大型原油儲罐設計中主要安全問題探討及對策

概述：?大型儲罐有節省鋼材、占地少、投資省、便于操作、管理等優點。隨著國民經濟的飛速發展，我國油品儲罐越來越趨向大型化。國內第一座10萬立方米大型鋼制原油外浮頂儲罐于1985年從日本引進。發達國家建造、使用大型儲罐已有近30年歷史，而我國尚處于起步階段。影響大型儲罐安全運營的因素很多,一旦發生事故,就可能引發重大事故，損失將十分慘重。因此，迫切需要及時總結經驗，提出改進措施。筆者對其中的主要安全問題進行分析,并提出對策， 為工程設計提供參考。

大型原油儲罐儲量很大，潛在危險性高，一旦發生事故，損失將十分慘重。為此，在分析了大型原油儲罐工程危險性的基礎上，重點論述了大型原油儲罐設計中的主要安全問題及其對策，包括儲罐地基和基礎、浮頂儲罐密封裝置、信號報警聯鎖系統、排水設計、防腐蝕措施等，特別針對大型原油儲罐的特點，詳細討論了浮盤沉底事故原因并介紹了預防浮盤沉底的設計要求，為工程設計提供了有價值的參考依據。

1 大型原油儲罐工程危險性分析
1.1 原油危險性分析
原油為甲B類易燃液體，具有易燃性; 爆炸極限范圍較窄，但數值較低，具有一定的爆炸危險性，同時原油的易沸溢性，應在救火工作時引起特別重視。
1.2 火災爆炸事故原因分析
原油的特性決定了火災爆炸危險性是大型原油儲罐最主要也是最重要的危險因素。發生著火事故的三個必要條件為: 著火源、可燃物和空氣。
著火源的問題主要是通過加強管理來解決，可燃物泄漏問題則必須在儲罐設計過程中加以預防和控制。
泄漏的原油暴露在空氣中，即構成可燃物。原油泄漏，在儲運中發生較為頻繁，主要有冒罐跑油，脫水跑油，設備、管線、閥件損壞跑油，以及密封不良造成油氣揮發，另外還存在著罐底開焊破裂、浮盤沉底等特大型泄漏事故的可能性。
腐蝕是發生泄漏的重要因素之一。國內外曾發生多起因油罐底部腐蝕造成的漏油事故。對原油儲罐內腐蝕情況初步調查的結果表明［1］，罐底腐蝕情況嚴重，大多為潰瘍狀的坑點腐蝕,主要發生在焊接熱影響區、凹陷及變形處，罐頂腐蝕次之，為伴有孔蝕的不均勻全面腐蝕，罐壁腐蝕較輕，為均勻點蝕，主要發生在油水界面，油與空氣界面處。相對而言，儲罐底部的外腐蝕更為嚴重，主要發生在邊緣板與環梁基礎接觸的一面。
浮盤沉底事故是浮頂油罐生產作業時非常忌諱的嚴重惡性設備事故之一。該類事故的發生，一方面反映了設計、施工、管理等方面的嚴重缺陷，另一方面又將造成大量原油泄漏，嚴重影響生產、污染環境并構成火災隱患。浮盤沉底事故原因分析見圖1（略）。
圖1 浮盤沉底事故原因分析

2 大型原油儲罐設計中的主要安全問題及其對策
2.1 儲罐地基和基礎
儲罐工程地基勘察和罐基礎設計是確保大型儲罐安全運營最根本的保證。根據石化行業標準［2］規定，必須在工程選址過程中進行工程地質勘察，針對一般地基、軟土地基、山區地基和特殊土地基，分別探明情況，提出相應的地基處理方法，同時還應作場地和地基的地震效應評價，避免建在軟硬不一的地基上或活動性地質斷裂帶的影響范圍內。
常見的罐基礎形式有環墻（梁）式、外環墻（梁）式和護坡式。應根據地質條件進行選型。 罐基礎必須具有足夠的整體穩定性、均勻性和足夠的平面抗彎剛度，罐壁正下方基礎構造的剛度應予加強，支持底板的基床應富于柔性以吸收焊接變形，宜設防水隔油層和漏油信號管，地下水位與基礎頂面之間的距離不得小于毛細水所能達到的高度（一般為2m）［3］。

