大型油罐安全分析對(duì)策與措施
一、大型原油儲(chǔ)罐工程危險(xiǎn)性分析
1原油危險(xiǎn)性分析
原油為甲B類(lèi)易燃液體,具有易燃性;爆炸極限范圍較窄,但數(shù)值較低,具有一定的爆炸危險(xiǎn)性,同時(shí)原油的易沸溢性,應(yīng)在救火工作時(shí)引起特別重視。
2火災(zāi)爆炸事故原因分析
原油的特性決定了火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性是大型原油儲(chǔ)罐最主要也是最重要的危險(xiǎn)因素。發(fā)生著火事故的三個(gè)必要條件為:著火源、可燃物和空氣。
著火源的問(wèn)題主要是通過(guò)加強(qiáng)管理來(lái)解決,可燃物泄漏問(wèn)題則必須在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)過(guò)程中加以預(yù)防和控制。
泄漏的原油暴露在空氣中,即構(gòu)成可燃物。原油泄漏,在儲(chǔ)運(yùn)中發(fā)生較為頻繁,主要有冒罐跑油,脫水跑油,設(shè)備、管線、閥件損壞跑油,以及密封不良造成油氣揮發(fā),另外還存在著罐底開(kāi)焊破裂、浮盤(pán)沉底等特大型泄漏事故的可能性。
腐蝕是發(fā)生泄漏的重要因素之一。國(guó)內(nèi)外曾發(fā)生多起因油罐底部腐蝕造成的漏油事故。對(duì)原油儲(chǔ)罐內(nèi)腐蝕情況初步調(diào)查的結(jié)果表明,罐底腐蝕情況嚴(yán)重,大多為潰瘍狀的坑點(diǎn)腐蝕,主要發(fā)生在焊接熱影響區(qū)、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(diǎn)蝕,主要發(fā)生在油水界面,油與空氣界面處。相對(duì)而言,儲(chǔ)罐底部的外腐蝕更為嚴(yán)重,主要發(fā)生在邊緣板與環(huán)梁基礎(chǔ)接觸的一面。
浮盤(pán)沉底事故是浮頂油罐生產(chǎn)作業(yè)時(shí)非常忌諱的嚴(yán)重惡性設(shè)備事故之一。該類(lèi)事故的發(fā)生,一方面反映了設(shè)計(jì)、施工、管理等方面的嚴(yán)重缺陷,另一方面又將造成大量原油泄漏,嚴(yán)重影響生產(chǎn)、污染環(huán)境并構(gòu)成火災(zāi)隱患。
二、油罐罐頂失穩(wěn)分析浮頂油罐是大型儲(chǔ)備庫(kù)最重要的設(shè)備。
隨著油庫(kù)擴(kuò)容的要求,多年來(lái)國(guó)內(nèi)外的浮頂卡阻沉頂事故多次發(fā)生,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失,成為急待解決的課題。根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),通過(guò)剖析國(guó)內(nèi)外浮頂油罐結(jié)構(gòu),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(圖1)所受載荷較為復(fù)雜,除介質(zhì)引起的浮力外,還有風(fēng)、雨、操作條件、自身結(jié)構(gòu),尤其是導(dǎo)向管(或?qū)в凸?span style="font-family: "Times New Roman";">)及導(dǎo)向筒的結(jié)構(gòu)對(duì)浮頂傾斜時(shí)是否卡阻影響頗大,現(xiàn)就各主要因素對(duì)浮頂?shù)挠绊懛质鲇谙隆?span style="font-family: "Times New Roman";">
取決于浮頂及附件質(zhì)量、刮蠟板、密封機(jī)構(gòu)對(duì)罐壁摩擦力的大小及方向以及導(dǎo)向筒對(duì)導(dǎo)向管、量油管摩擦力的大小及方向。但當(dāng)隔艙破壞漏油、浮頂積水、風(fēng)力作用及浮頂受導(dǎo)向管(或量油管)卡阻時(shí),其浸沒(méi)深度就會(huì)發(fā)生深度不同的變化,造成浮頂傾斜。
2)風(fēng)力作用
