陶彬 郎需慶 牟善軍 張玉平 牟小冬 管孝瑞 馬開良

(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，化學品安全控制國家重點實驗室 山東青島 266101)

0 引言

煉化企業(yè)受生產及市場波動，儲罐會在高液位運行，從儲罐安全運行的角度看，儲罐長期處于高液位將會導致罐區(qū)風險增加。2020年2月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)了《關于全面加強危險化學品安全生產工作的意見》，要求各企業(yè)以防控系統(tǒng)性安全風險為重點，建立安全隱患排查和安全預防控制體系，加強源頭治理、綜合治理、精準治理，加快實現(xiàn)危險化學品安全生產治理體系和治理能力現(xiàn)代化。按照《化工園區(qū)安全風險排查治理導則(試行)》和《危險化學品企業(yè)安全風險隱患排查治理導則》等相關制度規(guī)范，全面開展安全風險排查和隱患治理。石化企業(yè)的安全運行是始終不能放松的，越在生產形勢緊迫的時候，越要提高安全防護等級，確保安全生產。

本文將分析高液位儲罐運行期間的事故可能性和后果，探討全方位防范措施，為國內企業(yè)罐區(qū)安全運行提供支持。

1 儲罐燃爆事故案例統(tǒng)計分析

從近些年國內外儲罐事故統(tǒng)計結果看，在儲罐類型方面，內浮頂罐火災事故所占比例最高，約占36.2%；固定頂儲罐約占30%；外浮頂儲罐約占27%[1]。

在點火源方面，雷電所占比例最高[2]，為23%；施工、明火和靜電各占19%；另外，還有硫化亞鐵自燃、非防爆器具、汽車火星、高溫物料等點火源，其占比均低于8%。

在儲存介質方面，汽油比例最高，占30%；原油占18%；石腦油、柴油及污油各占9%～10%。

在事故原因方面，造成儲罐燃爆事故的原因較多，雷擊所占比例最高，占26%；儲罐溢油與泄漏占19%；檢修安全措施不到位或違章作業(yè)占15%；靜電占12%；輕組分或高溫油進罐占9%；硫化亞鐵自燃占6%[3]。

總之，從國內外各渠道的儲罐事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，高液位儲罐安全應重點關注存儲汽油、原油、石腦油、柴油及污油/污水罐的拱頂儲罐、內浮頂儲罐和外浮頂儲罐，防范因雷電、靜電、儲罐監(jiān)控及施工作業(yè)與監(jiān)護引發(fā)的固定頂儲罐全面積火災、氣相聯(lián)通儲罐的群罐火災及大型浮頂儲罐全面積火災。

2 高液位儲罐的風險分析

(1)上游裝置來料可能夾雜輕組分物料進罐，燃爆風險升高。在裝置低負荷生產條件下，生產裝置的平穩(wěn)控制操作難度增大，上游裝置出現(xiàn)生產異常的概率會升高，若處置不當，會造成含瓦斯氣，液態(tài)烴C3、C4等輕組分物料隨污油或產品進入下游儲罐，這些輕組分物料在儲罐內形成封閉的爆炸空間，遇到點火源后會發(fā)生儲罐燃爆事故。

(2)高液位儲罐的雷擊事故概率升高。當內浮頂儲罐長期在高液位運行時，油面距離罐頂環(huán)向通氣孔較近，罐內氣相空間受外界空氣流動影響較大，罐內油氣與外界空氣更容易混合形成處于燃爆極限范圍內的油氣混合物，遭受雷擊后容易發(fā)生罐內爆炸和持續(xù)燃燒，如2007年6月29日寧波一臺5 000 m3石腦油內浮頂儲罐，在高液位9.5 m處(安全液位12.5 m)時，罐頂通氣口處遭受雷擊引爆罐內油氣，罐頂掀開約1/3，形成罐內全面積火災。

外浮頂儲罐處于高液位時，因罐頂風速高、風向變化快，外界空氣更容易從密封裝置與罐壁的夾縫處進入密封圈內流動，打破密封圈內原有的氣液平衡[4]，加速油氣揮發(fā)，使得更多油氣處于燃爆范圍,如2006年8月7日江蘇某15×104m3立浮頂儲罐因密封圈內油氣超標發(fā)生雷擊著火事故。

(3)高液位儲罐冒罐溢油風險增加。當前，罐區(qū)儀表自動化系統(tǒng)普遍存在的突出問題有液位儀表設施故障失效、超限液位報警失效等。儲罐在高液位下運行，各個儲罐的收油容積變小，在切換儲罐時儲罐聯(lián)鎖故障會導致儲罐冒頂溢油事故,如2005年英國邦斯菲爾德油庫、2009年印度石油公司的齋普爾油庫等均因儲罐聯(lián)鎖控制系統(tǒng)故障造成儲罐內油料溢出罐外形成群罐火災事故。

