一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的雙底結(jié)構(gòu)儲(chǔ)油罐研究

楊金林　何　旺　杜明忠　周　林

1.中國(guó)人民解放軍76167部隊(duì),　廣東　韶關(guān)　512000;2.解放軍后勤工程學(xué)院管理科學(xué)與工程系,　重慶　401311

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一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的雙底結(jié)構(gòu)儲(chǔ)油罐研究

楊金林1何旺2杜明忠1周林1

1.中國(guó)人民解放軍76167部隊(duì),廣東韶關(guān)512000;2.解放軍后勤工程學(xué)院管理科學(xué)與工程系,重慶401311

摘要：通過(guò)單底板儲(chǔ)油罐罐底的特殊性分析,發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)油罐底板兩面腐蝕易穿孔引發(fā)滲(泄)漏事故,因罐底腐蝕隱蔽性強(qiáng),且無(wú)有效的實(shí)時(shí)在線檢漏設(shè)備和技術(shù),罐底實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)已成為行業(yè)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)單底板儲(chǔ)油罐固有缺點(diǎn),在分析儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)檢漏層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合罐底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足后,總結(jié)出將底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和滲(泄)漏監(jiān)測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)破解難題的方法；提出一種配備有油氣在線探測(cè)儀和真空系統(tǒng)或壓力系統(tǒng)的雙底結(jié)構(gòu)儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)油罐底板的實(shí)時(shí)在線監(jiān)漏,有效保障儲(chǔ)油罐的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：雙底結(jié)構(gòu)；儲(chǔ)油罐；底板滲(泄)漏;在線監(jiān)測(cè)

0前言

2008年底我國(guó)石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備一期工程順利完成,總儲(chǔ)備能力高達(dá)1 400×104t,但戰(zhàn)略儲(chǔ)備天數(shù)少,與日本、美國(guó)等國(guó)的戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備天數(shù)差距較大,為此我國(guó)加快石油儲(chǔ)備建設(shè)進(jìn)度,力求2020年實(shí)現(xiàn)90 d 目標(biāo)。戰(zhàn)略儲(chǔ)備主要是原油儲(chǔ)備,以大型浮頂儲(chǔ)油罐為主要儲(chǔ)存設(shè)備,由于原油具有高含硫、高含水和雜質(zhì)等特性,加上微生物侵蝕,長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下運(yùn)作的儲(chǔ)罐不可避免地出現(xiàn)腐蝕、開(kāi)裂、穿孔等劣化缺陷,而罐底極易引起儲(chǔ)液滲(泄)漏,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)環(huán)境破壞,甚至引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，因此罐底是檢測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-2]。如何有效防范儲(chǔ)油罐的滲(泄)漏事故和快速檢測(cè)罐底板的劣化程度是當(dāng)務(wù)之急,解決辦法之一就是采用雙層罐底板結(jié)構(gòu),配備有效的在線監(jiān)測(cè)技術(shù),保證至少一層罐底板完好,確保不發(fā)生油料滲(泄)漏事故。對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少油料和經(jīng)濟(jì)損失,保證油料安全儲(chǔ)存,消除安全隱患，提高能源保障能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1單底板儲(chǔ)油罐罐底的特殊性

統(tǒng)計(jì)資料表明,所有儲(chǔ)油罐滲(泄)漏事故中,罐底的滲(泄)漏比例最高,且最難發(fā)現(xiàn)。單底板儲(chǔ)油罐罐底滲(泄)漏事故常發(fā)生在儲(chǔ)油罐充水試壓階段、正常使用階段和儲(chǔ)油罐超期服役階段,正常使用階段的罐底滲(泄)漏最值得重視。由于工作條件所處環(huán)境復(fù)雜惡劣,導(dǎo)致儲(chǔ)油罐滲(泄)漏的因素很多,如腐蝕、裂紋、砂眼、應(yīng)力集中等諸因素之一或兼而有之,其中腐蝕穿孔引起的罐底滲(泄)漏最多,由于罐底存在積水和雜質(zhì),當(dāng)罐底滲漏時(shí),含雜質(zhì)的積水會(huì)匯集在瀝青砂絕緣層與罐底之間,加速罐底外表面腐蝕,導(dǎo)致罐底穿孔。

1.1罐底內(nèi)表面

罐底內(nèi)表面是儲(chǔ)油罐腐蝕最嚴(yán)重部位,主要的腐蝕是電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是金屬表面與離子導(dǎo)電介質(zhì)(電解質(zhì))發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞,是儲(chǔ)油罐內(nèi)部最主要、最嚴(yán)重、危害最大的一種腐蝕,主要發(fā)生在罐底、罐壁。例如,部分涂料采用比鐵活性高的金屬作填料(如鋅),起到犧牲陽(yáng)極保護(hù)作用,以減緩腐蝕。但防腐層因施工、老化等原因,難免存在缺陷(如針孔),影響保護(hù)層的保護(hù)效果,而缺陷等處暴露出的金屬與防腐層敷蓋的部分,形成了小陽(yáng)極和大陰極的局部腐蝕電池,加速暴露金屬的腐蝕速度。由于油品儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中水分積存和水氣冷凝形成底水層,加上水中的一些雜質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽,造成罐底內(nèi)表面電化學(xué)腐蝕。如果底水層中含有硫酸鹽還原菌(SRB)和Cl-,腐蝕性則更強(qiáng)。出于應(yīng)力強(qiáng)度的需要,罐底存在向外的坡度,因此積水主要在罐壁和罐底結(jié)合處,故該處腐蝕最嚴(yán)重,是防腐重點(diǎn)區(qū)域。除了均勻腐蝕罐底內(nèi)表面還有許多局部腐蝕,例如點(diǎn)腐蝕和坑腐蝕,其危害不容忽視,很多局部腐蝕造成了罐底穿孔。罐底表面的坑腐蝕見(jiàn)圖1。