狂風(fēng)對(duì)浮頂產(chǎn)生附加彎矩,并使浮頂向最大風(fēng)向漂移。當(dāng)狂風(fēng)吹過(guò)罐上方時(shí),風(fēng)力線密度發(fā)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?shù)呐潘露?span style="font-family: "Times New Roman";">)和平行浮頂?shù)?span style="font-family: "Times New Roman";">T1。在俯沖力的尾端,即狂風(fēng)初始進(jìn)入地帶,由于風(fēng)力線突變,根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,將產(chǎn)生一定的真空度,相當(dāng)對(duì)浮頂產(chǎn)生一向上的吸力T3,這樣一來(lái),T2和T3形成了對(duì)浮頂中心的傾覆力矩,T1對(duì)消防擋板產(chǎn)生一推力,使浮頂向最大風(fēng)向漂移,并產(chǎn)生對(duì)浮頂?shù)膬A覆力矩M,[FS:PAGE]其方向與前一力矩疊加。且風(fēng)力為忽大忽小的動(dòng)載荷。
3)暴雨沖擊力作用
暴雨無(wú)風(fēng)時(shí),對(duì)浮頂?shù)臎_擊力是均勻向下的,僅影響浮頂?shù)慕](méi)深度,但當(dāng)暴雨伴隨狂風(fēng)時(shí),就會(huì)使雨線偏斜。雨線對(duì)浮頂?shù)臎_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(fēng)力作用下對(duì)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(duì)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(duì)浮頂?shù)淖饔昧?span style="font-family: "Times New Roman";">
當(dāng)暴雨使浮頂積水不能從中央排水管排盡時(shí),將造成一定深度的積水,因浮頂傾斜,在最大風(fēng)力方向一側(cè)積水較深,又產(chǎn)生一與前相同方向的浮頂傾覆力矩。
2預(yù)防措施
1)增加導(dǎo)向管數(shù)量
導(dǎo)向管及量油管與最大風(fēng)向的不同安裝方位,對(duì)浮頂?shù)膬A覆矩影響較大。如在最大風(fēng)向浮頂?shù)膬啥嗽黾?span style="font-family: "Times New Roman";">2根導(dǎo)向管,則浮頂傾覆就會(huì)受阻,使導(dǎo)向管(或量油管)傾覆彎矩減小。對(duì)于大型儲(chǔ)罐,由于直徑較大,可適當(dāng)增加導(dǎo)向管,對(duì)任何風(fēng)向都有較大抗浮頂傾覆能力,其增加的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于浮頂沉沒(méi)事故處理造成的經(jīng)濟(jì)損失。
2)按最大風(fēng)向兩端布置導(dǎo)向管及量油管
當(dāng)儲(chǔ)罐容量較小時(shí),也可仍按現(xiàn)有浮頂結(jié)構(gòu)僅設(shè)兩根導(dǎo)向管及量油管,但必須按建罐地點(diǎn)實(shí)際最大風(fēng)向兩端布置,且將量油管設(shè)在夏季最大風(fēng)尾處。這樣,導(dǎo)向管對(duì)浮頂反力矩的力臂會(huì)成百倍地增加。
3)提高導(dǎo)向管(或量油管)剛度
導(dǎo)向管及量油管的變形失穩(wěn)主要是剛度不足,為此可將導(dǎo)向管及量油管的直徑及壁厚加大,由現(xiàn)在的下端固結(jié),上端自由(可軸向移動(dòng))改為兩端固結(jié)(或上端固結(jié),下端可軸向滑動(dòng))。有人可能擔(dān)心,原來(lái)的上端自由是為解決導(dǎo)向管因氣溫變化產(chǎn)生的熱脹冷縮。筆者認(rèn)為,導(dǎo)向管的工作條件與罐壁相差無(wú)幾,因?yàn)樵蛢?chǔ)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(jié)構(gòu)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(dǎo)向管兩端的支架吸收,只要支架設(shè)計(jì)合理,不會(huì)造成惡性附加應(yīng)力。
4)在浮頂上加設(shè)定位環(huán)
現(xiàn)有的浮頂油罐,有的在浮頂下部均布若干個(gè)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(shí),罐壁對(duì)它的反力對(duì)浮頂中心產(chǎn)生力矩,使浮頂傾覆,處于最大風(fēng)向的限位塊產(chǎn)生的傾覆力矩正好與前述傾覆力矩疊加,加劇了浮頂?shù)膬A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(fēng)下飄蕩產(chǎn)生的沖擊力,使動(dòng)載荷系數(shù)降低,不宜使浮頂產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞。
