大型原油储罐设计中主要安全问题探讨及对策

大型原油储罐设计中主要安全问题探讨及对策

概述： 大型储罐有节省钢材、占地少、投资省、便于操作、管理等优点。随着国民经济的飞速发展，我国油品储罐越来越趋向大型化。国内第一座10万立方米大型钢制原油外浮顶储罐于1985年从日本引进。发达国家建造、使用大型储罐已有近30年历史，而我国尚处于起步阶段。影响大型储罐安全运营的因素很多,一旦发生事故,就可能引发重大事故，损失将十分惨重。因此，迫切需要及时总结经验，提出改进措施。笔者对其中的主要安全问题进行分析,并提出对策， 为工程设计提供参考。

大型原油储罐储量很大，潜在危险性高，一旦发生事故，损失将十分惨重。为此，在分析了大型原油储罐工程危险性的基础上，重点论述了大型原油储罐设计中的主要安全问题及其对策，包括储罐地基和基础、浮顶储罐密封装置、信号报警联锁系统、排水设计、防腐蚀措施等，特别针对大型原油储罐的特点，详细讨论了浮盘沉底事故原因并介绍了预防浮盘沉底的设计要求，为工程设计提供了有价值的参考依据。

1 大型原油储罐工程危险性分析
1.1 原油危险性分析
原油为甲B类易燃液体，具有易燃性; 爆炸极限范围较窄，但数值较低，具有一定的爆炸危险性，同时原油的易沸溢性，应在救火工作时引起特别重视。
1.2 火灾爆炸事故原因分析
原油的特性决定了火灾爆炸危险性是大型原油储罐最主要也是最重要的危险因素。发生着火事故的三个必要条件为: 着火源、可燃物和空气。
着火源的问题主要是通过加强管理来解决，可燃物泄漏问题则必须在储罐设计过程中加以预防和控制。
泄漏的原油暴露在空气中，即构成可燃物。原油泄漏，在储运中发生较为频繁，主要有冒罐跑油，脱水跑油，设备、管线、阀件损坏跑油，以及密封不良造成油气挥发，另外还存在着罐底开焊破裂、浮盘沉底等特大型泄漏事故的可能性。
腐蚀是发生泄漏的重要因素之一。国内外曾发生多起因油罐底部腐蚀造成的漏油事故。对原油储罐内腐蚀情况初步调查的结果表明［1］，罐底腐蚀情况严重，大多为溃疡状的坑点腐蚀,主要发生在焊接热影响区、凹陷及变形处，罐顶腐蚀次之，为伴有孔蚀的不均匀全面腐蚀，罐壁腐蚀较轻，为均匀点蚀，主要发生在油水界面，油与空气界面处。相对而言，储罐底部的外腐蚀更为严重，主要发生在边缘板与环梁基础接触的一面。
浮盘沉底事故是浮顶油罐生产作业时非常忌讳的严重恶性设备事故之一。该类事故的发生，一方面反映了设计、施工、管理等方面的严重缺陷，另一方面又将造成大量原油泄漏，严重影响生产、污染环境并构成火灾隐患。浮盘沉底事故原因分析见图1（略）。
图1 浮盘沉底事故原因分析

2 大型原油储罐设计中的主要安全问题及其对策
2.1 储罐地基和基础
储罐工程地基勘察和罐基础设计是确保大型储罐安全运营最根本的保证。根据石化行业标准［2］规定，必须在工程选址过程中进行工程地质勘察，针对一般地基、软土地基、山区地基和特殊土地基，分别探明情况，提出相应的地基处理方法，同时还应作场地和地基的地震效应评价，避免建在软硬不一的地基上或活动性地质断裂带的影响范围内。
常见的罐基础形式有环墙（梁）式、外环墙（梁）式和护坡式。应根据地质条件进行选型。 罐基础必须具有足够的整体稳定性、均匀性和足够的平面抗弯刚度，罐壁正下方基础构造的刚度应予加强，支持底板的基床应富于柔性以吸收焊接变形，宜设防水隔油层和漏油信号管，地下水位与基础顶面之间的距离不得小于毛细水所能达到的高度（一般为2m）［3］。

