不导静电涂料，而GB13348－92明确规定航煤储罐内壁应使用防静电涂料。涂料的体积电阻率越低，防静电性能越好，但涂层附着能力降低，防腐性能下降[9]。罐内壁如采用防静电涂料，可及时导出油品聚集的电荷，但涂料的性能会随使用时间增加而降低，一般使用5~6年便会脱离，脱落物不仅污染了航煤，同时脱离部位易产生金属腐蚀。GB13348－2009将油品加入防静电添加剂的安全电导率提高至250PS/m，并且调整了油罐内壁导静电涂料电阻率的要求，即当油罐内壁采用导静电型防腐蚀涂料时，应采用本征型导静电防腐蚀涂料或非碳系的浅色添加型导静电防腐蚀涂料，涂层的表面电阻率为108~1011Ω，而GB13348－92规定的防静电防腐涂料面电阻率低于109Ω，意味着2009年后，在建航煤储罐内壁既可采用导静电防腐涂料也可采用不导电防腐涂料[11-14]。2建设施工难点分析及解决措施结合国内某10000m3航煤储罐施工项目具体探讨储罐施工过程中建设难点及解决措施。2.1施工难点分析2.1.1焊接质量要求高，变形控制严格航煤储罐的特点决定了其施工过程不同于普通储罐。大型航煤储罐采用现场组装焊接，焊接种类多，工艺多变，焊缝数量大，长度可达几万米，焊接工艺评定按照GB50128－2005规范进行。为防止高渗透性煤油泄漏，焊接质量需严格控制，焊接后应及时去除焊缝表面杂质，杜绝可视焊接缺陷，部分焊接完成后应至少采用两种方法进行无损检测[15-16]。施焊过程中，罐底三层钢板处T型焊缝、罐底边缘板与中幅板交接处小夹角焊缝、罐底板与边缘板大角焊缝等处理难度大（图5）。罐底边缘板与中幅板之间存在小角a，且接头处为三层钢板焊接，极易产生应力。较小的焊接变形便可产生应力集中，需严格控制焊接变形量。超过规定变形量的罐体使用时容易产生残余应力，从而导致焊缝延迟性缺陷。罐壁板的焊接变形过大会导致浮盘卡死，浮动出油装置失效等严重问题[17]。图5罐底边缘板与底圈壁板受力示意图有资料表明，对于储罐内罐壁板及底板本身来说，由于母材电势高于焊缝，则在焊缝区域与母材之间可形成原电池，且腐蚀速率受焊缝表面积与母材表面积比值的影响（表1）。罐底中幅板、边缘板及壁板预制尺寸及焊接时缝隙裕量应按GB50128－2005中规定做好控制，即保证焊缝符合验收规范，也应避免焊缝处于1、2类腐蚀区。表1腐蚀速率与焊缝面积、母材面积关系类别C（母材表面）/A（焊缝表面积）腐蚀的可能性1C＞＞＞A焊缝区发生严重腐蚀2C＞＞A焊缝区发生腐蚀3C＞A焊缝区有轻微腐蚀4C=A焊缝边缘有腐蚀2.1.2锥形罐底施工难度大MH5008－2005规定锥形罐底板坡度大于4%，罐底中心须设置集油槽，且须严格控制油罐基础土建中心与油罐安装中心重合度及罐底板与锥形基础贴合度。航煤储罐的锥形罐