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原油储罐清洗技术分析
摘要：详细介绍了国内外在人工清罐、机械清罐、油罐防沉降设备以及机器人清罐方面的发展现状及其工作原理，并对其优缺点进行了分析对比。通过综合分析指出，原油储罐清洗技术将向机械化、自动化、智能化、便捷化、系统化和设备国产化的方向发展。
原油在储罐中经过长时间存放，油品中的少量机械杂质、沙粒、泥土、金属盐类以及石蜡和沥青等重组分会逐渐沉积在油罐底部形成油泥，这些油泥一般会占到罐容量的1%~2.2%。罐底油泥中含有丰富的烃类物质，其中碳氢化合物的含量高达70%，沥青质占7.8%，石蜡占6%，污泥灰分占4.8%，其余约有25%的水和5%的泥沙等无机沉淀物。另外，油泥中还含有苯系物、酚类等对人体有毒有害的物质，直接排放不仅造成环境污染而且是极大的石油资源浪费。考虑到大量的油泥产生量以及油泥中所含丰富的烃类物质，从环保和经济效益及角度出发，对其进行回收利用是必要的。
比如，一座10万m3的油罐经过5~6年的运行会产生1000m3~2200m3的油泥。如此大量的罐底油泥不仅会减少储罐的有效容积，影响油品清洁度，同时油泥中的水分和盐类物质还将会加速罐体和罐内附件的腐蚀，影响储罐的使用寿命。而且，油罐在连续运行三到五年后，会出现腐蚀、变形、不均匀沉降、罐内加热盘管老化、排水管线不畅等问题，需要对油罐进行部分或全面检修，以确保储运的安全。因此我国石油石化行业规定原油储罐间隔5~6年应清洗检修。另外，在换装不同种类油品时，为避免油品更换造成相互污染，也需要对油罐进行清洗。因此，设法防止油泥生成和方便快捷地清洗油罐对原油储备具有重要意义。
1. 人工清罐
人工清罐是一种传统的清罐方式，在20世纪90年代中期以前，国内油罐清洗均采用这种方法。清罐时先将油罐中的油品用泵抽吸至最低液位，然后泵入适量清水并通入蒸汽加热进行蒸罐，加热至一定温度后，油泥中的部分油类物质就从底泥中上浮至水层上，然后用泵将表层油品抽取回收。为了尽量回收油泥中的油类物质，一般进行两次蒸罐处理。蒸罐工作完成后，将罐底人孔打开，进行自然或强制通风，同时打开罐底齐平清扫孔，使罐底能流动的油水和底泥自流至集泥井，待自流结束后，再从罐中采集气样，经测爆合格后，由清洗工作人员穿戴防爆服和呼吸器直接进入油罐内部，进行收油和擦洗工作，利用人力把残油转移到罐外，人工完成所有的清淤工作。
这种清罐方式具有使用设备少、操作简单以及施工成本低等优点，但其主要缺点有：
(1) 清罐周期长，清洗效率低。由于清罐前需要进行蒸罐、开人孔、通风等准备工作，所需的工序多、步骤复杂，因此清罐全过程所占时间较长。以清理1座5万m3的油罐为例，一般需要一个半月的时间。另外，人工清罐受油泥量，油罐大小以及天气等条件的影响很大，随着油泥量的增加，清罐时间也会大幅度增加。
(2) 作业强度高，施工条件恶劣。人工清罐需要用人力将残油、於渣转移走并对罐内进行擦洗和收油工作，劳动强度高，加之罐内有毒有害气体浓度大，作业环境极端恶劣。
(3) 存在安全隐患。人工清罐需要人员进罐作业，罐内可燃气体浓度高，如有静电易发生火灾、爆炸;有害气体浓度大，且清罐是密闭空间作业，通风不好极易造成人员缺氧、中毒事故。