圖1　坑腐蝕原理

1.2罐底外表面

罐底外表面主要為氧濃差電池腐蝕和雜散電流腐蝕。罐底氧濃差主要表現(xiàn)在罐底與砂基礎(chǔ)接觸不良,如滿載和空載比較,空載時(shí)接觸不良；罐周和罐中心的透氣性差別較大,引起氧濃差電池,這時(shí)罐底外表面的中心成為陽(yáng)極而被腐蝕。雨水或冷凝水沿罐壁進(jìn)入邊緣板下,使邊緣板下表面腐蝕加劇[3],瀝青砂絕緣層有裂紋使地基的水分上升至罐底，腐蝕罐底外表面。

儲(chǔ)油罐腐蝕較嚴(yán)重部位是罐底,主要是罐底邊緣板,重點(diǎn)是罐底和罐壁結(jié)合處。罐底邊緣板比中幅板稍厚,一是因?yàn)閼?yīng)力的需要；二是增加儲(chǔ)油罐使用壽命。典型的罐底腐蝕穿孔見(jiàn)圖2。

圖2　罐底腐蝕穿孔

2單底板儲(chǔ)油罐的固有缺點(diǎn)

1)罐底板受雙面腐蝕,極大增加了腐蝕穿孔的概率。

2)能實(shí)現(xiàn)罐底板滲(泄)漏儲(chǔ)油狀況下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法或手段有限。單層罐底滲(泄)漏監(jiān)測(cè)難點(diǎn)在于罐底外表面的情況看不見(jiàn)摸不著,只能利用間接方法或手段來(lái)推測(cè)和判斷罐底外表面的情況,微小的滲(泄)漏很難發(fā)現(xiàn),較大的滲漏和較小的泄漏也要等罐基礎(chǔ)滲(泄)滿油后滲油出來(lái)才能發(fā)現(xiàn)?？蓪?shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐底板實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的方法只有罐基礎(chǔ)預(yù)埋檢測(cè)元件探漏法[6],但該方法成本高、防爆要求高、維護(hù)費(fèi)用高,實(shí)際應(yīng)用還有待時(shí)日。

3)罐底板滲(泄)漏后無(wú)防護(hù)措施。油庫(kù)現(xiàn)有監(jiān)漏方法(監(jiān)測(cè)罐內(nèi)油位變化和感官查庫(kù))存在不能發(fā)現(xiàn)微小泄漏、發(fā)現(xiàn)滲漏不及時(shí)以及對(duì)收發(fā)頻繁的儲(chǔ)油罐即使較小的泄漏也不能發(fā)現(xiàn)的主要缺陷,等發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)油罐滲(泄)漏時(shí),罐基礎(chǔ)內(nèi)已侵滿油料,不僅經(jīng)濟(jì)受損,而且可能污染環(huán)境,還給補(bǔ)漏、換底和置換砂墊層帶來(lái)困難和風(fēng)險(xiǎn),甚至引起火災(zāi)、爆炸事故。

3雙底板結(jié)構(gòu)儲(chǔ)油罐的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著單底板儲(chǔ)油罐的固有缺點(diǎn)越來(lái)越突出,全球石化行業(yè)逐漸把目光轉(zhuǎn)向罐底板的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和研發(fā)新型罐底板結(jié)構(gòu)上[7]。新型罐底板結(jié)構(gòu)的研發(fā)就是向雙層或多層底板方向拓展,雙層底板結(jié)構(gòu)的雛形是在儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)下設(shè)計(jì)檢漏層結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

陳薇[8]、譚小川等人[9]設(shè)計(jì)了儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)檢漏層結(jié)構(gòu),即在平底罐和錐底罐罐基礎(chǔ)砂墊層下設(shè)計(jì)基礎(chǔ)檢漏層。該檢漏層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)土石方量少,操作施工簡(jiǎn)單,簡(jiǎn)易實(shí)用,能及時(shí)檢出較小的泄漏和長(zhǎng)期積累的滲漏。近來(lái)年檢漏層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已應(yīng)用于新建的儲(chǔ)油罐[10-11]。

圖3　儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)檢漏層結(jié)構(gòu)

圖4　復(fù)合罐底構(gòu)造

無(wú)論是單底板儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)檢漏層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是復(fù)合罐底技術(shù)的雙底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都不能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐底板的實(shí)時(shí)在線監(jiān)漏,只有把底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和滲(泄)漏監(jiān)測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái),才能有效實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐底板的實(shí)時(shí)在線監(jiān)漏。

