大型油罐安全分析对策与措施

大型油罐安全分析对策与措施大型油罐安全分析对策与措施 摘要 摘要 大型储罐有节省钢材 占地少 投资省 便于操作 管理等优点 发达国家建造 使用大型储罐已有近 30 年历史 而我国尚处于起步阶段 影响大型储罐安全运营的因素很多 一 旦发生事故 就可能引发重大事故 损失将十分惨重 因此 迫切需要及时总结经验 提出改进措施 我们对其中的主要安 全问题进行分析 并提出对策 为工程设计提供参考 关键词 关键词 油罐安全分析改进措施 一 大型原油储罐工程危险性分析一 大型原油储罐工程危险性分析 1 原油危险性分析 原油为甲 b 类易燃液体 具有易燃性 爆炸极限范围较窄 但数值较低 具有一定的爆炸危险性 同时原油的易沸溢性 应在救火工作时引起特别重视 2 火灾爆炸事故原因分析 原油的特性决定了火灾爆炸危险性是大型原油储罐最主要 也是最重要的危险因素 发生着火事故的三个必要条件为 着火 源 可燃物和空气 着火源的问题主要是通过加强管理来解决 可燃物泄漏问 题则必须在储罐设计过程中加以预防和控制 泄漏的原油暴露在空气中 即构成可燃物 原油泄漏 在 储运中发生较为频繁 主要有冒罐跑油 脱水跑油 设备 管 线 阀件损坏跑油 以及密封不良造成油气挥发 另外还存在 着罐底开焊破裂 浮盘沉底等特大型泄漏事故的可能性 腐蚀是发生泄漏的重要因素之一 国内外曾发生多起因油 罐底部腐蚀造成的漏油事故 对原油储罐内腐蚀情况初步调查 的结果表明 罐底腐蚀情况严重 大多为溃疡状的坑点腐蚀 主 要发生在焊接热影响区 凹陷及变形处 罐顶腐蚀次之 为伴 有孔蚀的不均匀全面腐蚀 罐壁腐蚀较轻 为均匀点蚀 主要 发生在油水界面 油与空气界面处 相对而言 储罐底部的外 腐蚀更为严重 主要发生在边缘板与环梁基础接触的一面 浮盘沉底事故是浮顶油罐生产作业时非常忌讳的严重恶性 设备事故之一 该类事故的发生 一方面反映了设计 施工 管理等方面的严重缺陷 另一方面又将造成大量原油泄漏 严 重影响生产 污染环境并构成火灾隐患 二 油罐罐顶失稳分析浮顶油罐是大型储备库最重要的设二 油罐罐顶失稳分析浮顶油罐是大型储备库最重要的设 备 备 随着油库扩容的要求 多年来国内外的浮顶卡阻沉顶事故 多次发生 造成巨大经济损失 成为急待解决的课题 根据多 年的设计经验 通过剖析国内外浮顶油罐结构 提出了避免浮 顶卡阻沉顶事故的措施 1 浮顶载荷分析 浮顶油罐的浮顶 图 1 所受载荷较为复杂 除介质引起的浮 力外 还有风 雨 操作条件 自身结构 尤其是导向管 或导 油管 及导向筒的结构对浮顶倾斜时是否卡阻影响颇大 现就各 主要因素对浮顶的影响分述于下 取决于浮顶及附件质量 刮蜡板 密封机构对罐壁摩擦力 的大小及方向以及导向筒对导向管 量油管摩擦力的大小及方 向 但当隔舱破坏漏油 浮顶积水 风力作用及浮顶受导向管 或量油管 卡阻时 其浸没深度就会发生深度不同的变化 造成 浮顶倾斜 2 风力作用 狂风对浮顶产生附加弯矩 并使浮顶向最大风向漂移 当 狂风吹过罐上方时 风力线密度发生变化 并改变方向 与罐 顶呈 角俯冲到浮顶上 并在消防挡板挡雨板处受阻最大 俯 冲力 t 可分解成与浮顶垂直的 t2 略去浮顶的排水坡度 和平行 浮顶的 t1 在俯冲力的尾端 即狂风初始进入地带 由于风力 线突变 