大型储罐本质安全设计技术应用研究

魏有财 李 鹏 邹环宇 王 宁 吴大刚

（1. 廊坊中油朗威工程项目管理有限公司，河北 廊坊 065000；2. 中油国际管道有限公司中缅管道项目，北京 100029；3. 国家管网集团北方管道有限责任公司大庆输油气分公司，黑龙江 大庆163000；4. 国家管网集团北方管道有限责任公司丹东输油气分公司，辽宁 丹东 118000；5. 东北石油管道有限公司，辽宁 沈阳 111000）

0 引言

随着我国经济快速发展及对油气需求量逐年增加，储罐设施在石油工业和国家能源战略中的重要性日益凸显。近年来先后建设镇海、舟山、黄岛和大连等国家石油储备库，库容量均在数百万方，大型浮顶储罐容积高达15×104m3。由于油品介质易燃易爆性，储罐属于重大危险源，如发生火灾爆炸事故，形成多米诺连锁反应，对人员生命、国家财产和环境造成严重危险。2006～2007年仪征油库、镇海石油储备库、白沙湾油库发生储罐雷击着火事故，2010年大连“7.16”输油管道及油库火灾爆炸事故[1]。2022版《安全生产法》实施加大对石油行业重大事故责任处罚力度。应系统总结典型储罐事故经验教训，调研国内外储罐本质安全最佳工程实践，提高油库企业抵御防范风险能力，降低储罐重特大事故和环境污染事件。

1 储罐火灾事故案例统计分析

统计2000～2013年国内外发生83次储罐火灾爆炸事故。按照储罐类型，内/外浮顶储罐、固定顶储罐分别占比36.2%、27.7%和30.1%，内浮顶储罐储存汽油等易挥发、低闪电轻质油品，浮顶上方聚集可燃气体爆炸空间。固定顶储罐储存柴油油品形成爆炸气体空间。外浮顶储罐主要是雷击着火，其次是溢油和浮顶失稳/沉没。按照事故主要原因分类为：

（1）雷击。储罐二次密封装置失效，形成爆炸性气体环境。2006～2007年仪征输油站、白沙湾油库、镇海储备库先后发生储罐密封圈雷击着火事故；

（2）设备故障/溢油/泄漏。液位计故障导致过量充装。2005年英国Buncefield油库火灾爆炸事故是欧洲至今最严重的工业火灾爆炸事故，损坏23座大型储罐，根本原因是储罐监控系统失效，计量系统故障，液位报警系统未正常启动，储罐边缘板设计缺陷形成油品倾泻、撞击，形成大范围油气混合物，发展蔓延为储罐群火灾；

（3）静电。例如静电导线接触不良或腐蚀断裂，低液位浮顶下降时油品进出储罐流速过快，计量、取样过程中产生静电。2003年4月，美国俄克拉荷马州Glenpool油库储罐由于进油管道高流速在集油池湍流产生静电，发生火灾事故及另外2座储罐受损；

（4）硫化亚铁自燃。罐内壁硫腐蚀产物未清除、积聚导致自燃。2010年5月某石化公司5000m石脑油内浮顶罐再导向管处发生硫化亚铁自燃，引爆浮顶和罐壁间爆炸性气体；

（5）违章操作施工。储罐检修时罐内形成爆炸性气体环境；焊接动火作业现场安全措施未落实产生明火。2010年大连7.16输油管道火灾爆炸事故，经济损失2.2亿元，1名消防人员死亡，输油管道、储罐、阀门、泵和电力系统损坏，约100m3原油流入海域。事故原因在油轮暂停卸油作业情况下继续向输油管道中注入含强氧化剂的原油脱硫剂，造成管道爆炸。

2 储罐本质安全设计技术基本原则

储罐建设规模大型化、集群化，对设计施工和运行管理提出严苛要求，10×104m3储罐与5×104m3储罐是否采用相同消防系统设计等级和管理维护要求及溢油处理防渗环境保护。三级防控系统设计方法代表了储罐本质安全发展趋势，基本思想是一级系统：储罐和工艺管道；二级系统：储罐液位报警系统以及储存事故状态下从储罐泄漏油品、泡沫液和消防水的防火堤；三级系统：预防泄漏油品溢流至罐区外或者渗入地下的临时性储存设施，例如排水系统、围墙、道路或者障碍物等，在罐区内设置溢流油品排液通道，在罐区外划定专用区域设置事故应急池。针对事故应急池设置原则及做法还未形成统一公认观点。俄罗斯做法是距离油库200m内存在居民区、工厂、铁路/公路和河流湖泊，应设置油品应急储存设施。

