Совершенствование конструкции вторичного уплотнения уплотняющих затворов плавающих крыш резервуаров

УДК 622.692.23.075.4

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВТОРИЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ УПЛОТНЯЮЩИХ ЗАТВОРОВ ПЛАВАЮЩИХ КРЫШ РЕЗЕРВУАРОВ

И.Р. ШАМСУТДИНОВ, магистрант кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ

М.Э. ДУСАЛИМОВ, к.т.н., доцент кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ

Ф.М. МУСТАФИН, д.т.н., проф. кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1).

Рассмотрены существующие конструкции уплотняющих затворов жесткого типа для плавающих крыш резервуаров. Уделено особое внимание недостаткам существующих вторичных уплотнений, которые недостаточно качественно предотвращают попадание пыли и осадков в продукт, хранящийся в резервуаре. С целью повышения герметичности уплотняющих затворов плавающих крыш предложено производить рациональный подбор формы и материалов вторичного уплотнения. Предложенное вторичное уплотнение становится более стойким к низким температурам, надежным, прочным и сохраняющим работоспособность при прохождении сварных стыков, а также при холодном отрыве, обеспечивает дополнительную очистку стенок резервуара за счет заостренных концов.

Ключевые слова: затвор, уплотняющий затвор, вторичное уплотнение, уплотнение, резервуар, плавающая крыша, герметичность, конструкция.

В настоящее время большинство резервуаров оснащены средствами сокращения углеводородных выбросов, такими как диски-отражатели, газовые обвязки, газоуравнительные системы, системы улавливания легких фракций, плавающие покрытия. Одним из наиболее эффективных способов сокращения потерь нефти и нефтепродуктов являются резервуары с плавающими покрытиями, которые позволяют сократить потери нефти и нефтепродуктов на 80-90% [1]. Из этой группы можно выделить резервуары с плавающей крышей, которые в общем объеме хранимых продуктов составляют около 30%. Одним из важнейших узлов таких резервуаров является уплотняющий затвор плавающей крыши, так как именно от качества герметизации зазора между плавающей крышей и стенкой резервуара в значительной степени зависит достигаемая величина сокращения потерь хранимого продукта от испарения [2].

В настоящее время для плавающих крыш наиболее часто применяются уплотняющие затворы жесткого типа, так как они наиболее полно отвечают современным требованиям эксплуатации резервуаров.

Жесткий уплотняющий затвор (на примере УЗПК, выпускаемого ЗАО «Нефтемонтаждиагностика», г. Уфа), (рис. 1) состоит из следующих элементов и узлов: вторичное уплотнение 1, подвеска скользящего листа 3, скользящий лист 4, пружина 5, первичное резинотканевое уплотнение 7, рычаг подвески скользящего листа 8, атмосферный щиток 9 [3].

Актуальной задачей на сегодняшний день является повышение герметичности уплотняющих затворов плавающих крыш резервуаров, так как это позволит сократить потери от испарения хранимого продукта. Этого можно добиться усовершенствованием вторичного уплотнения. Так же на основе опыта эксплуатации существующих конструкций уплотняющих затворов можно сделать вывод о том, что

Рис. 1. Схема жесткого затвора УЗПК: 1 - вторичное уплотнение; 2 - стенка резервуара; 3 - узел подвески; 4 - скользящий лист; 5 - пружина; 6 - узел удаления остатков нефти; 7 - первичное резинотканевое уплотнение; 8 - рычаг подвески; 9 - атмосферный щиток; 10 - кольцевой обод плавающей крыши

вторичное уплотнение жестких затворов не полностью отвечает современным техническим требованиям эксплуатации резервуаров и требует доработки с целью повышения эффективности работы уплотняющего затвора.

Вторичное уплотнение образовано из петлевидной резиновой ленты, принимаемой к стенке вставленными внутрь нее прижимами (рис. 2).

В настоящее время при эксплуатации уплотняющих затворов выявлены следующие недостатки вторичных уплотнений:

- скапливание воды в месте контакта стенки резервуара и радиусной манжеты;

- примерзание вторичного уплотнения;

- разрыв вторичного уплотнения при прохождении горизонтальных швов.

В целях устранения данных недостатков и повышения герметичности всего уплотняющего затвора предлагается скользящийтс1 усовершенствовать конструкцию вторичного уплотнения. Новая конструкция должна удовлетворять следующим требованиям:

- предотвращать попадание осадков и пыли в хранимый продукт;

- быть прочной, надежной и долговечной;

- быть технологичной в изготовлении, монтаже и эксплуатации.

Скапливание воды в месте контакта стенки резервуара и радиусной манжеты происходит из-за округлой формы уплотняющей резиновой ленты вторичного уплотнения. Вследствие этого вода может попасть в резервуар или в полость затвора. Решение данной проблемы можно добиться путем изменения формы вторичного уплотнения.