(4) 易造成环境污染。人工清罐一般都会在油罐区附近挖一个污油池，将清挖出的油泥先倒入污油池，然后拉运至回收处理地。大量堆放的油泥挥发出的有毒、有害气体直接排入大气，造成罐区和周边地区的环境污染，而且在油泥拉运转移的过程中也会造成污染。
(5) 资源浪费，原油回收率低。人工清出的罐底沉积物一般都拉运到周边的土炼油厂，而绝大多数土炼油厂都没有完善的原油回收装置，只能回收油泥中少部分烃类物质，不仅原油回收率低，而且还造成石油这种不可再生资源的浪费。
(6) 清洗效果不好。人工清罐由于作业条件以及人力的限制，会存在着一定的清洗盲区以及人力清洗不到的地方，容易在之后的动火作业中，引起火灾、爆炸等安全事故。
因此，随着原油储罐的大型化发展，以人为本理念的提出以及环保意识的增强，人工清罐的方式正在被逐渐淘汰。而机械清罐方式因其机械化、自动化、模块化、密闭化、无污染以及原油回收率高等优点得到广泛应用。
2. 机械清罐
国外对机械清罐的研究较早，大约在20世纪40年代初就已经开始，到目前为止，已经有很成熟的机械自动清罐成套系统，如在东南亚、欧洲、中东等地区陆上原油储罐清洗方面得到广泛应用的日本大凤COW系统以及在清罐、油泥分离领域处于世界领先地位的丹麦泰福德公司的BLABO机械清洗系统。这两种清罐系统均具备模块化、自动化、密闭化、专业化和便捷化等技术特点。在安全性、清洗效率、清罐效果、原油回收率以及环境保护等方面均优于人工清罐。
我国原油储罐的机械清洗起步较晚，1995年石油部从日本引进了COWS系统，从此拉开了我国储油罐机械清洗的序幕。目前我国应用最多的机械清洗系统是日本大凤公司的COWS系统，以及部分从丹麦、英国、德国等引进的清罐设备。
机械清罐是利用清洗机喷头喷射一定温度和压力的同种类型原油或水对罐内油泥进行喷射、破碎、溶解的密闭式清洗方法。机械清罐装置主要包括：移送装置、清洗装置、氮气注入装置、气体浓度监测装置以及油水分离和回收装置等。其中移送装置是利用真空泵对储油罐中能流动的残油进行抽取和移送，将清洗机清洗的於渣和残油抽吸到真空抽吸槽中，再由回收泵移送至接收罐。清洗装置是通过清洗泵向清洗机提供被清洗罐用的同种类型原油和水，为了达到理想的清洗效果，同时利用自身配备的热交换器给原油和水进行加热。氮气注入装置的作用是向被清洗油罐中持续输送氮气，从残油移送中产生气层部时开始，一直进行到清洗机停止作业为止，同时利用气体浓度检测装置确保被清洗储油罐中的氧气浓度在8VOL%以下，确保储油罐清洗过程的安全进行。油水分离和回收装置是对清洗后的废液进行油和水的分离处理，并对浮油进行回收。
清洗机是机械清洗的核心设备之一，关系着清洗质量以及清洗的最终效果，决定着清罐的成功与否。它的主要作用是在储油罐的清洗过程中，对储油罐的罐底板、罐壁以及浮顶各个部位进行全方位的自动清洗。因此要求清洗机不仅有一定的喷射打击力，击碎溶解粘附在罐体上的油泥，还要具备立体全方位各个角度的清洗功能。
目前由于国内技术水平的限制，现有的清洗机几乎全部采用国外进口设备，一般采用低压原油或水射流，喷射压力为0.5MPa~0.65MPa。
