鄭水成，董愛娜，馬平一

（中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1950年至今，全球石油儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)600余起，其中密封圈火災(zāi)是大型浮頂儲(chǔ)罐最主要的火災(zāi)形式，雷擊是主要原因。美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）數(shù)據(jù)顯示，密封圈火災(zāi)占火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)量的72.8%，而在中國(guó)密封圈火災(zāi)占火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)量高達(dá)82%。因此，開展外浮頂油罐二次密封腔內(nèi)可燃?xì)怏w安全檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目超標(biāo)的油罐采取相應(yīng)措施管控風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于濃度小于25%LEL（爆炸下限）的第一類油罐，采取相應(yīng)管理措施加強(qiáng)油罐日常監(jiān)管；對(duì)于濃度持續(xù)保持在25%LEL（爆炸下限）以上的第二類油罐，采取技術(shù)措施集中進(jìn)行專項(xiàng)治理。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical seal structure

1 儲(chǔ)罐密封圈結(jié)構(gòu)分析

1.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)安全分析

其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)密封圈空間變化能力較大、使用壽命較長(zhǎng)、破損件回收容易；缺點(diǎn)是0區(qū)具有較大的爆炸性混合氣體空間，一、二次密封間易形成爆炸性混合氣體，密封與罐壁的間隙在雷電時(shí)可能產(chǎn)生放電火花。

1.2 軟密封結(jié)構(gòu)安全分析

其優(yōu)點(diǎn)是密封效果好，無油氣蒸發(fā)空間0區(qū)，密封圈與罐壁無金屬接觸物；缺點(diǎn)是適應(yīng)密封圈空間變化能力較小，破損后難以回收；一、二次密封間會(huì)形成爆炸性混合物氣體，軟密封體上積聚的靜電釋放緩慢。當(dāng)遇到連續(xù)感應(yīng)雷時(shí)會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生靜電積聚，二次密封上部的靜電導(dǎo)除板，在油罐運(yùn)行時(shí)如果接觸不良，會(huì)存在放電間隙[1]。

兩者都存在油氣空間，只是大小差別，兩者都具有放電間隙，無論是機(jī)械式密封儲(chǔ)罐還是軟密封儲(chǔ)罐均存在密封圈爆炸起火的危險(xiǎn)。

2 防護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)

通過智能監(jiān)測(cè)與抑制儲(chǔ)罐二次密封內(nèi)油氣和氧氣濃度，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化充氮的主動(dòng)防護(hù)。

2.2 簡(jiǎn)易注氮系統(tǒng)

通過人工檢測(cè)方式確定可燃?xì)獬瑯?biāo)的儲(chǔ)罐，根據(jù)雷雨氣象信息采取移動(dòng)注氮方式降低儲(chǔ)罐二次密封腔內(nèi)可燃?xì)鉂舛取?/p>

這兩個(gè)方案主要原理：均采取充氮方式抑制二次密封腔內(nèi)可燃?xì)鉂舛?，從而避免出現(xiàn)爆炸性環(huán)境。兩項(xiàng)方案的區(qū)別在于：第一項(xiàng)方案為智能監(jiān)測(cè)濃度及自動(dòng)化充氮的主動(dòng)防護(hù)方式，第二項(xiàng)方案采取人工檢測(cè)濃度及移動(dòng)充氮方式。從控制二次密封腔內(nèi)可燃?xì)鉂舛鹊挠行詠砜?，第一?xiàng)方案的準(zhǔn)確性和及時(shí)性更高，第二種方案采用人工輔助安全防護(hù)，存在能耗高、保護(hù)效果有限。主要目的均是控制可燃?xì)狻坝蜌狻?、助燃?xì)狻把鯕狻薄?/p>

圖2 軟密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Soft seal structure

2.3 雷電安全一體化防護(hù)系統(tǒng)

主要解決儲(chǔ)罐遭受雷擊時(shí)不出現(xiàn)打火，消除“點(diǎn)火源”。此方案主要原理：通過疏導(dǎo)、阻斷雷電對(duì)儲(chǔ)罐的損害，主要目的是控制了“點(diǎn)火源”。對(duì)于具有良好的接地網(wǎng)絡(luò)的罐區(qū)，可以達(dá)到疏導(dǎo)、阻斷雷電的目的，從而阻斷“點(diǎn)火源”，以保證安全可靠[2]。

3 儲(chǔ)罐二次密封可燃?xì)獍踩L(fēng)險(xiǎn)解決方案

目前主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)衍生出了較為常見的兩種技術(shù)，一種是帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)，一種是不帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)。

3.1 帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由油氣分析模塊、惰化保護(hù)模塊、油氣凈化模塊、控制模塊等組成。主要原理是實(shí)時(shí)抽取油氣，經(jīng)預(yù)處理后混合氣主路進(jìn)入凈化系統(tǒng)處理，處理后的尾氣注入一、二次密封內(nèi)，回收液進(jìn)回收液罐儲(chǔ)存。混合氣支路進(jìn)入分析模塊，當(dāng)分析結(jié)果高于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)惰化模塊，否則不啟動(dòng)。

正常運(yùn)行時(shí)，油氣揮發(fā)氣體濃度分析儀、樣品處理系統(tǒng)和取樣泵處于實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，取樣泵將一、二次密封之間的混合氣體通過采樣探頭采集送至預(yù)處理系統(tǒng)預(yù)處理后，進(jìn)入分析系統(tǒng)進(jìn)行油氣濃度分析及動(dòng)態(tài)LEL計(jì)算；同時(shí)凈化系統(tǒng)對(duì)油氣進(jìn)行凈化、回收，回收的油品進(jìn)入油罐儲(chǔ)存，凈化后的氣體回注到一、二次密封空間內(nèi)，以降低油氣濃度、減少油氣損耗。當(dāng)揮發(fā)氣體濃度分析儀檢測(cè)結(jié)果判定為危險(xiǎn)后，自動(dòng)啟動(dòng)惰化保護(hù)，氮?dú)馔ㄟ^探頭注入儲(chǔ)罐密封空間，可迅速降低油氣濃度，保證儲(chǔ)罐安全。