5)在浮頂外隔艙上加設(shè)連通管
在狂風(fēng)暴雨時(shí),中央排水管及緊急排水管由于浮頂?shù)膬A斜,已失去了原有的功能,使浮頂上方在最大風(fēng)向上產(chǎn)生局部大量積水,它是浮頂破壞的重要因素,為此需及時(shí)排除。若在浮頂最外一圈夏季最大風(fēng)向區(qū)域的浮艙上加設(shè)適當(dāng)數(shù)量的連通管,通過(guò)連通管將浮頂上的積水及時(shí)排入罐內(nèi),減少了浮頂積水形成的外載荷,消除了導(dǎo)致浮頂破壞的重要因素。
6)設(shè)計(jì)封閉式隔艙
現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外浮頂油罐皆為非封閉式隔艙,每一個(gè)隔艙的人孔大都為快開(kāi)機(jī)械聯(lián)接式平板蓋,當(dāng)在事故條件下,易使雨水或油注入艙內(nèi),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(lián)接,若其中一個(gè)隔艙有油或水,當(dāng)液面超過(guò)頂板與隔板的花焊焊縫時(shí),就必然產(chǎn)生液體溢艙,同樣惡化了浮頂沉頂條件,倘若油罐的設(shè)計(jì)者或建設(shè)單位使浮頂隔板與浮頂?shù)装逍纬苫ê?,那么只要有一個(gè)隔艙浸入液體,就會(huì)使全部浮船浸入等深的液體中,必然產(chǎn)生浮頂沉沒(méi)。
三、油罐腐蝕與防腐
1、原油罐金屬底板的腐蝕與防護(hù)
地上鋼質(zhì)儲(chǔ)油罐使用過(guò)程中經(jīng)常遭受內(nèi)外環(huán)境介質(zhì)的腐蝕,其中罐底板腐蝕穿孔事故占儲(chǔ)罐腐蝕事故比率最高%,因此應(yīng)對(duì)儲(chǔ)油罐罐底板實(shí)施有效的防腐措施,減少泄漏事故的發(fā)生,以延長(zhǎng)儲(chǔ)油罐大修周期涂料防腐是用覆蓋層將金屬與介質(zhì)隔開(kāi),從而對(duì)金屬起到保護(hù)作用。但由于覆蓋層有微孔,老化后易出現(xiàn)龜裂.剝離等現(xiàn)象。若因施工質(zhì)量差而產(chǎn)生針孔,使裸露的金屬形成小陽(yáng)極,覆蓋層部分成為大陰極而產(chǎn)生局部腐蝕電池,則會(huì)更快地破壞漆膜。因此,采用單獨(dú)的涂料保護(hù)效果不佳。若采用涂料與陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù),使裸露的金屬獲得集中的電流保護(hù),彌補(bǔ)了覆蓋層缺陷,是儲(chǔ)罐罐底板防腐最為經(jīng)濟(jì)有效的方法。
儲(chǔ)罐邊緣板在罐結(jié)構(gòu)中的作用十分重要,但卻容易滲進(jìn)水而遭受腐蝕。目前在役的儲(chǔ)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(duì)罐底板主體進(jìn)行防護(hù)外,還要對(duì)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(jī)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(yīng)機(jī)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(guò)硫化物氧化皮或銹層到達(dá)金屬表面,在金屬表面的局部地點(diǎn)形成小蝕坑。硫化物溶解的反應(yīng)式為:
生成的H+離子對(duì)金屬產(chǎn)生活化作用,使小蝕坑繼續(xù)溶解,成為孔蝕源。孔蝕源成長(zhǎng)的最初階段,溶解下來(lái)的金屬離子發(fā)生水解,生成氫離子:
這樣會(huì)使小蝕坑接觸的溶液層的PH值下降,形成一個(gè)強(qiáng)酸性的溶液區(qū),這反而加速了金屬的溶解,使蝕坑繼續(xù)擴(kuò)大、加深。腐蝕從開(kāi)始到暴露經(jīng)歷一個(gè)誘導(dǎo)期,但長(zhǎng)短不一,有些需幾個(gè)月,有些則需一年至幾年??游g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(jī)性和高度局部化的特征以及誘導(dǎo)期很長(zhǎng),因此很難用物理方法檢測(cè)出坑蝕的深度。即使泄露發(fā)生后,再用測(cè)厚儀測(cè)厚,仍不會(huì)發(fā)現(xiàn)罐金屬底板有明顯的減薄傾向。