一種可實(shí)現(xiàn)罐底實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的雙層底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。該結(jié)構(gòu)在雙底板的夾層空間設(shè)置正交放置的開(kāi)槽開(kāi)孔支撐方鋼,在保證上層罐底板受力均勻的同時(shí)，也保證了一旦有油料滲(泄)漏,油氣會(huì)在夾層內(nèi)向水平方向360°無(wú)障礙擴(kuò)散,配備油氣在線探測(cè)儀后可實(shí)現(xiàn)罐底板實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較適合大型儲(chǔ)油罐。雙底板夾層所用的滲(泄)漏監(jiān)測(cè)技術(shù)可采用真空或壓力系統(tǒng)加油氣在線探測(cè)儀設(shè)備。真空系統(tǒng)是用真空泵將夾層內(nèi)氣體抽成真空,用真空檢漏器(Vacuum Leak Detector)來(lái)監(jiān)測(cè)夾層的密閉性能,下罐底板漏氣或上罐底板滲(泄)漏時(shí),雙層間隙內(nèi)壓力增大,真空檢漏器發(fā)出警報(bào)；壓力系統(tǒng)是將夾層充入氮?dú)饣蚩諝?并用壓力檢漏器(Pressure Leak Detector)監(jiān)測(cè)夾層的密閉性能,下罐底板漏氣或上罐底板滲(泄)漏發(fā)生時(shí),雙層間隙壓力減小而觸發(fā)報(bào)警器；油氣在線探測(cè)儀主要用來(lái)在線監(jiān)測(cè)上罐底板的滲(泄)漏,譬如紅外線可燃?xì)怏w探測(cè)器(THY-FDM-IRHC-K),其分辨率為10-4L/m3,壽命長(zhǎng),響應(yīng)速度快,探測(cè)到10-4L/m3以上濃度的油氣后能及時(shí)發(fā)出聲光警報(bào)[14]。雖然真空系統(tǒng)和壓力系統(tǒng)都有保持恒定壓力難的缺點(diǎn),但可以采取定期監(jiān)測(cè)的方式來(lái)克服,只要定期檢查未見(jiàn)異常,保證下罐底板的完好就行,上罐底板的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)由油氣在線探測(cè)儀來(lái)完成。定期檢查的間隔是每周或每半月。

圖5　雙底板儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)

4結(jié)論

傳統(tǒng)單底板儲(chǔ)油罐底板由于受雙面腐蝕,劣化程度難以掌握,又無(wú)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù),因而罐底板腐蝕穿孔事故頻發(fā),給石油儲(chǔ)存造成極大的安全隱患,已成為石化行業(yè)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。針對(duì)單底板儲(chǔ)油罐的固有缺點(diǎn),分析儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)檢漏層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合罐底技術(shù)的雙底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足,提出只有把底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和滲(泄)漏監(jiān)測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)破解難題的方法。一種可實(shí)現(xiàn)罐底板實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的雙底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被提出,由于雙底板夾層空間由開(kāi)槽開(kāi)孔的方鋼正交排布支撐,在保證上層罐底板受力均勻的同時(shí)，也保障了可能滲(泄)漏的油料蒸氣能夠在夾層內(nèi)自由迅速擴(kuò)散,給油氣探測(cè)儀的及時(shí)報(bào)警創(chuàng)造了條件。由于在線真空系統(tǒng)或壓力系統(tǒng)都有很難保持恒定壓力的固有缺點(diǎn),為克服該缺點(diǎn),把真空系統(tǒng)或壓力系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)改為定期檢測(cè),同時(shí)引入油氣在線探測(cè)儀。油氣在線探測(cè)儀可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)上層罐底板的滲(泄)漏,而定期檢漏的真空系統(tǒng)或壓力系統(tǒng)用以保證下層罐底板的完好。由于兩層罐底板幾乎同時(shí)穿孔為小概率事件,因此,雙底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)上層罐底板的滲(泄)漏是“雙保險(xiǎn)”：其一,保證上層罐底板滲(泄)漏能及時(shí)報(bào)警,贏得騰空油料時(shí)間；其二,即使上層油料滲(泄)漏也不會(huì)跑出雙層罐底的夾層空間,不會(huì)造成環(huán)境污染和重大經(jīng)濟(jì)損失。因此配備油氣在線探測(cè)儀和真空系統(tǒng)或壓力系統(tǒng)的雙底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的儲(chǔ)油罐能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)油罐底板的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),保障儲(chǔ)油罐的安全運(yùn)營(yíng)。

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收稿日期：2015-11-05

基金項(xiàng)目：中國(guó)人民解放軍總后勤部重點(diǎn)科研項(xiàng)目“儲(chǔ)油狀況下油罐檢測(cè)技術(shù)研究”(油20080208)

作者簡(jiǎn)介：楊金林(1977-)，男，湖北鐘祥人，工程師，博士，現(xiàn)主要從事油料的儲(chǔ)存與加注和油罐檢測(cè)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.021