圖3 帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)Fig.3 Protection system with “oil and gas purification system”

3.2 不帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由油氣分析模塊、惰化保護(hù)模塊、控制模塊等組成。主要原理是按設(shè)定時(shí)間進(jìn)行巡回抽取一、二次密封圈內(nèi)混合氣樣氣，混合氣支路進(jìn)入分析模塊，當(dāng)分析結(jié)果高于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)惰化模塊，否則不啟動(dòng)。

系統(tǒng)啟動(dòng)智能保護(hù)后，氣體取樣泵對(duì)儲(chǔ)罐密封圈內(nèi)混合氣體按預(yù)設(shè)時(shí)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行巡回取樣，樣氣經(jīng)過濾、分流等預(yù)處理后，進(jìn)入分析儀作油氣/氧氣濃度實(shí)時(shí)分析，檢測(cè)結(jié)果傳輸給控制裝置。當(dāng)油氣濃度超出設(shè)定的LEL設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行惰化保護(hù)，將油氣濃度控制在安全范圍內(nèi)。

目前，不帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用較多，設(shè)計(jì)時(shí)配套分析小屋，并設(shè)置氣體濃度分析儀、樣氣預(yù)處理系統(tǒng)、上位機(jī)。儲(chǔ)罐啟動(dòng)自動(dòng)防護(hù)后，采樣泵依次抽取所保護(hù)的儲(chǔ)罐采樣點(diǎn)的氣體，在每抽取一個(gè)采樣點(diǎn)的氣體后，氣體檢測(cè)儀經(jīng)延時(shí)處理后輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)再進(jìn)行各級(jí)安全判定。

氣體取樣泵對(duì)儲(chǔ)罐密封圈內(nèi)混合氣體按預(yù)設(shè)時(shí)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行巡回取樣，樣氣經(jīng)過濾、分流等預(yù)處理后，進(jìn)入分析儀作油氣/氧氣濃度實(shí)時(shí)分析，檢測(cè)結(jié)果傳輸給控制裝置。當(dāng)油氣濃度超出設(shè)定的LEL設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行惰化保護(hù)，將油氣濃度控制在安全范圍內(nèi)。系統(tǒng)能夠在線監(jiān)測(cè)保護(hù)區(qū)域油氣濃度和氧氣濃度，對(duì)保護(hù)空間危險(xiǎn)性進(jìn)行判定，并自動(dòng)進(jìn)行注氮保護(hù)[3]。

啟動(dòng)自動(dòng)防護(hù)后，通過注氮保護(hù)，能有效降低密封圈內(nèi)的氧氣濃度和油氣濃度，保障儲(chǔ)罐本質(zhì)安全運(yùn)行。

3.3 方案比較

帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)、不帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)，均能從根源上降低一、二次密封之間的油氣濃度，從而提高儲(chǔ)罐安全性。

圖4 不帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)圖Fig.4 Protection system without“oil and gas purification system”

帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)，主要優(yōu)點(diǎn)是可回收部分油品，對(duì)減少VOCs排放量有一定貢獻(xiàn)，氮?dú)夂牧可伲恢饕秉c(diǎn)是流程較長(zhǎng)、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備較多，日常維護(hù)較為復(fù)雜，一次性投資高；主要風(fēng)險(xiǎn)是：油氣采集時(shí)依靠引風(fēng)機(jī)抽，可能會(huì)造成空氣進(jìn)入密封氣相空間，引起氧含量超標(biāo)，帶來新的安全隱患。由于二次密封不嚴(yán)，有可能造成氮?dú)馔庖?，如果?chǔ)罐長(zhǎng)時(shí)間處于低液位狀態(tài)，儲(chǔ)罐浮盤上方和罐壁形成的半封閉空間會(huì)積聚氮?dú)?，有可能引發(fā)操作人員窒息等人身傷害。

不帶“油氣凈化系統(tǒng)”的防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是流程較短、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備較少、操作及維護(hù)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，一次性投資低；缺點(diǎn)是氮?dú)夂牧枯^高。主要風(fēng)險(xiǎn)是由于二次密封不嚴(yán)，有可能造成氮?dú)馔庖?，如果?chǔ)罐長(zhǎng)時(shí)間處于低液位狀態(tài)，儲(chǔ)罐浮盤上方和罐壁形成的半封閉空間會(huì)積聚氮?dú)猓锌赡芤l(fā)操作人員窒息等人身傷害，生產(chǎn)作業(yè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。

4 其它需要注意的問題

為儲(chǔ)罐主動(dòng)配置安全防護(hù)系統(tǒng)大大降低了密封圈火災(zāi)發(fā)生的概率，但VOCs收集難以達(dá)到預(yù)期的環(huán)?？刂颇繕?biāo)。正常生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)密封圈的維護(hù)，盡量減少VOCS外溢；從儲(chǔ)罐安全方面，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)已有良好的接地網(wǎng)絡(luò)。正常生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)接地系統(tǒng)的維護(hù)，以避免雷擊引起的的火災(zāi)事故發(fā)生；從人員安全方面，由于二次密封不嚴(yán)，存在浮盤上方氮?dú)夂窟^高、氧含量不足從而導(dǎo)致操作人員窒息的安全風(fēng)險(xiǎn)，人員下罐之前要加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和管理。