石化企业储罐高液位运行风险分析与防护系统建设探讨

陶彬 郎需庆 牟善军 张玉平 牟小冬 管孝瑞 马开良

(中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，化学品安全控制国家重点实验室 山东青岛 266101)

0 引言

炼化企业受生产及市场波动，储罐会在高液位运行，从储罐安全运行的角度看，储罐长期处于高液位将会导致罐区风险增加。2020年2月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于全面加强危险化学品安全生产工作的意见》，要求各企业以防控系统性安全风险为重点，建立安全隐患排查和安全预防控制体系，加强源头治理、综合治理、精准治理，加快实现危险化学品安全生产治理体系和治理能力现代化。按照《化工园区安全风险排查治理导则(试行)》和《危险化学品企业安全风险隐患排查治理导则》等相关制度规范，全面开展安全风险排查和隐患治理。石化企业的安全运行是始终不能放松的，越在生产形势紧迫的时候，越要提高安全防护等级，确保安全生产。

本文将分析高液位储罐运行期间的事故可能性和后果，探讨全方位防范措施，为国内企业罐区安全运行提供支持。

1 储罐燃爆事故案例统计分析

从近些年国内外储罐事故统计结果看，在储罐类型方面，内浮顶罐火灾事故所占比例最高，约占36.2%；固定顶储罐约占30%；外浮顶储罐约占27%[1]。

在点火源方面，雷电所占比例最高[2]，为23%；施工、明火和静电各占19%；另外，还有硫化亚铁自燃、非防爆器具、汽车火星、高温物料等点火源，其占比均低于8%。

在储存介质方面，汽油比例最高，占30%；原油占18%；石脑油、柴油及污油各占9%～10%。

在事故原因方面，造成储罐燃爆事故的原因较多，雷击所占比例最高，占26%；储罐溢油与泄漏占19%；检修安全措施不到位或违章作业占15%；静电占12%；轻组分或高温油进罐占9%；硫化亚铁自燃占6%[3]。

总之，从国内外各渠道的储罐事故统计数据看，高液位储罐安全应重点关注存储汽油、原油、石脑油、柴油及污油/污水罐的拱顶储罐、内浮顶储罐和外浮顶储罐，防范因雷电、静电、储罐监控及施工作业与监护引发的固定顶储罐全面积火灾、气相联通储罐的群罐火灾及大型浮顶储罐全面积火灾。

2 高液位储罐的风险分析

(1)上游装置来料可能夹杂轻组分物料进罐，燃爆风险升高。在装置低负荷生产条件下，生产装置的平稳控制操作难度增大，上游装置出现生产异常的概率会升高，若处置不当，会造成含瓦斯气，液态烃C3、C4等轻组分物料随污油或产品进入下游储罐，这些轻组分物料在储罐内形成封闭的爆炸空间，遇到点火源后会发生储罐燃爆事故。

(2)高液位储罐的雷击事故概率升高。当内浮顶储罐长期在高液位运行时，油面距离罐顶环向通气孔较近，罐内气相空间受外界空气流动影响较大，罐内油气与外界空气更容易混合形成处于燃爆极限范围内的油气混合物，遭受雷击后容易发生罐内爆炸和持续燃烧，如2007年6月29日宁波一台5 000 m3石脑油内浮顶储罐，在高液位9.5 m处(安全液位12.5 m)时，罐顶通气口处遭受雷击引爆罐内油气，罐顶掀开约1/3，形成罐内全面积火灾。

外浮顶储罐处于高液位时，因罐顶风速高、风向变化快，外界空气更容易从密封装置与罐壁的夹缝处进入密封圈内流动，打破密封圈内原有的气液平衡[4]，加速油气挥发，使得更多油气处于燃爆范围,如2006年8月7日江苏某15×104m3立浮顶储罐因密封圈内油气超标发生雷击着火事故。

(3)高液位储罐冒罐溢油风险增加。当前，罐区仪表自动化系统普遍存在的突出问题有液位仪表设施故障失效、超限液位报警失效等。储罐在高液位下运行，各个储罐的收油容积变小，在切换储罐时储罐联锁故障会导致储罐冒顶溢油事故,如2005年英国邦斯菲尔德油库、2009年印度石油公司的斋普尔油库等均因储罐联锁控制系统故障造成储罐内油料溢出罐外形成群罐火灾事故。