3、防止罐底板腐蝕的幾點(diǎn)措施
?。?span style="font-family: "Times New Roman";">1)在油罐金屬底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。
?。?span style="font-family: "Times New Roman";">2)新建原油罐應(yīng)采用埋地犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)措施,該方法比在原油罐內(nèi)設(shè)犧牲陽(yáng)極更有效。
?。?span style="font-family: "Times New Roman";">3)原油罐內(nèi)主要是水相腐蝕,原油罐內(nèi)底部水層的厚度最高時(shí)為800mm左右,因此,應(yīng)在罐底板上1m的圈板范圍內(nèi)涂刷保護(hù)性涂料。
?。?span style="font-family: "Times New Roman";">4)在原油罐內(nèi)使用WF-50防腐蝕涂料加陰極保護(hù)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(hù)
對(duì)罐底板上表面的陰極保護(hù)推薦采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)。對(duì)于陽(yáng)極品種的選擇,由于溫度影響,不宜選用鋅陽(yáng)極,由于安全因素,不宜選用鎂陽(yáng)極,所以多選用鋁合金陽(yáng)極。犧牲陽(yáng)極易于安裝,而且當(dāng)陽(yáng)極消耗為初始重量的85%時(shí),可在清罐時(shí)進(jìn)行更換。
1999年某泵站新建的一座2×104儲(chǔ)罐,其底板上應(yīng)用了犧牲陽(yáng)極保護(hù),保護(hù)范圍為整個(gè)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(yáng)極,陽(yáng)極直接焊接在罐底板上表面及罐壁下部,在罐底呈環(huán)狀分布
2)涂料防腐
對(duì)罐底內(nèi)防腐覆蓋層的基本要求是:遇到存儲(chǔ)產(chǎn)品不變質(zhì),耐潮,抗?jié)B透,對(duì)金屬表面有很好的附著性能,抗沖擊,抗陰極剝離,易修補(bǔ),耐老化性能好,耐存儲(chǔ)溫度。由于輸送過(guò)程中油品和管壁的摩擦,流經(jīng)泵和過(guò)濾器等都會(huì)產(chǎn)生靜電,在管路末端,未被消散的靜電進(jìn)入油罐,在油罐內(nèi),油品和油罐接管內(nèi)壁的摩擦油品之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)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(chǔ)運(yùn)中產(chǎn)生的靜電高壓,可能會(huì)放電擊穿油氣層,發(fā)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(yáng)極,靜電可通過(guò)陽(yáng)極導(dǎo)出(因?yàn)殛?yáng)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(yōu)良的抗?jié)B透性、抗沖擊性能、良好的粘結(jié)力和耐磨性、耐化學(xué)介質(zhì)浸泡、溶劑少、固體含量高、可作厚涂等優(yōu)點(diǎn)。
若考慮清罐困難,不采用犧牲陽(yáng)極保護(hù),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(dǎo)電填料的E544環(huán)氧防靜電涂料作中間漆,以無(wú)機(jī)富鋅T588防靜電涂料為底漆。
若只采用無(wú)機(jī)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(fā)生如下發(fā)應(yīng):
因此,以上涂料選擇方案可避免富鋅涂料過(guò)早失效。
3)邊緣板的防腐
