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大型油罐安全分析對策與措施

來源:中國安全生產協會 , 發布日期:2019-05-27 , 點擊數:1836
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一、大型原油儲罐工程危險性分析

  1原油危險性分析

  原油為甲B類易燃液體,具有易燃性;爆炸極限范圍較窄,但數值較低,具有一定的爆炸危險性,同時原油的易沸溢性,應在救火工作時引起特別重視。

  2火災爆炸事故原因分析

  原油的特性決定了火災爆炸危險性是大型原油儲罐最主要也是最重要的危險因素。發生著火事故的三個必要條件為:著火源、可燃物和空氣。

  著火源的問題主要是通過加強管理來解決,可燃物泄漏問題則必須在儲罐設計過程中加以預防和控制。

  泄漏的原油暴露在空氣中,即構成可燃物。原油泄漏,在儲運中發生較為頻繁,主要有冒罐跑油,脫水跑油,設備、管線、閥件損壞跑油,以及密封不良造成油氣揮發,另外還存在著罐底開焊破裂、浮盤沉底等特大型泄漏事故的可能性。

  腐蝕是發生泄漏的重要因素之一。國內外曾發生多起因油罐底部腐蝕造成的漏油事故。對原油儲罐內腐蝕情況初步調查的結果表明,罐底腐蝕情況嚴重,大多為潰瘍狀的坑點腐蝕,主要發生在焊接熱影響區、凹陷及變形處,罐頂腐蝕次之,為伴有孔蝕的不均勻全面腐蝕,罐壁腐蝕較輕,為均勻點蝕,主要發生在油水界面,油與空氣界面處。相對而言,儲罐底部的外腐蝕更為嚴重,主要發生在邊緣板與環梁基礎接觸的一面。

  浮盤沉底事故是浮頂油罐生產作業時非常忌諱的嚴重惡性設備事故之一。該類事故的發生,一方面反映了設計、施工、管理等方面的嚴重缺陷,另一方面又將造成大量原油泄漏,嚴重影響生產、污染環境并構成火災隱患。

  二、油罐罐頂失穩分析浮頂油罐是大型儲備庫最重要的設備。

  隨著油庫擴容的要求,多年來國內外的浮頂卡阻沉頂事故多次發生,造成巨大經濟損失,成為急待解決的課題。根據多年的設計經驗,通過剖析國內外浮頂油罐結構,提出了避免浮頂卡阻沉頂事故的措施。

  1浮頂載荷分析

  浮頂油罐的浮頂(1)所受載荷較為復雜,除介質引起的浮力外,還有風、雨、操作條件、自身結構,尤其是導向管(或導油管)及導向筒的結構對浮頂傾斜時是否卡阻影響頗大,現就各主要因素對浮頂的影響分述于下。

  取決于浮頂及附件質量、刮蠟板、密封機構對罐壁摩擦力的大小及方向以及導向筒對導向管、量油管摩擦力的大小及方向。但當隔艙破壞漏油、浮頂積水、風力作用及浮頂受導向管(或量油管)卡阻時,其浸沒深度就會發生深度不同的變化,造成浮頂傾斜。

  2)風力作用

  狂風對浮頂產生附加彎矩,并使浮頂向最大風向漂移。當狂風吹過罐上方時,風力線密度發生變化,并改變方向,與罐頂呈α角俯沖到浮頂上,并在消防擋板擋雨板處受阻最大。俯沖力T可分解成與浮頂垂直的T2(略去浮頂的排水坡度)和平行浮頂的T1。在俯沖力的尾端,即狂風初始進入地帶,由于風力線突變,根據空氣動力學原理,將產生一定的真空度,相當對浮頂產生一向上的吸力T3,這樣一來,T2T3形成了對浮頂中心的傾覆力矩,T1對消防擋板產生一推力,使浮頂向最大風向漂移,并產生對浮頂的傾覆力矩M[FS:PAGE]其方向與前一力矩疊加。且風力為忽大忽小的動載荷。

  3)暴雨沖擊力作用

  暴雨無風時,對浮頂的沖擊力是均勻向下的,僅影響浮頂的浸沒深度,但當暴雨伴隨狂風時,就會使雨線偏斜。雨線對浮頂的沖擊力可分解成與浮頂垂直的力及與罐頂平行的力,而其力作用在消防擋板和擋雨板上,由于雨線在風力作用下對浮頂形成一入射角,浮頂左方一部分不受雨線作用,因而造成浮頂偏載,所以對浮頂中心形成傾覆力矩,并與前一力矩疊加。