根据空气动力学原理 将产生一定的真空度 相当对 浮顶产生一向上的吸力 t3 这样一来 t2 和 t3 形成了对浮顶 中心的倾覆力矩 t1 对消防挡板产生一推力 使浮顶向最大风 向漂移 并产生对浮顶的倾覆力矩 m 其方向与前一力矩叠加 且风力为忽大忽小的动载荷 3 暴雨冲击力作用 暴雨无风时 对浮顶的冲击力是均匀向下的 仅影响浮顶 的浸没深度 但当暴雨伴随狂风时 就会使雨线偏斜 雨线对 浮顶的冲击力可分解成与浮顶垂直的力及与罐顶平行的力 而 其力作用在消防挡板和挡雨板上 由于雨线在风力作用下对浮 顶形成一入射角 浮顶左方一部分不受雨线作用 因而造成浮 顶偏载 所以对浮顶中心形成倾覆力矩 并与前一力矩叠加 4 不均匀积水对浮顶的作用力 当暴雨使浮顶积水不能从中央排水管排尽时 将造成一定 深度的积水 因浮顶倾斜 在最大风力方向一侧积水较深 又 产生一与前相同方向的浮顶倾覆力矩 2 预防措施 1 增加导向管数量 导向管及量油管与最大风向的不同安装方位 对浮顶的倾 覆矩影响较大 如在最大风向浮顶的两端增加 2 根导向管 则 浮顶倾覆就会受阻 使导向管 或量油管 倾覆弯矩减小 对于大 型储罐 由于直径较大 可适当增加导向管 对任何风向都有 较大抗浮顶倾覆能力 其增加的费用远远低于浮顶沉没事故处 理造成的经济损失 2 按最大风向两端布置导向管及量油管 当储罐容量较小时 也可仍按现有浮顶结构仅设两根导向 管及量油管 但必须按建罐地点实际最大风向两端布置 且将 量油管设在夏季最大风尾处 这样 导向管对浮顶反力矩的力 臂会成百倍地增加 3 提高导向管 或量油管 刚度 导向管及量油管的变形失稳主要是刚度不足 为此可将导 向管及量油管的直径及壁厚加大 由现在的下端固结 上端自 由 可轴向移动 改为两端固结 或上端固结 下端可轴向滑动 有人可能担心 原来的上端自由是为解决导向管因气温变化产 生的热胀冷缩 笔者认为 导向管的工作条件与罐壁相差无几 因为原油储罐虽然与大气温差较大 但由于罐壁保温 外露部 分又因罐壁结构较薄 故与量油管同一气温下的湿度变化较小 这种差异引起的伸缩可由导向管两端的支架吸收 只要支架设 计合理 不会造成恶性附加应力 4 在浮顶上加设定位环 现有的浮顶油罐 有的在浮顶下部均布若干个限位块 其 径向尺寸约为浮顶与罐壁空间的 1 2 它在与罐壁接触时 罐壁 对它的反力对浮顶中心产生力矩 使浮顶倾覆 处于最大风向 的限位块产生的倾覆力矩正好与前述倾覆力矩叠加 加剧了浮 顶的倾覆 因而十分不利 如果将其改在浮顶上部 并使其有 一定柔性 一方面可使力矩与上相反 减缓浮顶倾覆 另一方 面 其柔性可吸收一部分定位块与罐壁的冲击能 减缓浮顶在 狂风下飘荡产生的冲击力 使动载荷系数降低 不宜使浮顶产 生整体失稳破坏 5 在浮顶外隔舱上加设连通管 在狂风暴雨时 中央排水管及紧急排水管由于浮顶的倾斜 已失去了原有的功能 使浮顶上方在最大风向上产生局部大量 积水 它是浮顶破坏的重要因素 为此需及时排除 若在浮顶 最外一圈夏季最大风向区域的浮舱上加设适当数量的连通管 通过连通管将浮顶上的积水及时排入罐内 减少了浮顶积水形 成的外载荷 消除了导致浮顶破坏的重要因素 6 设计封闭式隔舱 现有的国内外浮顶油罐皆为非封闭式隔舱 每一个隔舱的 人孔大都为快开机械联接式平板盖 当在事故条件下 