清洗机是由气动马达、枪身、传动轴、齿轮箱、喷嘴等组成。气动马达是清洗机的动力驱动装置。其运动工作原理是：气动马达驱动齿轮箱中齿轮组运转，齿轮组将传动力输出到中心传动轴和外传动轴，中心传动轴带动与旋转喷嘴相连接的伞齿轮组啮合，从而带动喷嘴自转，由于伞齿轮的偏置角使得喷嘴在自转的同时绕清洗机中心轴在0°~135°范围内旋转;与此同时外传动轴带动枪身作360°旋转，使得喷嘴在自转的同时绕清洗机中心轴线作公转运动。喷嘴的自转与公转相叠加后会形成一个三维立体的半球形覆盖面，从而达到全方位立体喷射清洗效果。清洗机一般按其喷射射程呈同心圆布置，为满足清洗要求，每次由两只清洗机同时作业。
机械清罐的清洗特点：(1)无需人员进罐，安全性高。机械清洗采用全封闭式自动清洗，清洗过程中无需人员进罐，从而避免了人员可能发生缺氧、中毒等事件，保障了人员的人身安全;在清洗全过程中对储罐进行了氮气保护，实时监测并确保罐内的可燃气体及氧气浓度始终控制在8VOL%以下，避免了因清洗机高速喷射产生静电发生爆炸的危险，使清洗全过程的安全得到了有效保障。
(2) 清洗质量高，清洗效果好。清洗机的三维立体旋转喷射，使储油罐内得到全方位彻底清洗，清洗后能见罐体金属本色，清洗质量高;采用同种油清洗，清洗后的油泥完全溶解在原油中，清洗后的油品中不含块状杂质。
(3) 原油回收率高。使用原油作为主要清洗介质，油泥经清洗机喷射、击碎、溶解后，除少量泥沙外，其余有机沉积物完全溶解在原油中，恢复成标准原油，原油回收率高达98%以上。
(4) 密闭作业，无污染。由于采用全封闭式作业，不向外界排放含油污水、废气，而是将含油污水通过油水分离器分离后把水作为清洗介质再循环利用，并把分离出的油进行回收，不存在环境污染问题。
(5) 清罐周期短，清罐效率高。机械清罐可全天24小时作业，并且不受油泥量和天气等因素的影响，大大缩短了清罐时间，提高了清罐效率，减少了油罐停用期，使得油罐的利用率大幅提高，清罐时间是人工清罐时间的四分之一。
目前我国机械清罐主要用于清洗1万m3～15万m3的外浮顶原油储罐，拱顶和内浮顶油罐的机械清洗仍需进一步研究和探讨。
3. 油罐防沉降设备
为防止原油储罐大量油泥的产生，考虑在原油储罐中安装搅拌装置。由前苏联研制出的环形射流搅拌器是利用输送中的原油流经搅拌器产生环形射流，进而冲涮罐底沉渣，并使其悬浮于原油中排走。该装置结构简单，射流能量在罐底分布均匀，死角少，操作简单;缺点是如果射流喷口堵塞或上阀板卡滞时，需要备用罐。
另有应用较成功的喷嘴搅拌器，典型的喷嘴搅拌器是美国Butterworth公司开发的皮托管射流器以及英国的储罐淤泥清除器。搅拌器的工作原理与现有的旋转喷射搅拌器大致相仿，不同之处是该类型搅拌器两喷嘴交替打开或关闭，可单一使用也可一起使用。这种搅拌器安全可靠，操作简便;缺点是结构较复杂，当发生喷嘴堵塞时仍需备用罐。目前常用的油罐防沉降设备有侧向伸入式搅拌器和旋转喷射搅拌器。为防止油泥沉降永久安装在罐内，定时启动防止油泥生成。
(1) 侧向伸入式搅拌器
侧向伸入式搅拌器一般安装在罐壁相对底部位置，在罐壁开孔，采用法兰连接。搅拌器的叶轮采用单螺旋桨型，叶轮旋转时，使其周围液体产生沿螺旋桨轴向和周向两个方向的运动，使罐内液体达到充分搅拌的效果，从而使罐底沉降物重新溶解在原油中。根据储罐直径的大小，可安装一个或多个搅拌器。一般采用可变插入角型搅拌器，搅拌器的轴线与储罐中心线之间的夹角可按需要在左右30°范围内调整，从而达到全方位的搅拌效果。
侧向伸入式桨叶搅拌器能有效的使油品调和均匀，并且适当的防止油泥的沉积。然而这种搅拌器的不足之处在于：