При эксплуатации резервуаров с плавающими крышами в осенний, зимний и весенний периоды возможно примерзание вторичных уплотняющих затворов к стенке резервуара и обледенение его элементов. Вследствие этого при операции налива или слива происходит холодный отрыв этих уплотнений, что приводит к нарушению целостности и нормальной работы уплотняющих затворов. Согласно [4], уплотняющий затвор должен сохранять работоспособность при обледенении элементов вторичного уплотнения.

Также при заполнении резервуара происходит заворачивание вторичного уплотнения вследствие воздействия горизонтальных сварных швов и со временем отрыв, то есть нарушение герметичности.

Устранение данных недостатков возможно рациональным подбором формы и материала вторичного уплотнения, которое будет более стойким к низким температурам, надежным, прочным и износостойким.

При подборе материала вторичного уплотнения необходимо учитывать требования, предъявляемые к ним согласно [4]:

- вторичный затвор должен изготавливаться из коррозионно-стойких материалов;

- материал вторичного уплотнения - маслобензостой-кая резина, прорезиненная ткань или другие полимерные материалы, отвечающие срокам и условиям эксплуатации;

- материал должен обладать антистатическими свойствами и не должен образовывать и накапливать электростатические заряды;

- материал должен быть устойчив к воздействию солнечной радиации;

- материал должен быть работоспособным при диапазоне температуры от -45 °С до 50 °С и должен выдерживать кратковременные повышения температуры до 120 °С;

- материал не должен ухудшать товарные качества хранимого продукта.

Также материал вторичного уплотнения должен быть стойким к воздействию следующих сред:

- нефть товарная:

• плотность: от 700 кг/м3 до 900 кг/м3;

• давление насыщенных паров - не более 500 мм рт. ст.;

• вязкость: от 0,05-10-4 до 1,0-10-4Ст (м2/с);

• парафина: до 7,0%;

• массовая доля серы: до 3,5%;

• массовая доля воды: до 1,0%;

• массовая доля механических примесей: до 0,05%;

- нефтепродукты:

• бензин;

• топливо дизельное;

• масла моторные;

• масла индустриальные;

• керосин.

Для повышения герметичности и работоспособности вторичных уплотнений уплотняющих затворов плавающих крыш резервуаров необходимо наиболее рационально подобрать форму и материал уплотнения.

Материал вторичного уплотнения должен удовлетворять вышеизложенным требованиям. Наибольшее распространение для уплотнений получили полимерные материалы (каучуки), так как они обладают такими необходимыми свойствами, как антикоррозийность, эластичность, гибкость. К тому же они обладают достаточной прочностью и износостойкостью.

Каучук - это натуральные или синтетические эластомеры, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путем вулканизации получают резины и эбониты [5]. Для уплотнений широко применяют синтетические каучуки. Для материалов, эксплуатируемых в нефтяной промышленности, наиболее подходят синтетические каучуки специального назначения, так как они более стойки к нефти, нефтепродуктам и агрессивным средам [6, 7].

Произведем сравнительный анализ свойств следующих синтетических каучуков специального назначения, широко применяющихся на сегодняшний день в различных отраслях промышленности:

- бутилкаучук;

- этилен-пропиленовый каучук;

- хлоропреновый каучук;

- бутадиен-нитрильный каучук;

Рис. 2. Вторичное уплотнение 1 - уплотнитель; 2 -пружина; 3 - шайба; 4 - гайка; 5 - болт; 6 -держатель скользящего листа

Стенка резервуара

Таблица 1

Свойства синтетических каучуков специального назначения

Полиизобутилен

Хорошая

Хорошая

Низкая

- уретановый каучук;

- хлорсульфированный каучук;

- пропиленоксидный каучук;

- эпихлоргидриновый каучук;

- полиизобутилен.

В табл. 1 и рис. 3, 4 приведены свойства, необходимые для материала вторичного уплотнения, данных полимерных материалов. Проведя сравнение и учитывая вышеизложенные требования к материалу уплотнения, можно выделить два вида полимеров: уретановый каучук и

| Рис. 4. Сопротивление раздиру и коэффициент газопроницаемости материалов

Стойкость

Наименование материала к нефти, нефтепродуктам, агрессивным средам Атмосферо-стойкость Износостойкость

Бутилкаучук Низкая Высокая Хорошая

Этилен- Хорошая Высокая Высокая

пропиленовый

каучук

Хлоропреновый Высокая Высокая Хорошая

каучук

Бутадиен- Высокая Низкая Высокая

нитрильный каучук

Уретановый каучук Высокая Высокая Высокая

Хлорсульфиро- Низкая Высокая Высокая

ванный каучук

Пропиленоксидный Низкая Хорошая Хорошая

каучук

Эпихлоргидриновый Высокая Высокая Высокая

каучук

эпихлоргидриновый каучук. К тому же в настоящее время данные материалы широко применяются в качестве уплотнений различных механизмов.