易使雨 水或油注入舱内 加大浮顶载荷 恶化了沉顶条件 浮舱顶板 与浮舱隔板大都为花焊联接 若其中一个隔舱有油或水 当液 面超过顶板与隔板的花焊焊缝时 就必然产生液体溢舱 同样 恶化了浮顶沉顶条件 倘若油罐的设计者或建设单位使浮顶隔 板与浮顶底板形成花焊 那么只要有一个隔舱浸入液体 就会 使全部浮船浸入等深的液体中 必然产生浮顶沉没 三 油罐腐蚀与防腐三 油罐腐蚀与防腐 1 原油罐金属底板的腐蚀与防护 原油罐金属底板的腐蚀与防护 地上钢质储油罐使用过程中经常遭受内外环境介质的腐蚀 其中罐底板腐蚀穿孔事故占储罐腐蚀事故比率最高 因此应 对储油罐罐底板实施有效的防腐措施 减少泄漏事故的发生 以延长储油罐大修周期涂料防腐是用覆盖层将金属与介质隔开 从而对金属起到保护作用 但由于覆盖层有微孔 老化后易出 现龟裂 剥离等现象 若因施工质量差而产生针孔 使裸露的金 属形成小阳极 覆盖层部分成为大阴极而产生局部腐蚀电池 则会更快地破坏漆膜 因此 采用单独的涂料保护效果不佳 若采用涂料与阴极保护联合防护 使裸露的金属获得集中的电 流保护 弥补了覆盖层缺陷 是储罐罐底板防腐最为经济有效 的方法 储罐边缘板在罐结构中的作用十分重要 但却容易渗进水 而遭受腐蚀 目前在役的储罐均未采取有效的防腐措施 要全 面控制罐底板的腐蚀 除了对罐底板主体进行防护外 还要对 边缘板外露部分 以下边缘板均特指边缘板外露部分 采取有 效的防腐措施 2 腐蚀机理 水是原油罐底板的腐蚀根源 原油和水中的硫化物与罐底 板金属反应机理为 在碳钢表面的硫化物氧化皮或锈层有孔隙的情况下 原油 罐底水中 cl 离子能穿过硫化物氧化皮或锈层到达金属表面 在 金属表面的局部地点形成小蚀坑 硫化物溶解的反应式为 生成的 h 离子对金属产生活化作用 使小蚀坑继续溶解 成为孔蚀源 孔蚀源成长的最初阶段 溶解下来的金属离子发 生水解 生成氢离子 这样会使小蚀坑接触的溶液层的 ph 值下降 形成一个强酸 性的溶液区 这反而加速了金属的溶解 使蚀坑继续扩大 加 深 腐蚀从开始到暴露经历一个诱导期 但长短不一 有些需 几个月 有些则需一年至几年 坑蚀的形成 使原油罐金属底 板受到很大的侵蚀 由于坑蚀的面积很小 加之随机性和高度 局部化的特征以及诱导期很长 因此很难用物理方法检测出坑 蚀的深度 即使泄露发生后 再用测厚仪测厚 仍不会发现罐 金属底板有明显的减薄倾向 3 防止罐底板腐蚀的几点措施 1 在油罐金属底板的结构设计中 尽可能将罐底板铺平 并略向脱水口倾斜 以利原油罐底的水脱除干净 2 新建原油罐应采用埋地牺牲阳极的阴极保护措施 该 方法比在原油罐内设牺牲阳极更有效 3 原油罐内主要是水相腐蚀 原油罐内底部水层的厚度 最高时为 800mm 左右 因此 应在罐底板上 1m 的圈板范围内 涂刷保护性涂料 4 在原油罐内使用 wf 50 防腐蚀涂料加阴极保护的方案 可有效地防止原油罐金属底板腐蚀 4 罐底板上表面的腐蚀防止 1 阴极保护 对罐底板上表面的阴极保护推荐采用牺牲阳极的阴极保护 对于阳极品种的选择 由于温度影响 不宜选用锌阳极 由于 安全因素 不宜选用镁阳极 所以多选用铝合金阳极 牺牲阳 极易于安装 而且当阳极消耗为初始重量的 85 时 可在清罐 时进行更换 1999 年某泵站新建的一座 2 104 储罐 