3 储罐本质安全设计技术对标及应用

通过开展国内外标准对标、国外最佳工程实践咨询，针对储罐安全运行关键技术问题开展研究，包括防火堤材质容量、储罐安全距离，在国内标准改进和工程应用取得积极成果。

3.1 储罐安全距离

储罐间距是油库平面设计最重要的技术参数。为降低储罐区火灾事故风险和相互影响，避免密集布置，应确定合理储罐防火距离，其基本原则是控制火灾蔓延、方便消防设备高效灭火并考虑着火储罐对相邻储罐热辐射危害。国家标准GB 50074规定固定顶储罐和内浮顶储罐安全距离为1.0D，外浮顶储罐安全距离为0.8D，其中D为相邻储罐中较大储罐的直径。美国标准NFPA 30-2016规定储罐直径大于45m，浮顶罐安全距离为相邻储罐直径之和1/4（0.5D）。我国储罐安全距离标准大于国外标准，但储罐选址涉及土地规划、社会环境和经济成本，应在遵循标准基础上，基于可接受风险准则确定科学合理储罐间距。

GB 50074关于储罐安全距离规定适用扑救密封圈中小规模火灾，不满足储罐全面积敞口火灾的安全要求，应根据储罐池火热辐射模型，计算临界热辐射强度对应的储罐安全距离，综合考虑防火堤面积和消防设施能力。研究表明，中小型储罐受热辐射危害性更大，储罐容积小于10×104m3储罐安全距离应在GB 50074基础上适当增加；大型储罐本体安全性更高，储罐容积大于10×104m3，GB 50074规定的安全距离满足使用要求。

3.2 储罐液位报警联锁系统

储罐液位报警系统设有高-高液位、高液位、低-低液位和低液位报警信号，液位计在极端低温条件下易发机械故障、误报警问题。鉴于英国Buncefield油库火灾爆炸事故经验教训，储罐液位监控系统设计原则包括：

（1）应独立于油库运行监控系统和计量系统（含人工测量），不依靠远程控制和通信条件下及时关闭油品输送，防止储罐溢流；

（2）具有较高安全完整性等级，宜选用诊断能力增强型传感器，定期进行功能性验证试验。

3.3 防火堤

国内外多次储罐火灾事故暴露出防火堤设计标准偏低，例如容量不足、强度差等问题。针对防火堤容量，国内在役储罐存在防火堤容量偏小（小于储罐容积）的问题。GB 50074规定防火堤有效容积不应小于罐组内一个最大储罐的容量。美国标准NFPA 30-2016《易燃和可燃液体规范》规定防火堤容量应为最大储罐体积，并附加消防液量和雨水余量（通常为储罐容积的10%）。可以看出国外标准规定防火堤容量更大更合理。

针对防火堤强度，除考虑油品静压力，还应考虑储罐瞬间破裂时油品倾泻对防火堤的冲击载荷，例如1×104m3储罐罐内液面12m，在1.5m处产生3m裂口，油品倾泻8.5s后防火堤内油品深度1.4m，防火堤内侧流速14.3m/s，油品冲击载荷为静压力7.5倍。建议减少防火堤坡度或者在防火堤两侧堆土以增强防火堤抗冲击力。

针对防火堤材质，国内采用混凝土堤或者砖石结构防火堤，火灾状态下坍塌或碎裂失效。混凝土在500℃时强度降低50%，在800℃下强度全部消失。原油燃烧火焰中心温度高达1500℃。2005年英国Buncefield油库火灾爆炸事故中，混凝土防火堤密封剂在长时间火焰炙烤下熔化，防火堤墙体及管道穿越处产生多处裂缝漏点，大量油品和消防水流至罐区外河污染。美国和俄罗斯选用抗燃烧性能和密封性好的土质防火堤。

3.4 储罐控制阀

事故状态下消防泵、阀门、仪表控制系统可靠，对于防止事故蔓延扩大至关重要。国内储罐紧急切断阀一般位于防火堤内，且为手动阀门，存在问题是火灾事故条件下人员不能手动关闭切断油源，造成火灾蔓延扩大。调研加拿大Enbridge公司储罐紧急切断阀在防火堤外，且为电动阀门，配置耐火耐高温铠装电缆，系统可靠性高。

3.5 储罐区防渗设计

国内新建储罐罐区防渗设计非强制性规定，储罐火灾事故消防水或者泄漏油品如渗入土壤，可能造成饮用水污染。2005年英国Buncefield油库火灾爆炸事故中，储罐区地面产生多个渗漏点，油品和消防液渗入地下和附近河造成水体污染。加拿大标准CSA Z662-2015《油气管道系统》规定做法是再罐区地面以下1m处做防渗设计，从下向上依次铺设防渗膜、150mm厚度碎石和100mm混凝土，可以借鉴采用。俄罗斯输油站防火堤防渗做法是先用素土夯实，铺防渗膜，外覆碎石。

4 结论和建议

鉴于储罐建设规模大型化和集群化发展趋势，提高储罐安全设计水平和应急保障能力非常必要。大型储罐本质安全设计技术首先保证储罐和工艺管道系统的可靠性和完整性，例如优化储罐间距布局、优化控制阀位置、提高监控仪表可靠性等；其次减少油品渗漏、泄漏污染环境的可能性，例如优先采用土堤并进行防渗设计、设计溢油围控和储存设施等。新建储罐在考虑选址、土地征用和环境条件，除满足国家标准GB 50074-2014《石油库设计规范》要求，推广应用储罐本质安全设计方法，在设计阶段充分考虑失效因素和后果影响，保证储罐运行安全可靠。