(4)外浮頂儲罐浮盤卡盤或沉盤概率增加。因浮頂儲罐體積龐大，罐壁微小的沉降和變形在日常巡檢中難以用肉眼觀察到，只有當失穩(wěn)變形積累到一定程度、發(fā)生功能性故障時，才會被發(fā)現(xiàn)。對于運行年數(shù)較多的外浮頂儲罐，受罐體結構特征影響，罐壁頂部變形格外嚴重[5]，由于平時浮盤極少運行到最高液位，所以罐壁頂部嚴重變形的問題往往被企業(yè)忽視。但是，一旦浮盤上升到最高液位時，發(fā)生浮盤卡盤的概率大大增加，浮盤卡盤容易引發(fā)浮頂儲罐全面積火災。

另外，處于高液位的浮盤遇到臺風時，浮盤上所有附件因缺少罐壁的氣流緩沖都將被臺風直接沖擊，受損概率大大增加。轉動扶梯易被強風吹倒斷裂或脫軌，脫軌后的扶梯在浮盤運行時極易戳破浮盤，造成浮盤頂部積油。同時，強風進入密封圈后，因內部壓力急劇增高，二次密封裝置的金屬支撐板也容易刮飛，導致浮盤密封功能失效[6]。值得注意的是，臺風往往伴隨著強降雨，在短時間內浮盤表面會大量積水，浮盤積水被強風吹向浮盤的下風向一側，可能造成浮盤傾斜、沉沒。浮艙蓋在未旋緊情況下也會被強風吹開，導致浮艙進水，造成浮盤歪斜，甚至沉沒。

(5)高液位儲罐在地震時罐體坍塌危險性增大。處于高液位的儲罐重心高，在發(fā)生地震時，罐內液體會劇烈晃動，易造成儲罐發(fā)生“象足”和“菱形”屈曲等形式的破壞。從多項研究結果看，罐內儲存的液體越多，液體晃動最大高度、罐底側壁最大壓應力以及罐底提離都越大，即地震強度越大，儲罐液位越高，儲罐反應就越強烈，且拱頂儲罐的反應明顯大于浮頂儲罐；儲罐在高液位或滿罐時更容易發(fā)生“象足”失穩(wěn)，空罐或半罐時不易發(fā)生；罐底與壁板的連接處是儲罐受力最復雜、最危險之處，一旦遭遇地震很容易發(fā)生破壞[7-8]。如1983年日本海中部地震，晃動周期在10 s左右的13個油罐發(fā)生溢流和罐頂附件損壞，并引起火災；1978年阿根廷地震和1980年美國加州中部地震造成近100座油罐破壞；2003年11月日本Tokchi-oki發(fā)生地震，位于Tomakomai的浮頂油罐因地震浮盤沉沒，進而引燃了罐內全面積火災。

(6)高液位儲罐硫化物自燃概率增高。對含硫量較高的高液位輕質油品儲罐，罐壁長時間浸在液面下腐蝕加劇，罐壁上附著硫化腐蝕產物，當儲罐付油時，液位降低，吸入罐內的空氣與裸露罐壁上的硫化亞鐵腐蝕物接觸，容易發(fā)生硫化亞鐵自燃[9-10]。如2010年5月9日上海某石化公司5 000 m3石腦油內浮頂儲罐因在浮盤導向管處發(fā)生硫化亞鐵自燃，引燃罐內爆炸性混合氣體。

(7)高液位儲罐罐壁易坍塌或撕裂。對服役年數(shù)多且罐內腐蝕嚴重的儲罐，罐壁底部角焊縫處應力較大，儲罐持續(xù)高液位會加劇罐底應力，存在罐壁底部大角焊縫撕裂、罐壁坍塌和變形加劇等可能性[11-13]。如1988年1月美國賓夕法尼亞州某石油公司一座高14.6 m、直徑36.6 m的固定頂柴油罐突然從垂直方向開裂，1 480 m3柴油全部泄漏，儲罐完全坍塌。

(8)高液位儲罐滅火難度增大。儲罐液位高意味著液面以上的儲罐容積減小，存儲泡沫的空間小，滅火難度增加，另外，高液位儲罐在滅火過程中，若消防水和罐內油品溢出罐外，還可能造成環(huán)境污染事故。如2015年福建漳州古雷PX裝置爆炸事故造成了多臺儲罐著火，其中一臺5 000 m3內浮頂儲罐液位較高，爆炸導致罐壁的固定式消防系統(tǒng)癱瘓，只能用移動式消防炮實施罐壁冷卻，在冷卻過程中因能見度低，移動消防炮的冷卻水不慎噴入罐內，加之持續(xù)噴入罐內的泡沫，導致罐內液面急速上升，造成罐內油品迅速溢出罐外，形成了地面池火[14]。

3 高液位儲罐安全防護措施

3.1 工藝技術措施

(1)針對大型原油罐浮盤密封油氣超標問題，建議采用全尺寸一次密封裝置和抑爆型新型二次密封，從根源上消除一次密封與油面之間、一次密封與二次密封之間的油氣空間，增加密封圈裝置與罐壁的密封面積，大大降低密封圈燃爆能量[15]。