①这种搅拌器因插入角可变，在密封面处易出现渗漏，而且无论采用何种密封都无法避免漏油问题;
②存在安全隐患。由于需要配套驱动电机，就需要用动力电缆线接入动力电源等，对于油库这类防爆要求较高的区域，无疑增加了安全隐患;
③搅拌效果不理想。运行噪音大，搅拌时罐内存在死角区，而且对长时间形成的沉积物搅拌效果不明显;
④经济性差。搅拌器、配套电机等设施需定期维护保养，投入成本较高，费时费力。
(2) 旋转喷射搅拌器
鉴于侧向伸入式搅拌器的诸多不足，随着射流理论的发展，研发了旋转喷射搅拌装置并用于储油罐的搅拌清淤工作，效果明显。
旋转喷射搅拌器一般安装在罐底相对中央位置，根据有效射程和罐径可布置一个或多个，进口接进油管线，利用循环泵加压输出的流体经过搅拌器喷嘴形成射流束，对周围流体进行卷吸和扰动，利用射流打击力将油泥打散重新溶解在原油中，达到防止油泥沉降的作用。
旋转喷射搅拌器主要由轴流涡轮、喷嘴、主机、调速机构(传动机构)和密封系统等组成。搅拌器本身无需任何外带驱动装置，它的动力来自流体动能，轴流涡轮是该系统的驱动源。系统运行时，由循环泵加压输出的流体驱动轴流涡轮，轴流涡轮将动力传输到调速机构(传动机构)，同时被压送出来的流体传送到主机。喷嘴在主机上呈偏心布置或对称布置：对于偏心布置喷嘴，利用喷嘴射流时产生的偏心旋转力矩带动主机水平运转，为防止主机转速过快设有调速机构;对于对称布置喷嘴，利用传动机构将动力传给主机，从而带动主机水平启转。喷嘴的旋转速度可根据工程需要进行设置。
另外，王泽贵等学者设计了一种偏角喷嘴旋转喷射搅拌器，如图1所示。这种搅拌器的喷嘴可在上下左右30°范围内调整，利用主机旋转的同时带动与喷嘴相连接的伞齿轮旋转，从而带动喷嘴自转，主机的公转加上喷嘴的自转，形成在其射程范围内的上下喷射对流和扰动，起到三维立体的喷射搅拌作用。
旋转喷射搅拌器的特点：
①安装方便，使用寿命长。只需利用现场的循环泵和进出油管线进行安装;搅拌器结构简单，耐久性和耐磨性优越，使用寿命长。
②搅拌效果好，性能优良。由于搅拌器在以360°均匀旋转的同时高速喷射出原油，能充分地搅拌和溶解堆积的於渣，不存在搅拌死角区。
③安全可靠。由于搅拌器是靠流体压力驱动，不需额外配置电力驱动装置，且运动过程完全没入液体内部，确保其本身的防爆性能及安全性能。
④经济性高。搅拌器安装在罐内，不存在轴密封问题，不会漏油，日常无需对搅拌器进行维护保养，减少了维护保养的经费;且系统是间断、短时运行，耗电量少;也简化了油罐检查时的清洗工作，并大幅度地减轻了清扫费用。
但在使用时还应注意：
①搅拌器的射流强度过高会对罐内附件产生影响，如加热盘管，中央排水系统，液下消防管等，从而影响储罐的功能;
②油品的粘度会影响搅拌效果：当油品的粘度较大时，射流强度减弱，搅拌效果会降低;
③由于搅拌器的运转是由循环泵提供的带压流体驱动的，所以搅拌系统对泵的要求较高。
由于旋转喷射搅拌器在安装成本、安全性能、搅拌效果以及后期维护方面都优于侧向伸入式搅拌器，因此目前国内大型原油储罐在选用搅拌器时优先考虑旋转喷射搅拌器。
周会萍等人2011年提出了利用原油储罐已有的防沉降搅拌设备实施在线原油储罐清洗技术：该技术利用原油储罐侧壁安装的侧向伸入式搅拌器或安装在罐底的旋转喷射搅拌器，采用机械搅拌和热油循环相结合的方法，减少进罐原油的沉降，并使已经沉积的油泥溶解并输出，达到防止油泥生成的目的。该方案为油罐清洗提出了新思路。