  4)不均勻積水對浮頂的作用力

  當暴雨使浮頂積水不能從中央排水管排盡時,將造成一定深度的積水,因浮頂傾斜,在最大風力方向一側積水較深,又產生一與前相同方向的浮頂傾覆力矩。

  2預防措施

  1)增加導向管數量

  導向管及量油管與最大風向的不同安裝方位,對浮頂的傾覆矩影響較大。如在最大風向浮頂的兩端增加2根導向管,則浮頂傾覆就會受阻,使導向管(或量油管)傾覆彎矩減小。對于大型儲罐,由于直徑較大,可適當增加導向管,對任何風向都有較大抗浮頂傾覆能力,其增加的費用遠遠低于浮頂沉沒事故處理造成的經濟損失。

  2)按最大風向兩端布置導向管及量油管

  當儲罐容量較小時,也可仍按現有浮頂結構僅設兩根導向管及量油管,但必須按建罐地點實際最大風向兩端布置,且將量油管設在夏季最大風尾處。這樣,導向管對浮頂反力矩的力臂會成百倍地增加。

  3)提高導向管(或量油管)剛度

  導向管及量油管的變形失穩主要是剛度不足,為此可將導向管及量油管的直徑及壁厚加大,由現在的下端固結,上端自由(可軸向移動)改為兩端固結(或上端固結,下端可軸向滑動)。有人可能擔心,原來的上端自由是為解決導向管因氣溫變化產生的熱脹冷縮。筆者認為,導向管的工作條件與罐壁相差無幾,因為原油儲罐雖然與大氣溫差較大,但由于罐壁保溫,外露部分又因罐壁結構較薄,故與量油管同一氣溫下的濕度變化較小,這種差異引起的伸縮可由導向管兩端的支架吸收,只要支架設計合理,不會造成惡性附加應力。

  4)在浮頂上加設定位環

  現有的浮頂油罐,有的在浮頂下部均布若干個限位塊,其徑向尺寸約為浮頂與罐壁空間的1/2,它在與罐壁接觸時,罐壁對它的反力對浮頂中心產生力矩,使浮頂傾覆,處于最大風向的限位塊產生的傾覆力矩正好與前述傾覆力矩疊加,加劇了浮頂的傾覆,因而十分不利。如果將其改在浮頂上部,并使其有一定柔性,一方面可使力矩與上相反,減緩浮頂傾覆,另一方面,其柔性可吸收一部分定位塊與罐壁的沖擊能,減緩浮頂在狂風下飄蕩產生的沖擊力,使動載荷系數降低,不宜使浮頂產生整體失穩破壞。

  5)在浮頂外隔艙上加設連通管

  在狂風暴雨時,中央排水管及緊急排水管由于浮頂的傾斜,已失去了原有的功能,使浮頂上方在最大風向上產生局部大量積水,它是浮頂破壞的重要因素,為此需及時排除。若在浮頂最外一圈夏季最大風向區域的浮艙上加設適當數量的連通管,通過連通管將浮頂上的積水及時排入罐內,減少了浮頂積水形成的外載荷,消除了導致浮頂破壞的重要因素。

  6)設計封閉式隔艙

  現有的國內外浮頂油罐皆為非封閉式隔艙,每一個隔艙的人孔大都為快開機械聯接式平板蓋,當在事故條件下,易使雨水或油注入艙內,加大浮頂載荷,惡化了沉頂條件。浮艙頂板與浮艙隔板大都為花焊聯接,若其中一個隔艙有油或水,當液面超過頂板與隔板的花焊焊縫時,就必然產生液體溢艙,同樣惡化了浮頂沉頂條件,倘若油罐的設計者或建設單位使浮頂隔板與浮頂底板形成花焊,那么只要有一個隔艙浸入液體,就會使全部浮船浸入等深的液體中,必然產生浮頂沉沒。

  三、油罐腐蝕與防腐

  1、原油罐金屬底板的腐蝕與防護  

  地上鋼質儲油罐使用過程中經常遭受內外環境介質的腐蝕,其中罐底板腐蝕穿孔事故占儲罐腐蝕事故比率最高%,因此應對儲油罐罐底板實施有效的防腐措施,減少泄漏事故的發生,以延長儲油罐大修周期涂料防腐是用覆蓋層將金屬與介質隔開,從而對金屬起到保護作用。但由于覆蓋層有微孔,老化后易出現龜裂.剝離等現象。若因施工質量差而產生針孔,使裸露的金屬形成小陽極,覆蓋層部分成為大陰極而產生局部腐蝕電池,則會更快地破壞漆膜。因此,采用單獨的涂料保護效果不佳。若采用涂料與陰極保護聯合防護,使裸露的金屬獲得集中的電流保護,彌補了覆蓋層缺陷,是儲罐罐底板防腐最為經濟有效的方法。  