(2)應提高罐區(qū)雷擊災害的防范水平，在罐區(qū)配置雷電預警系統(tǒng)，完善罐體防雷系統(tǒng)，采取在大型浮頂儲罐安裝二次密封新型橡膠刮板、導向柱設施絕緣裝置、刮蠟器等電位連接線及儲罐可伸縮式接地裝置等措施[16]。

(3)罐區(qū)采用VOCs排放成套控制技術，通過在浮盤導向柱設密封套、在浮盤刷涂隔熱涂料、選擇最佳儲存油溫等方式減少儲罐油氣揮發(fā)，解決大型罐區(qū)嚴重的油氣揮發(fā)問題。

(4)完善儲罐罐體安全狀態(tài)預警系統(tǒng)，加強罐區(qū)異常狀態(tài)監(jiān)控。大型浮頂儲罐安裝浮盤狀態(tài)與基礎沉降在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測儲罐運行狀態(tài)[17]。

(5)儲罐底部需配置緊急切斷閥，具備在緊急情況下及時切斷管路的能力。

3.2 安全管理措施

(1)對長期在高液位運行的儲罐應建立專門檔案，嚴格控制最高運行液位，在收付油時加強過程監(jiān)護。對于罐基礎沉降不充分的大型浮頂儲罐、腐蝕嚴重的老罐、罐體嚴重變形的儲罐、未設氮封且富含硫化氫的儲罐、儀表控制系統(tǒng)不完善的儲罐等安全程度不高的儲罐不建議長期在高液位運行[18-19]。

(2)上游裝置應加強平穩(wěn)操作管理，確保出裝置油品溫度不超工藝卡片、不夾帶輕組分，重視下游儲運系統(tǒng)的運行風險，嚴格裝置各項指標控制，杜絕將氫氣、輕烴等含輕組分產品退至儲罐[20-21]。

(3)對輕質油儲罐，尤其是氣相聯(lián)通的儲罐群，應采用氮封措施，隔絕空氣進入罐內，消除儲罐氣相空間的爆炸性環(huán)境，同時防止罐內硫化亞鐵自燃。

(4)在雷雨季節(jié)到來前，全面檢測儲罐區(qū)防雷系統(tǒng)。在雷雨天氣應減少或停止儲罐收發(fā)油操作。在暴雨期間應控制好石腦油等輕質油品的切割和進罐溫度，要控制進罐量、分散進料。

(5)全面排查罐區(qū)獨立安全儀表系統(tǒng)(SIS)、高低液位報警及聯(lián)鎖、可燃及有毒氣體檢測報警儀、火災報警系統(tǒng)等，確?？刂婆c報警系統(tǒng)可靠有效。

3.3 應急防護措施

(1)建立和完善煉化企業(yè)基層單位義務應急隊，完善基于風險的初期火災處置方案，在高風險區(qū)域重點配置處理初期火災事故的成套應急裝備，提高事故初期階段的處理能力，并組織開展專題培訓與演練。

(2)企業(yè)專職消防隊針對長期高液位運行儲罐的各類事故開展專項應急預案的實地演練，并開展罐區(qū)固定式消防系統(tǒng)的檢查與全流程出液測試工作，提高固定式消防系統(tǒng)的可靠性[22]。

(3)以撲救大型儲罐全面積火災為目標，以區(qū)域為單位，在大型?；窇本仍嘏渲靡源罅髁扛咝菽b備為核心裝備的成套消防裝備，持續(xù)提升處置重大罐區(qū)火災事故的能力[23-25]。

(4)開展暴雨、臺風、颶風、泥石流、極端天氣條件下的風險分析研判和預警響應工作，做好應急物資的儲備[26]，并加強專項應急處置演練。

4 結語

國內成品油等石化產品需求量大幅降低，致使煉化企業(yè)長時間低負荷運轉，多數(shù)儲罐也將長時間高液位運行，將會增加儲罐運行風險。罐區(qū)是企業(yè)重大危險源，也是能量高度集中區(qū)域，一直是企業(yè)消防安全高度關注的對象。

對此，本文全面分析了近些年國內外儲罐火災爆炸事故，基于二八定律，指出高液位運行儲罐重點防護的火災類型是固定頂儲罐和浮頂儲罐全面積火災、群罐火災，應重點防護的儲存介質是汽油、原油等輕質油品。從事故致因機理方面，分析了儲罐因高液位運行造成的風險增加，風險主要體現(xiàn)在上游輕組分進罐、雷擊、冒罐溢油、浮盤沉沒或卡盤、因地震罐體坍塌、硫化物自燃、因罐底高應力造成罐壁坍塌、滅火難度大等方面；基于保護層的理念，從工藝技術、安全管理和應急防護三方面提出了14項措施加強高液位儲罐的安全防護。