В качестве материала для вторичного уплотнения предлагается выбрать эпихлоргидриновый каучук. Данный материал обладает всеми необходимыми для материала вторичного уплотнения свойствами и уже нашел применение в нефтяной промышленности.

Вторичное уплотнение должно иметь форму, предотвращающую скапливание воды в месте контакта его со стенкой резервуара. Этого можно добиться путем изменения верхней части существующего уплотнения таким образом, чтобы между стенкой резервуара и вторичным уплотнением не было зазора для скапливания атмосферных осадков. Также существующее вторичное уплотнение

| Рис. 3. Рабочая температура материалов

250 200

и

=> 150

I 100

£ 50

« О

-50

-100

1

I

1

Рис. 5. Вторичное уплотнение (вариант 1) 1 - уплотнитель; 2 - скользящий лист; 3 - планка; 4 - накладка; 5 - винт; 6 - шайба; 7 - пружина; 8 - спецшайба; 9 - держатель скользящего листа

х

£ (5

с; -

&

из

х X X X X X X

> э- > -- >

X X I X X X

>з: IX ж >1 >ж >Ж >3

3 и 5 л Л 3

со и х ш X X т

о о Ъ о X о

I г X X X

XI V га ш и г

О. о. н о X о.

с щ а. о

С о I о. ^ X £

о о. X > О а?

о о 1 .с ^ О.

с с: X о

X и X £ < 5 о. С О о. с; >:

с; ^ га & о с с

м ш X

с; ^

Г-

из

О п X £

О

I Минимальная рабочая температура

Максимальная рабочая температура

Рис. 6. Вторичное уплотнение (вариант 2) 1 - уплотнитель; 2 - скользящий лист; 3 - планка; 4 -накладка; 5 - винт; 6 - шайба; 7 - пружина; 8 - спецшайба; 9 - держатель скользящего листа

I

Рис. 7. Прижатие уплотнителя 1 - уплотнитель; 2 - стенка резервуара

имеет малую площадь контакта со стенкой резервуара, это может стать причиной потери герметичности, заворачивания уплотнения при прохождении горизонтальных сварных швов и потери работоспособности при холодном отрыве. Поэтому предлагается увеличить площадь соприкосновения вторичного уплотнения и стенки резервуара.

Таким образом, предлагаются две конструкции вторичного уплотнения, выполненного в виде отливки из резинотканевого материала из эпихлоргидринового каучука (рис. 5, 6).

Первый вариант вторичного уплотнения (см. рис. 5) в сечении имеет форму параллелограмма с двумя горизонтальными рядами отверстий для крепления уплотнителя к верхней части скользящего листа.

Верхняя часть уплотнителя имеет заостренный выступ к стенке резервуара, что позволяет избежать скопления дождевых осадков между стенкой резервуара и вторичным уплотнением. Прижатие уплотнителя к стенке резервуара осуществляется пружиной z-образной формы. Предложенный вариант вторичного уплотнения имеет большую по сравнению с существующим вторичным уплотнением площадь контакта со стенкой резервуара. Это увеличит работоспособность уплотнения и проходимость горизонтальных сварных швов. Для более рационального закрепления данного вторичного уплотнения необходимо изменить угол на загибах между скользящим листом и стенкой резервуара. В существующих конструкциях данный угол составляет около 30°. В данном случае предлагается увеличить угол до 1500.

Второй вариант вторичного уплотнения (см. рис. 6) имеет в сечении трапецеидальную форму с двумя горизонтальными рядами отверстий для крепления уплотнителя к верхней части скользящего листа. Прижатие уплотнителя к стенке резервуара осуществляется пружиной z-образной формы. Предлагаемая конструкция вторичного уплотнения уплотняющего затвора плавающей крыши резервуара упрощает монтаж вторичного уплотнения. Наличие выемки на уплотнение со стороны стенки резервуара придает вторичному уплотнению дополнительную упругость и обеспечивает более качественную герметизацию. Верхняя и нижняя части уплотнения имеют заостренный выступ к стенке резервуара, что позволяет избежать скопления дождевых осадков между стенкой резервуара и вторичным уплотнением, а так же обеспечивает дополнительную очистку стенки резервуара от нефтешламовых отложений.

При номинальном зазоре между стенкой резервуара и бортом плавающей крыши (прижимная нагрузка N1) контакт вторичного уплотнения со стенкой резервуара происходит практически по всей поверхности уплотнения. А при увеличении расстояния между плавающей крышей и стенкой резервуара или при недостаточной прижимной силе пружины (прижимная нагрузка Ы2 < Ы1) предложенное вторичное уплотнение обеспечит газоплотность уплотняющего затвора за счет собственной упругости (рис. 7).