其底板上应用了牺 牲阳极保护 保护范围为整个罐底板及罐壁下部 1m 高的表面 共使用了 54 块 重 22kg 的铝合金阳极 阳极直接焊接在罐底 板上表面及罐壁下部 在罐底呈环状分布 2 涂料防腐 对罐底内防腐覆盖层的基本要求是 遇到存储产品不变质 耐潮 抗渗透 对金属表面有很好的附着性能 抗冲击 抗阴 极剥离 易修补 耐老化性能好 耐存储温度 由于输送过程 中油品和管壁的摩擦 流经泵和过滤器等都会产生静电 在管 路末端 未被消散的静电进入油罐 在油罐内 油品和油罐接 管内壁的摩擦油品之间的相对运动也会产生静电 若采用普通 的绝缘覆盖层 其电阻率多在 109 1013 欧姆之间 阻断原油储 运中产生的静电高压 可能会放电击穿油气层 发生事故 因 此 要求使用电阻率在 108 欧姆以下的防静电涂料 由于罐底板安装了牺牲阳极 静电可通过阳极导出 因为 阳极直接焊在底板上 因此 推荐采用重型玻璃鳞片涂料 该涂料具有优良的抗渗透性 抗冲击性能 良好的粘结力和耐 磨性 耐化学介质浸泡 溶剂少 固体含量高 可作厚涂等优 点 若考虑清罐困难 不采用牺牲阳极保护 则推荐以下防腐 方案 采用 t521 聚氨酯防静电涂料作面漆 以炭黑为导电填料的 e544 环氧防静电涂料作中间漆 以无机富锌 t588 防静电涂料 为底漆 若只采用无机富锌涂料 则由于锌是两性金属 既能溶于 酸 又能溶于碱 即易发生如下发应 因此 以上涂料选择方案可避免富锌涂料过早失效 3 边缘板的防腐 由于罐内的牺牲阳极无法对边缘板的外露部分提供保护 而外露部分所处的环境又很恶劣 所以推荐采用热喷涂铝防腐 喷涂层可经受典型的高温考验 可有效地隔绝腐蚀介质的渗透 防止钢板在介质中的电化学腐蚀 铝覆盖层还可起到牺牲阳极 的作用 若喷涂其它电位比 ef 正的金属 则存在形成大阴极小 阳极的危险 普通的涂料防腐应定期进行除锈更新 以上作法 虽然一次性投资较高 但可一劳永逸 澳大利亚的防腐公司的 论文通过比较两种典型防腐层的整体寿命和目前的净费用 认 为对长寿命设施使用高性能的防腐体系更为经济 5 罐底板下表面的保护 土壤腐蚀储罐基础以砂层和沥青砂为主要构造 罐底板座 落在沥青砂面上 由于罐中满载和空载交替 冬季和夏季温度 及地下水的影响 使得沥青砂层上出现裂缝 致使地下水上升 接近罐的底板 造成腐蚀 当油罐的温度较高时 罐底板周围 地下水蒸发 使盐分浓度增加 增大了腐蚀程度 氧浓差电池 腐蚀罐底板与砂基础接触不良 易产生氧浓差 如满载和空载 比较 空载时接触不良 r 再由于罐周与罐中心部位的透气性有 差别 也会引起氧浓差电池 这时中心部位成为阳极而被腐蚀 杂散电流的腐蚀罐区是地中电流较为复杂的区域 当站内管网有 阴极保护而储罐未受保护时 则可能形成杂散电流干扰影响 r 当周围有电焊机施工 电气化铁路 直流用电设备时则可能产 生杂散电流 底板下表面防腐覆盖层必须是可焊的 焊接时不能破坏覆 盖层的结构 并要求涂料的有效防腐时间长 通常采用无机富 锌漆 但由于该涂料导电性能较好 将漏失阴极保护电流 所以 推荐采用非导电型的环氧涂料 若不采用阴极保护 则无机富锌涂料是优先选择 它具有 优良的耐热 耐老化性能 极强的粘结力 优良的硬度和耐磨 性 耐溶剂 防锈性能 漆膜有阴极保护作用 属水性涂料 无毒无臭 施工