  儲罐邊緣板在罐結構中的作用十分重要,但卻容易滲進水而遭受腐蝕。目前在役的儲罐均未采取有效的防腐措施,要全面控制罐底板的腐蝕,除了對罐底板主體進行防護外,還要對邊緣板外露部分(以下邊緣板均特指邊緣板外露部分)采取有效的防腐措施。  

  2、腐蝕機理:  

  水是原油罐底板的腐蝕根源,原油和水中的硫化物與罐底板金屬反應機理為:  

  在碳鋼表面的硫化物氧化皮或銹層有孔隙的情況下,原油罐底水中Cl-離子能穿過硫化物氧化皮或銹層到達金屬表面,在金屬表面的局部地點形成小蝕坑。硫化物溶解的反應式為:  

  生成的H+離子對金屬產生活化作用,使小蝕坑繼續溶解,成為孔蝕源。孔蝕源成長的最初階段,溶解下來的金屬離子發生水解,生成氫離子:  

  這樣會使小蝕坑接觸的溶液層的PH值下降,形成一個強酸性的溶液區,這反而加速了金屬的溶解,使蝕坑繼續擴大、加深。腐蝕從開始到暴露經歷一個誘導期,但長短不一,有些需幾個月,有些則需一年至幾年。坑蝕的形成,使原油罐金屬底板受到很大的侵蝕。由于坑蝕的面積很小,加之隨機性和高度局部化的特征以及誘導期很長,因此很難用物理方法檢測出坑蝕的深度。即使泄露發生后,再用測厚儀測厚,仍不會發現罐金屬底板有明顯的減薄傾向。  

  3、防止罐底板腐蝕的幾點措施  

  (1)在油罐金屬底板的結構設計中,盡可能將罐底板鋪平,并略向脫水口傾斜,以利原油罐底的水脫除干凈。  

  (2)新建原油罐應采用埋地犧牲陽極的陰極保護措施,該方法比在原油罐內設犧牲陽極更有效。  

  (3)原油罐內主要是水相腐蝕,原油罐內底部水層的厚度最高時為800mm左右,因此,應在罐底板上1m的圈板范圍內涂刷保護性涂料。  

  (4)在原油罐內使用WF-50防腐蝕涂料加陰極保護的方案可有效地防止原油罐金屬底板腐蝕。  

  4、罐底板上表面的腐蝕防止  

  1)陰極保護  

  對罐底板上表面的陰極保護推薦采用犧牲陽極的陰極保護。對于陽極品種的選擇,由于溫度影響,不宜選用鋅陽極,由于安全因素,不宜選用鎂陽極,所以多選用鋁合金陽極。犧牲陽極易于安裝,而且當陽極消耗為初始重量的85%時,可在清罐時進行更換。  

  1999年某泵站新建的一座2×104儲罐,其底板上應用了犧牲陽極保護,保護范圍為整個罐底板及罐壁下部1m高的表面。共使用了54塊、重22kg的鋁合金陽極,陽極直接焊接在罐底板上表面及罐壁下部,在罐底呈環狀分布  

  2)涂料防腐  

  對罐底內防腐覆蓋層的基本要求是:遇到存儲產品不變質,耐潮,抗滲透,對金屬表面有很好的附著性能,抗沖擊,抗陰極剝離,易修補,耐老化性能好,耐存儲溫度。由于輸送過程中油品和管壁的摩擦,流經泵和過濾器等都會產生靜電,在管路末端,未被消散的靜電進入油罐,在油罐內,油品和油罐接管內壁的摩擦油品之間的相對運動也會產生靜電,若采用普通的絕緣覆蓋層,其電阻率多在109~1013歐姆之間,阻斷原油儲運中產生的靜電高壓,可能會放電擊穿油氣層,發生事故。因此,要求使用電阻率在108歐姆以下的防靜電涂料。  

  由于罐底板安裝了犧牲陽極,靜電可通過陽極導出(因為陽極直接焊在底板上),因此,推薦采用重型玻璃鱗片涂料,該涂料具有優良的抗滲透性、抗沖擊性能、良好的粘結力和耐磨性、耐化學介質浸泡、溶劑少、固體含量高、可作厚涂等優點。  