Второй вариант вторичного уплотнения обеспечивает большую герметичность за счет собственной упругости, сохраняет работоспособность при более неблагоприятных условиях, а также обеспечивает дополнительную очистку стенок резервуара за счет заостренных концов. Также при монтаже первого варианта вторичного уплотнения возникает необходимость изменения конструкции скользящего листа. Таким образом, из предложенных вариантов уплотнений наиболее подходящим будет второй вариант, который наиболее полно отвечает предъявляемым требованиям.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дусалимов М.Э. Совершенствование уплотняющего затвора для резервуаров с плавающими крышами и технологии его монтажа: дис. канд. техн. наук: 25.00.19 / Дусалимов Марсель Эдуардович. Уфа. 2013 156с.

2. Мустафин Ф.М. Резервуары для нефти и нефтепродуктов: том 1. Конструкции и оборудование: учеб. для вузов / Ф.М. Мустафин, Р.А. Жданов, М.Г. Каравайченко, Ф.Ш. Ахметов, Д.А. Боднарчук, И.Э. Лукьянова и др СПб.: Недра, 2010. 480 с.

3. Дусалимов М.Э. Разработка элементов конструкции уплотняющего затвора плавающей крыши резервуара / М.Э. Дусалимов, Ф.М. Мустафин // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2012. № 1. С.30-34.

4. 0ТТ-23.020.00-КТН-168-12 Оборудование резервуарное. Затвор плавающей крыши / АК «Транснефть». 2012.

5. Каргин В.А. Энциклопедия полимеров. Т.1. / В.А. Каргин и др. - М.: Советская энциклопедия, 1972.

6. Кулезнев В.Н. Химия и физика полимеров: учеб. пособ. для вузов / В.Н. Кулезнев, В.А. Шершнев: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 2007.

7. Гуль В.Е. Структура и механические свойства полимеров / В.Е. Гуль, В.Н. Кулезнев. 4-е изд. М.: Лабиринт, 1994.

IMPROVING THE CONSTRUCTION OF THE SECONDARY SEAL OF SEALING SHUTTERS FOR FLOATING ROOFS OF TANKS

SHAMSUTDINOV I.R., Graduate student of Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Storages

DUSALIMOV M.E., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Storages

MUSTAFIN F.M., Dr. Sci. (Tech.), Prof. of Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Storages

Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Russia). ABSTRACT

The existing designs of the sealing valves rigid type for floating roof tanks are considered. Special attention is given to the shortcomings of the existing secondary seals, which are not efficiently prevent dust and rain into the product stored in the tank. With the aim of improving the tightness of the sealing gate for floating roofs it is proposed to produce a rational selection of forms and materials of secondary seals. Proposed secondary seal becomes more resistant to low temperatures, reliable, durable and retains performance when passing welded joints and also at the cold margin provides additional cleaning of the container walls due to the pointed ends.

Keywords: shutter, sealing shutter, secondary seal, sealing, tank, floating roof, tightness, construction. REFERENCES

1. Dusalimov M.E. Sovershenstvovaniye uplotnyayushchego zatvora dlya rezervuarov s plavayushchimi kryshami i tekhnologii yego montazha. Diss. cand. tekh. nauk [Improving the sealing valve for tanks with floating roofs and installation technology. Cand. tech. sci. diss.]. Ufa, 2013. 156 p.

2. Mustafin F.M., Zhdanov R.A., Karavaychenko M.G., Akhmetov F.SH., Bodnarchuk D.A., Luk'yanova I.E. Rezervuary dlya nefti i nefteproduktov: tom 1. Konstruktsii i oborudovaniye [Tanks for petroleum and petroleum products: volume 1. Construction and equipment]. Saint Petersburg, Nedra Publ., 2010. 480 p.

3. Dusalimov M.E., Mustafin F.M. Development of elements of design of the sealing shutter of a floating tank. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2012, no. 1, pp. 30-34 (In Russian).

4. 0TT-23.020.00-KTN-168-12 Oborudovaniye rezervuarnoye. Zatvorplavayushchey kryshi [0TT-23.020.00-KTN-168-12 Tank equipment. The gate of the floating roof]. 2012.

5. Kargin V.A. Entsiklopediyapolimerov. T.1 [Encyclopedia of polymers. V.1]. Moscow, Sovetskaya entsiklopediya Publ., 1972.

6. Kuleznev V.N., Shershnev V.A. Khimiya i fizika polimerov [Chemistry and physics of polymers]. Moscow, KolosS Publ., 2007.

7. Gul' V.Ye., Kuleznev V.N. Struktura i mekhanicheskiye svoystva polimerov [Structure and mechanical properties of polymers]. Moscow, Labirint Publ., 1994.