2.2 浮頂儲罐密封裝置
浮頂儲罐密封圈的火災發生頻率較高，原因主要是密封不嚴，引起油氣濃度偏高。更進一步的原因主要有：a. 大型儲罐在施工中橢圓度、垂直度及局部凸凹度的偏差不可避免； b. 在儲罐的操作過程中介質、氣候、溫度以及儲罐基礎沉降等因素，會引起儲罐和浮頂的幾何形狀和尺寸的變化；c. 現有密封橡膠受陽光照射、風蝕、 刮蠟機構可能帶來的高溫引起的變形；d. 風力、介質進出儲罐等因素使浮盤在罐內產生“漂移”。因此，密封裝置的可靠性和嚴密性如何，對減少儲液蒸發，確保安全操作有重要作用。
為了進一步改進目前普遍采用的封閉裝置存在的不足，國內最新研制了“滾輪骨架密封”［4］，它采用若干個圓弧線段密封骨架，通過轉軸連接，使密封骨架象鏈條一樣在彈簧力的作用下隨著儲罐改變形狀。骨架端部裝有滾輪，當浮頂上下移動時，滾輪就在罐壁上行走，并保持密封骨架與罐壁距離不變。該裝置具有防雨、刮蠟、雙重密封等多種功能。

2.3 信號報警、聯鎖系統
大型原油儲罐收付油速度很快，為避免儲罐冒頂事故和浮盤擱底事故的發生，儲罐應設置高、低液位報警裝置，其報警高度應滿足從報警開始(10～15)min內不超過液位極限，還應設液位極限聯鎖裝置切斷收（付）油閥門。
在原油儲罐防火堤內，應設固定式可燃氣體檢測報警系統，儲罐的排水口、采樣口或底（側）部接管法蘭、閥門等與檢測器的距離不應大于15m。建議儲罐頂部密封圈周圍每隔30m設固定式可燃氣體檢測報警系統。
另外，儲罐頂部密封圈周圍還應設火災報警裝置和工業監視系統，以便及早發現火情，及時撲救，最大限度地降低火災造成的損失。

2.4 預防浮盤沉底的設計要求
正常運營時，浮頂油罐上的浮盤能隨著罐內油品液位的升降而自由浮動。當出現浮盤上重力加大或因外力卡住浮盤而不能自由動作時，則會因快速收油而使浮盤淹沒，最終沉底。
2.4.1 刮蠟機構
我國大慶、勝利、華北等油田所產原油中，通常含有較高比例的蠟，油溫降低時往往首先析出，并凝結在罐壁上，若未設刮蠟機構或刮蠟機構起不到作用，當浮盤下降，凝結在浮盤上部罐壁的蠟在陽光照射和自身重力的作用下就會脫落到浮盤上，一方面增加浮盤重量，更主要的是在降水沖刷作用下，將通過中央排水管排出，因蠟凝固點較高，極易堵塞中央排水管，導致大量雨水不能及時排空，引起浮盤沉底。因此，對于重質原油的儲運，必須重視刮蠟機構設計，同時盡量減輕刮蠟加熱系統對密封裝置可能引起的加速老化現象。
2.4.2 中央排水管
中央排水管在迅速排空罐頂積水方面起著重要作用。它隨著浮盤的升降而伸縮，長期受拉或受壓易出現塑性變形。因此，設計時應適當提高其質量等級和技術標準，確保靈活性和耐久性。
2.4.3 其他
影響浮盤升降靈活性的因素還有：密封裝置、導向裝置、量油管、浮梯軌道、浮盤船艙腐蝕以及因地基的不均勻沉降引起的罐壁垂直度超標等，這些都應該在設計中予以充分考慮。