由于罐內(nèi)的犧牲陽(yáng)極無(wú)法對(duì)邊緣板的外露部分提供保護(hù),而外露部分所處的環(huán)境又很惡劣,所以推薦采用熱噴涂鋁防腐。噴涂層可經(jīng)受典型的高溫考驗(yàn),可有效地隔絕腐蝕介質(zhì)的滲透,防止鋼板在介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕,鋁覆蓋層還可[FS:PAGE]起到犧牲陽(yáng)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(yáng)極的危險(xiǎn)。普通的涂料防腐應(yīng)定期進(jìn)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(guò)比較兩種典型防腐層的整體壽命和目前的凈費(fèi)用,認(rèn)為對(duì)長(zhǎng)壽命設(shè)施使用高性能的防腐體系更為經(jīng)濟(jì)。
5、罐底板下表面的保護(hù)
土壤腐蝕儲(chǔ)罐基礎(chǔ)以砂層和瀝青砂為主要構(gòu)造,罐底板座落在瀝青砂面上。由于罐中滿(mǎn)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(xiàn)裂縫,致使地下水上升,接近罐的底板,造成腐蝕。當(dāng)油罐的溫度較高時(shí),罐底板周?chē)叵滤舭l(fā),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(chǔ)接觸不良,易產(chǎn)生氧濃差,如滿(mǎn)載和空載比較,空載時(shí)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(huì)引起氧濃差電池,這時(shí)中心部位成為陽(yáng)極而被腐蝕。雜散電流的腐蝕罐區(qū)是地中電流較為復(fù)雜的區(qū)域$當(dāng)站內(nèi)管網(wǎng)有陰極保護(hù)而儲(chǔ)罐未受保護(hù)時(shí),則可能形成雜散電流干擾影響R當(dāng)周?chē)须姾笝C(jī)施工、電氣化鐵路、直流用電設(shè)備時(shí)則可能產(chǎn)生雜散電流。
底板下表面防腐覆蓋層必須是可焊的,焊接時(shí)不能破壞覆蓋層的結(jié)構(gòu),并要求涂料的有效防腐時(shí)間長(zhǎng)。通常采用無(wú)機(jī)富鋅漆,但由于該涂料導(dǎo)電性能較好$將漏失陰極保護(hù)電流,所以推薦采用非導(dǎo)電型的環(huán)氧涂料。
若不采用陰極保護(hù),則無(wú)機(jī)富鋅涂料是優(yōu)先選擇,它具有優(yōu)良的耐熱、耐老化性能,極強(qiáng)的粘結(jié)力,優(yōu)良的硬度和耐磨性、耐溶劑、防銹性能,漆膜有陰極保護(hù)作用,屬水性涂料,無(wú)毒無(wú)臭,施工簡(jiǎn)單,使用方便等特點(diǎn)。
4、邊緣板的保護(hù)
由于圈梁的阻隔,邊緣板部位是陰極保護(hù)的盲區(qū)。儲(chǔ)罐裝油后,邊緣板微上翹,雨水很容易流入邊緣板與基礎(chǔ)的縫隙中。
為了阻止雨水進(jìn)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(jié)構(gòu)密封。該處理方法的弊端很大,起不到良好的防水作用。
開(kāi)可以采用一種“切削環(huán)梁外露角,于邊緣板外下焊一圈圓鋼”的結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖5,具體做法是切削環(huán)梁外露角,對(duì)已建儲(chǔ)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(jié)構(gòu)能有效地控制水分進(jìn)入邊緣板與基礎(chǔ)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(dān)心連續(xù)焊對(duì)罐體與底板焊縫的影響,可采用點(diǎn)焊),此結(jié)構(gòu)已在儲(chǔ)罐中進(jìn)行了試驗(yàn),取得了很好的應(yīng)用效果。
四結(jié)語(yǔ)
確保油庫(kù)大型油罐的使用安全,應(yīng)當(dāng)從兩個(gè)方面著手:一是根據(jù)所盛裝介質(zhì)的易燃易爆特性,加強(qiáng)日常運(yùn)營(yíng)管理,加大安全監(jiān)督檢查力度,防止其發(fā)生泄漏,易燃介質(zhì)外溢,遇到明火著火源引起燃燒爆炸事故;二是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取有效的預(yù)防措施,采用合理的防腐蝕措施,從油罐設(shè)計(jì)之初消除天先缺陷,確保大型油罐的本質(zhì)安全。