4. 清罐机器人
国外在清洗机器人方面的研究较早，如1986年拉格比Hydrovac工业和石油服务有限公司开发的罐内作业工具水力推土机Hydrodozer;1999年美国PetroleumFerment公司开发的用于流化和喷击底泥的水力车以及后来英国SurfaceControl公司研发的真空槽车等。目前国内尚未见有相关方面的研究报道。
国内清罐机器人是近年来才发展起来的，目前正处于研发试验阶段。清罐机器人是一种集人工智能、自动控制、传感控制、环境识别以及现代设计方法等诸多学科于一体的清罐方式。
清罐机器人是指利用机器人在罐内自动移动的同时借助推铲和喷射装置破碎并打散罐底油泥，通过泵将罐内破碎的沉积物抽出。清罐机器人系统主要包括：移动机构和驱动系统、清洗装置、吸附装置、传感装置和控制系统等。为拆装方便，机器人主体采用模块化设计，主体由移动机构和驱动机构组成，移动机构的移动方式主要有车轮式、履带式和足脚式。三种移动方式各有其优缺点，可根据不同需要选用：车轮式移动速度快，控制灵活，但吸附力差;履带式吸附能力强，但移动不灵活;足脚式对场地的适应性较强，但移动缓慢。驱动机构一般采用满足安全防爆要求的液压驱动或气压驱动。吸附装置采用磁吸附技术，可实现机器人的爬壁功能。清洗装置是指安装在主体上的机械推铲和高压喷射器等，在机器人行走的过程中，利用机械推铲和高压喷射器对油泥进行清除、破碎，达到清洗油罐的目的。传感装置用来采集罐内清洗状况信息，并将信号传输给控制中心，以便对机器人进行远程控制或人工控制。
清罐机器人的特点有：
(1) 拆装方便。由于机器人主体的模块化设计，使得机器人可进罐拆装。
(2) 安全性高。由于机器人采用液压或气压驱动，且进罐装置采用防爆材料，满足防爆要求，安全可靠。
(3)清洗效果好。机器人采用机械推铲和高压水射流相结合的清洗方式，清洗效果好，清洗效率高。
(4)自动化程度高。使用自动传感技术，实现自动化、智能化清洗，可将人工从清罐现场解脱出来，降低工人劳动强度和危险性。
(5)清洗周期短。密闭化、机械化运作，不受天气等条件的影响，施工周期短，是人工清罐的三分之一。
另外，机器人主体虽采用模块化设计，但仍需人员进罐进行组装和拆卸，存在一定的危险性。
我国对清罐机器人的研究处于起步阶段，该项技术的成熟有待相关学科以及各项关键技术的研发和提高。
5. 结束语
随着我国大型原油储罐的大量建设，人工清罐由于其清洗周期长，安全性差，清洗效率低，原油回收率低，环境污染严重等弊端已不符合环境和发展的客观要求，淘汰人工清罐是历史的必然选择。机械自动清罐技术由于其安全环保、清洗周期短、清洗效果好、原油回收率高、无需人员进罐等优势得到了广泛应用。防沉降搅拌设备的应用，不仅可以防止油泥堆积过厚对储罐造成的不良影响，而且减轻了清罐的工作量，延长了储油罐的使用年限。机器人清罐技术刚刚起步，随着科学技术的提高和关键技术的突破，清罐机器人的清洗功能将会越来越完善，智能化、自动化程度越来越高，具有很好的应用前景。
综上所述，原油储罐清洗技术将向着机械化、自动化、智能化、便捷化、系统化的方向发展。通过学习借鉴国外成熟的机械清罐技术，开发我国具有自主产权的机械清罐成套设备具有紧迫的现实意义和广阔的市场应用前景。