2.5 排水設計
重點討論防火堤排水溝問題。防火堤的作用是在油品儲罐發生爆炸或破罐事故時，避免流出儲罐外的液體四處漫流，造成大面積火災。因此，防火堤應具有良好的閉合性?，F行《石油庫設計規范》規定，“油罐區的雨水排水管穿越防火堤處，應設置能在堤外操縱的封閉裝置?！蓖ㄟ^調研發現，目前防止可燃液體流出堤外的措施多采用活動閘板。下雨時打開，排水后關閉。若閘板未能及時關閉時而出現溢油事故，或下雨時閘板未能及時開啟造成污水積聚都會影響事故控制或對生產造成不良影響。另外，當油罐起火破裂后，閘板處于關閉狀態，油品被限制在防火堤內，隨著滅火撲救工作的進行，大量的冷卻水及泡沫析出的水份會造成油面上升，最終溢出防火堤。因此，建議在防火堤外設置由水封井和切水收油裝置聯合組成的阻火隔油排水裝置［5］，完全避免人工操作，從根本上既解決排水問題，又可在發生事故時挽救和回收一部分油，減輕火災帶來的損失和造成的破壞。 這一系統需要一定容量的事故存液池以回收油品。

2.6 防腐蝕措施
原油儲罐底部總是沉積著一定厚度的含鹽水,當儲存重質或含硫量、酸值較高的油品時，對防腐的要求更高。雖然目前國家對儲罐的防腐蝕設計還沒有統一標準，但對于儲量巨大、腐蝕性嚴重的大型原油儲罐而言，系統全面地設計并實施防腐的重要性是不言而喻的。
2.6.1 罐底外壁防腐
罐底外壁除按常規做外防腐涂層外，宜參考石油天然氣行業標準SY/T0088-95《鋼制儲罐罐底外壁陰極保護技術標準》，采用犧牲陽極或強制電流陰極保護法，該陽極可兼做儲罐的防雷、防靜電接地極。值得重視的是，必須改變傳統的銅接地極——因此時銅為陰極，罐體鋼卻成為陽極，從而加速腐蝕。宜改用鋅或鎂電極。
2.6.2 罐底內壁防腐
即使采用了涂層防腐，仍應根據情況考慮采用犧牲陽極的必要性，以減輕涂層缺陷時的腐蝕。涂層絕對不能使用導靜電防腐涂料，因它與犧牲陽極并用會加速陽極溶解，失去應有的陰極保護作用［6］。內壁的犧牲陽極宜選用鋁(Al)基合金陽極。
2.6.3 罐壁防腐
罐壁防腐的重點是底部水層高度范圍內，應對罐底內壁1m高采用環氧基耐油耐鹽水油罐專用絕緣涂料，其他部位可采用油罐專用導靜電涂料。

3 結論
在分析了大型原油儲罐工程危險性的基礎上,對其設計中的主要安全問題的分析，得出如下對策結論：
1) 儲罐應避免建在軟硬不一的地基上或活動性地質斷裂帶的影響范圍內；
2) 密封裝置應具有防雨、刮蠟、雙重密封等多種功能；
3) 大型油罐頂部應設固定式可燃氣體檢測報警裝置、 火災報警裝置以及工業監視電視系統；儲罐應設高、低液位報警裝置和液位極限連鎖切斷裝置；
4) 儲存含蠟量高的原油，必須重視刮蠟系統設計，并盡量減輕刮蠟加熱系統對密封裝置可能引起的加速老化現象；
5) 中央排水管至關重要，應適當提高其質量等級和技術標準；
6) 建議在防火堤外設置由水封井和切水收油裝置聯合組成的阻火、隔油、排水裝置；
7) 建議采用犧牲陽極和強制電流陰極保護法作為儲罐防雷、防靜電接地；內壁的犧牲陽極宜選用鋁（Al）基合金陽極；罐底內壁可采用環氧基耐油、耐鹽水油罐專用絕緣涂料，其它部位可采用油罐專用導靜電涂料。

參考文獻
1 黃 志. 油罐內腐蝕與防護. 油氣儲運，1996，15(7)：15～17 .
2 SH3068-95 石油化工企業鋼儲罐地基與基礎設計規范.
3 孫維禮. 大型油罐的結構特點及其對基礎的要求. 油氣儲運，1993，12(6)：28～31 .
4 陳建平. 浮頂儲罐的一種新型密封裝置. 油氣儲運，1998，17(9)：21～23.
5 傅智敏等. 油罐區防火堤及排水對消防安全的影響. 油氣儲運，1998，17(4)：43～45.
6 李根照. 原油儲罐長效防腐措施. 油氣儲運，1996，15(5)：16～19.