  若考慮清罐困難,不采用犧牲陽極保護,則推薦以下防腐方案:  

  采用T521聚氨酯防靜電涂料作面漆,以炭黑為導電填料的E544環氧防靜電涂料作中間漆,以無機富鋅T588防靜電涂料為底漆。  

  若只采用無機富鋅涂料,則由于鋅是兩性金屬,既能溶于酸,又能溶于堿,即易發生如下發應:  

  因此,以上涂料選擇方案可避免富鋅涂料過早失效。  

  3)邊緣板的防腐  

  由于罐內的犧牲陽極無法對邊緣板的外露部分提供保護,而外露部分所處的環境又很惡劣,所以推薦采用熱噴涂鋁防腐。噴涂層可經受典型的高溫考驗,可有效地隔絕腐蝕介質的滲透,防止鋼板在介質中的電化學腐蝕,鋁覆蓋層還可[FS:PAGE]起到犧牲陽極的作用。若噴涂其它電位比EF正的金屬,則存在形成大陰極小陽極的危險。普通的涂料防腐應定期進行除銹更新,以上作法雖然一次性投資較高,但可一勞永逸。澳大利亞的防腐公司的論文通過比較兩種典型防腐層的整體壽命和目前的凈費用,認為對長壽命設施使用高性能的防腐體系更為經濟。  

  5、罐底板下表面的保護  

  土壤腐蝕儲罐基礎以砂層和瀝青砂為主要構造,罐底板座落在瀝青砂面上。由于罐中滿載和空載交替,冬季和夏季溫度及地下水的影響,使得瀝青砂層上出現裂縫,致使地下水上升,接近罐的底板,造成腐蝕。當油罐的溫度較高時,罐底板周圍地下水蒸發,使鹽分濃度增加,增大了腐蝕程度。氧濃差電池腐蝕罐底板與砂基礎接觸不良,易產生氧濃差,如滿載和空載比較,空載時接觸不良R再由于罐周與罐中心部位的透氣性有差別,也會引起氧濃差電池,這時中心部位成為陽極而被腐蝕。雜散電流的腐蝕罐區是地中電流較為復雜的區域$當站內管網有陰極保護而儲罐未受保護時,則可能形成雜散電流干擾影響R當周圍有電焊機施工、電氣化鐵路、直流用電設備時則可能產生雜散電流。  

  底板下表面防腐覆蓋層必須是可焊的,焊接時不能破壞覆蓋層的結構,并要求涂料的有效防腐時間長。通常采用無機富鋅漆,但由于該涂料導電性能較好$將漏失陰極保護電流,所以推薦采用非導電型的環氧涂料。  

  若不采用陰極保護,則無機富鋅涂料是優先選擇,它具有優良的耐熱、耐老化性能,極強的粘結力,優良的硬度和耐磨性、耐溶劑、防銹性能,漆膜有陰極保護作用,屬水性涂料,無毒無臭,施工簡單,使用方便等特點。  

  4、邊緣板的保護  

  由于圈梁的阻隔,邊緣板部位是陰極保護的盲區。儲罐裝油后,邊緣板微上翹,雨水很容易流入邊緣板與基礎的縫隙中。  

  為了阻止雨水進入縫隙,一般采用石棉繩填塞在縫隙中,再用防水膠與玻璃纖維布混合結構密封。該處理方法的弊端很大,起不到良好的防水作用。  

  開可以采用一種切削環梁外露角,于邊緣板外下焊一圈圓鋼的結構,見圖5,具體做法是切削環梁外露角,對已建儲罐,在邊緣板的外下沿,焊一圈D6的圓鋼,焊完后再用防水密封膠密封并填平焊接處。這種結構能有效地控制水分進入邊緣板與基礎的縫隙中,減少了因邊緣板上翹而造成的積水,且施工方便,效果好。(若擔心連續焊對罐體與底板焊縫的影響,可采用點焊),此結構已在儲罐中進行了試驗,取得了很好的應用效果。  

  四結語  

  確保油庫大型油罐的使用安全,應當從兩個方面著手:一是根據所盛裝介質的易燃易爆特性,加強日常運營管理,加大安全監督檢查力度,防止其發生泄漏,易燃介質外溢,遇到明火著火源引起燃燒爆炸事故;二是在結構設計上采取有效的預防措施,采用合理的防腐蝕措施,從油罐設計之初消除天先缺陷,確保大型油罐的本質安全。  

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