2.2 浮顶储罐密封装置
浮顶储罐密封圈的火灾发生频率较高，原因主要是密封不严，引起油气浓度偏高。更进一步的原因主要有：a. 大型储罐在施工中椭圆度、垂直度及局部凸凹度的偏差不可避免； b. 在储罐的操作过程中介质、气候、温度以及储罐基础沉降等因素，会引起储罐和浮顶的几何形状和尺寸的变化；c. 现有密封橡胶受阳光照射、风蚀、 刮蜡机构可能带来的高温引起的变形；d. 风力、介质进出储罐等因素使浮盘在罐内产生“漂移”。因此，密封装置的可靠性和严密性如何，对减少储液蒸发，确保安全操作有重要作用。
为了进一步改进目前普遍采用的封闭装置存在的不足，国内最新研制了“滚轮骨架密封”［4］，它采用若干个圆弧线段密封骨架，通过转轴连接，使密封骨架象链条一样在弹簧力的作用下随着储罐改变形状。骨架端部装有滚轮，当浮顶上下移动时，滚轮就在罐壁上行走，并保持密封骨架与罐壁距离不变。该装置具有防雨、刮蜡、双重密封等多种功能。

2.3 信号报警、联锁系统
大型原油储罐收付油速度很快，为避免储罐冒顶事故和浮盘搁底事故的发生，储罐应设置高、低液位报警装置，其报警高度应满足从报警开始(10～15)min内不超过液位极限，还应设液位极限联锁装置切断收（付）油阀门。
在原油储罐防火堤内，应设固定式可燃气体检测报警系统，储罐的排水口、采样口或底（侧）部接管法兰、阀门等与检测器的距离不应大于15m。建议储罐顶部密封圈周围每隔30m设固定式可燃气体检测报警系统。
另外，储罐顶部密封圈周围还应设火灾报警装置和工业监视系统，以便及早发现火情，及时扑救，最大限度地降低火灾造成的损失。

2.4 预防浮盘沉底的设计要求
正常运营时，浮顶油罐上的浮盘能随着罐内油品液位的升降而自由浮动。当出现浮盘上重力加大或因外力卡住浮盘而不能自由动作时，则会因快速收油而使浮盘淹没，最终沉底。
2.4.1 刮蜡机构
我国大庆、胜利、华北等油田所产原油中，通常含有较高比例的蜡，油温降低时往往首先析出，并凝结在罐壁上，若未设刮蜡机构或刮蜡机构起不到作用，当浮盘下降，凝结在浮盘上部罐壁的蜡在阳光照射和自身重力的作用下就会脱落到浮盘上，一方面增加浮盘重量，更主要的是在降水冲刷作用下，将通过中央排水管排出，因蜡凝固点较高，极易堵塞中央排水管，导致大量雨水不能及时排空，引起浮盘沉底。因此，对于重质原油的储运，必须重视刮蜡机构设计，同时尽量减轻刮蜡加热系统对密封装置可能引起的加速老化现象。
2.4.2 中央排水管
中央排水管在迅速排空罐顶积水方面起着重要作用。它随着浮盘的升降而伸缩，长期受拉或受压易出现塑性变形。因此，设计时应适当提高其质量等级和技术标准，确保灵活性和耐久性。
2.4.3 其他
影响浮盘升降灵活性的因素还有：密封装置、导向装置、量油管、浮梯轨道、浮盘船舱腐蚀以及因地基的不均匀沉降引起的罐壁垂直度超标等，这些都应该在设计中予以充分考虑。