(4)外浮顶储罐浮盘卡盘或沉盘概率增加。因浮顶储罐体积庞大，罐壁微小的沉降和变形在日常巡检中难以用肉眼观察到，只有当失稳变形积累到一定程度、发生功能性故障时，才会被发现。对于运行年数较多的外浮顶储罐，受罐体结构特征影响，罐壁顶部变形格外严重[5]，由于平时浮盘极少运行到最高液位，所以罐壁顶部严重变形的问题往往被企业忽视。但是，一旦浮盘上升到最高液位时，发生浮盘卡盘的概率大大增加，浮盘卡盘容易引发浮顶储罐全面积火灾。

另外，处于高液位的浮盘遇到台风时，浮盘上所有附件因缺少罐壁的气流缓冲都将被台风直接冲击，受损概率大大增加。转动扶梯易被强风吹倒断裂或脱轨，脱轨后的扶梯在浮盘运行时极易戳破浮盘，造成浮盘顶部积油。同时，强风进入密封圈后，因内部压力急剧增高，二次密封装置的金属支撑板也容易刮飞，导致浮盘密封功能失效[6]。值得注意的是，台风往往伴随着强降雨，在短时间内浮盘表面会大量积水，浮盘积水被强风吹向浮盘的下风向一侧，可能造成浮盘倾斜、沉没。浮舱盖在未旋紧情况下也会被强风吹开，导致浮舱进水，造成浮盘歪斜，甚至沉没。

(5)高液位储罐在地震时罐体坍塌危险性增大。处于高液位的储罐重心高，在发生地震时，罐内液体会剧烈晃动，易造成储罐发生“象足”和“菱形”屈曲等形式的破坏。从多项研究结果看，罐内储存的液体越多，液体晃动最大高度、罐底侧壁最大压应力以及罐底提离都越大，即地震强度越大，储罐液位越高，储罐反应就越强烈，且拱顶储罐的反应明显大于浮顶储罐；储罐在高液位或满罐时更容易发生“象足”失稳，空罐或半罐时不易发生；罐底与壁板的连接处是储罐受力最复杂、最危险之处，一旦遭遇地震很容易发生破坏[7-8]。如1983年日本海中部地震，晃动周期在10 s左右的13个油罐发生溢流和罐顶附件损坏，并引起火灾；1978年阿根廷地震和1980年美国加州中部地震造成近100座油罐破坏；2003年11月日本Tokchi-oki发生地震，位于Tomakomai的浮顶油罐因地震浮盘沉没，进而引燃了罐内全面积火灾。

(6)高液位储罐硫化物自燃概率增高。对含硫量较高的高液位轻质油品储罐，罐壁长时间浸在液面下腐蚀加剧，罐壁上附着硫化腐蚀产物，当储罐付油时，液位降低，吸入罐内的空气与裸露罐壁上的硫化亚铁腐蚀物接触，容易发生硫化亚铁自燃[9-10]。如2010年5月9日上海某石化公司5 000 m3石脑油内浮顶储罐因在浮盘导向管处发生硫化亚铁自燃，引燃罐内爆炸性混合气体。

(7)高液位储罐罐壁易坍塌或撕裂。对服役年数多且罐内腐蚀严重的储罐，罐壁底部角焊缝处应力较大，储罐持续高液位会加剧罐底应力，存在罐壁底部大角焊缝撕裂、罐壁坍塌和变形加剧等可能性[11-13]。如1988年1月美国宾夕法尼亚州某石油公司一座高14.6 m、直径36.6 m的固定顶柴油罐突然从垂直方向开裂，1 480 m3柴油全部泄漏，储罐完全坍塌。

(8)高液位储罐灭火难度增大。储罐液位高意味着液面以上的储罐容积减小，存储泡沫的空间小，灭火难度增加，另外，高液位储罐在灭火过程中，若消防水和罐内油品溢出罐外，还可能造成环境污染事故。如2015年福建漳州古雷PX装置爆炸事故造成了多台储罐着火，其中一台5 000 m3内浮顶储罐液位较高，爆炸导致罐壁的固定式消防系统瘫痪，只能用移动式消防炮实施罐壁冷却，在冷却过程中因能见度低，移动消防炮的冷却水不慎喷入罐内，加之持续喷入罐内的泡沫，导致罐内液面急速上升，造成罐内油品迅速溢出罐外，形成了地面池火[14]。