2.5 排水设计
重点讨论防火堤排水沟问题。防火堤的作用是在油品储罐发生爆炸或破罐事故时，避免流出储罐外的液体四处漫流，造成大面积火灾。因此，防火堤应具有良好的闭合性。现行《石油库设计规范》规定，“油罐区的雨水排水管穿越防火堤处，应设置能在堤外操纵的封闭装置。”通过调研发现，目前防止可燃液体流出堤外的措施多采用活动闸板。下雨时打开，排水后关闭。若闸板未能及时关闭时而出现溢油事故，或下雨时闸板未能及时开启造成污水积聚都会影响事故控制或对生产造成不良影响。另外，当油罐起火破裂后，闸板处于关闭状态，油品被限制在防火堤内，随着灭火扑救工作的进行，大量的冷却水及泡沫析出的水份会造成油面上升，最终溢出防火堤。因此，建议在防火堤外设置由水封井和切水收油装置联合组成的阻火隔油排水装置［5］，完全避免人工操作，从根本上既解决排水问题，又可在发生事故时挽救和回收一部分油，减轻火灾带来的损失和造成的破坏。 这一系统需要一定容量的事故存液池以回收油品。

2.6 防腐蚀措施
原油储罐底部总是沉积着一定厚度的含盐水,当储存重质或含硫量、酸值较高的油品时，对防腐的要求更高。虽然目前国家对储罐的防腐蚀设计还没有统一标准，但对于储量巨大、腐蚀性严重的大型原油储罐而言，系统全面地设计并实施防腐的重要性是不言而喻的。
2.6.1 罐底外壁防腐
罐底外壁除按常规做外防腐涂层外，宜参考石油天然气行业标准SY/T0088-95《钢制储罐罐底外壁阴极保护技术标准》，采用牺牲阳极或强制电流阴极保护法，该阳极可兼做储罐的防雷、防静电接地极。值得重视的是，必须改变传统的铜接地极——因此时铜为阴极，罐体钢却成为阳极，从而加速腐蚀。宜改用锌或镁电极。
2.6.2 罐底内壁防腐
即使采用了涂层防腐，仍应根据情况考虑采用牺牲阳极的必要性，以减轻涂层缺陷时的腐蚀。涂层绝对不能使用导静电防腐涂料，因它与牺牲阳极并用会加速阳极溶解，失去应有的阴极保护作用［6］。内壁的牺牲阳极宜选用铝(Al)基合金阳极。
2.6.3 罐壁防腐
罐壁防腐的重点是底部水层高度范围内，应对罐底内壁1m高采用环氧基耐油耐盐水油罐专用绝缘涂料，其他部位可采用油罐专用导静电涂料。

3 结论
在分析了大型原油储罐工程危险性的基础上,对其设计中的主要安全问题的分析，得出如下对策结论：
1) 储罐应避免建在软硬不一的地基上或活动性地质断裂带的影响范围内；
2) 密封装置应具有防雨、刮蜡、双重密封等多种功能；
3) 大型油罐顶部应设固定式可燃气体检测报警装置、 火灾报警装置以及工业监视电视系统；储罐应设高、低液位报警装置和液位极限连锁切断装置；
4) 储存含蜡量高的原油，必须重视刮蜡系统设计，并尽量减轻刮蜡加热系统对密封装置可能引起的加速老化现象；
5) 中央排水管至关重要，应适当提高其质量等级和技术标准；
6) 建议在防火堤外设置由水封井和切水收油装置联合组成的阻火、隔油、排水装置；
7) 建议采用牺牲阳极和强制电流阴极保护法作为储罐防雷、防静电接地；内壁的牺牲阳极宜选用铝（Al）基合金阳极；罐底内壁可采用环氧基耐油、耐盐水油罐专用绝缘涂料，其它部位可采用油罐专用导静电涂料。

参考文献
1 黄 志. 油罐内腐蚀与防护. 油气储运，1996，15(7)：15～17 .
2 SH3068-95 石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范.
3 孙维礼. 大型油罐的结构特点及其对基础的要求. 油气储运，1993，12(6)：28～31 .
4 陈建平. 浮顶储罐的一种新型密封装置. 油气储运，1998，17(9)：21～23.
5 傅智敏等. 油罐区防火堤及排水对消防安全的影响. 油气储运，1998，17(4)：43～45.
6 李根照. 原油储罐长效防腐措施. 油气储运，1996，15(5)：16～19.