3 高液位储罐安全防护措施

3.1 工艺技术措施

(1)针对大型原油罐浮盘密封油气超标问题，建议采用全尺寸一次密封装置和抑爆型新型二次密封，从根源上消除一次密封与油面之间、一次密封与二次密封之间的油气空间，增加密封圈装置与罐壁的密封面积，大大降低密封圈燃爆能量[15]。

(2)应提高罐区雷击灾害的防范水平，在罐区配置雷电预警系统，完善罐体防雷系统，采取在大型浮顶储罐安装二次密封新型橡胶刮板、导向柱设施绝缘装置、刮蜡器等电位连接线及储罐可伸缩式接地装置等措施[16]。

(3)罐区采用VOCs排放成套控制技术，通过在浮盘导向柱设密封套、在浮盘刷涂隔热涂料、选择最佳储存油温等方式减少储罐油气挥发，解决大型罐区严重的油气挥发问题。

(4)完善储罐罐体安全状态预警系统，加强罐区异常状态监控。大型浮顶储罐安装浮盘状态与基础沉降在线监测系统，实时监测储罐运行状态[17]。

(5)储罐底部需配置紧急切断阀，具备在紧急情况下及时切断管路的能力。

3.2 安全管理措施

(1)对长期在高液位运行的储罐应建立专门档案，严格控制最高运行液位，在收付油时加强过程监护。对于罐基础沉降不充分的大型浮顶储罐、腐蚀严重的老罐、罐体严重变形的储罐、未设氮封且富含硫化氢的储罐、仪表控制系统不完善的储罐等安全程度不高的储罐不建议长期在高液位运行[18-19]。

(2)上游装置应加强平稳操作管理，确保出装置油品温度不超工艺卡片、不夹带轻组分，重视下游储运系统的运行风险，严格装置各项指标控制，杜绝将氢气、轻烃等含轻组分产品退至储罐[20-21]。

(3)对轻质油储罐，尤其是气相联通的储罐群，应采用氮封措施，隔绝空气进入罐内，消除储罐气相空间的爆炸性环境，同时防止罐内硫化亚铁自燃。

(4)在雷雨季节到来前，全面检测储罐区防雷系统。在雷雨天气应减少或停止储罐收发油操作。在暴雨期间应控制好石脑油等轻质油品的切割和进罐温度，要控制进罐量、分散进料。

(5)全面排查罐区独立安全仪表系统(SIS)、高低液位报警及联锁、可燃及有毒气体检测报警仪、火灾报警系统等，确保控制与报警系统可靠有效。

3.3 应急防护措施

(1)建立和完善炼化企业基层单位义务应急队，完善基于风险的初期火灾处置方案，在高风险区域重点配置处理初期火灾事故的成套应急装备，提高事故初期阶段的处理能力，并组织开展专题培训与演练。

(2)企业专职消防队针对长期高液位运行储罐的各类事故开展专项应急预案的实地演练，并开展罐区固定式消防系统的检查与全流程出液测试工作，提高固定式消防系统的可靠性[22]。

(3)以扑救大型储罐全面积火灾为目标，以区域为单位，在大型危化品应急救援基地配置以大流量高效泡沫装备为核心装备的成套消防装备，持续提升处置重大罐区火灾事故的能力[23-25]。

(4)开展暴雨、台风、飓风、泥石流、极端天气条件下的风险分析研判和预警响应工作，做好应急物资的储备[26]，并加强专项应急处置演练。

4 结语

国内成品油等石化产品需求量大幅降低，致使炼化企业长时间低负荷运转，多数储罐也将长时间高液位运行，将会增加储罐运行风险。罐区是企业重大危险源，也是能量高度集中区域，一直是企业消防安全高度关注的对象。

对此，本文全面分析了近些年国内外储罐火灾爆炸事故，基于二八定律，指出高液位运行储罐重点防护的火灾类型是固定顶储罐和浮顶储罐全面积火灾、群罐火灾，应重点防护的储存介质是汽油、原油等轻质油品。从事故致因机理方面，分析了储罐因高液位运行造成的风险增加，风险主要体现在上游轻组分进罐、雷击、冒罐溢油、浮盘沉没或卡盘、因地震罐体坍塌、硫化物自燃、因罐底高应力造成罐壁坍塌、灭火难度大等方面；基于保护层的理念，从工艺技术、安全管理和应急防护三方面提出了14项措施加强高液位储罐的安全防护。