大型儲(chǔ)罐本質(zhì)安全設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究

魏有財(cái) 李 鵬 鄒環(huán)宇 王 寧 吳大剛

（1. 廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司，河北 廊坊 065000；2. 中油國際管道有限公司中緬管道項(xiàng)目，北京 100029；3. 國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司大慶輸油氣分公司，黑龍江 大慶163000；4. 國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司丹東輸油氣分公司，遼寧 丹東 118000；5. 東北石油管道有限公司，遼寧 沈陽 111000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及對(duì)油氣需求量逐年增加，儲(chǔ)罐設(shè)施在石油工業(yè)和國家能源戰(zhàn)略中的重要性日益凸顯。近年來先后建設(shè)鎮(zhèn)海、舟山、黃島和大連等國家石油儲(chǔ)備庫，庫容量均在數(shù)百萬方，大型浮頂儲(chǔ)罐容積高達(dá)15×104m3。由于油品介質(zhì)易燃易爆性，儲(chǔ)罐屬于重大危險(xiǎn)源，如發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，形成多米諾連鎖反應(yīng)，對(duì)人員生命、國家財(cái)產(chǎn)和環(huán)境造成嚴(yán)重危險(xiǎn)。2006～2007年儀征油庫、鎮(zhèn)海石油儲(chǔ)備庫、白沙灣油庫發(fā)生儲(chǔ)罐雷擊著火事故，2010年大連“7.16”輸油管道及油庫火災(zāi)爆炸事故[1]。2022版《安全生產(chǎn)法》實(shí)施加大對(duì)石油行業(yè)重大事故責(zé)任處罰力度。應(yīng)系統(tǒng)總結(jié)典型儲(chǔ)罐事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，調(diào)研國內(nèi)外儲(chǔ)罐本質(zhì)安全最佳工程實(shí)踐，提高油庫企業(yè)抵御防范風(fēng)險(xiǎn)能力，降低儲(chǔ)罐重特大事故和環(huán)境污染事件。

1 儲(chǔ)罐火災(zāi)事故案例統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)2000～2013年國內(nèi)外發(fā)生83次儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸事故。按照儲(chǔ)罐類型，內(nèi)/外浮頂儲(chǔ)罐、固定頂儲(chǔ)罐分別占比36.2%、27.7%和30.1%，內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐儲(chǔ)存汽油等易揮發(fā)、低閃電輕質(zhì)油品，浮頂上方聚集可燃?xì)怏w爆炸空間。固定頂儲(chǔ)罐儲(chǔ)存柴油油品形成爆炸氣體空間。外浮頂儲(chǔ)罐主要是雷擊著火，其次是溢油和浮頂失穩(wěn)/沉沒。按照事故主要原因分類為：

（1）雷擊。儲(chǔ)罐二次密封裝置失效，形成爆炸性氣體環(huán)境。2006～2007年儀征輸油站、白沙灣油庫、鎮(zhèn)海儲(chǔ)備庫先后發(fā)生儲(chǔ)罐密封圈雷擊著火事故；

（2）設(shè)備故障/溢油/泄漏。液位計(jì)故障導(dǎo)致過量充裝。2005年英國Buncefield油庫火災(zāi)爆炸事故是歐洲至今最嚴(yán)重的工業(yè)火災(zāi)爆炸事故，損壞23座大型儲(chǔ)罐，根本原因是儲(chǔ)罐監(jiān)控系統(tǒng)失效，計(jì)量系統(tǒng)故障，液位報(bào)警系統(tǒng)未正常啟動(dòng)，儲(chǔ)罐邊緣板設(shè)計(jì)缺陷形成油品傾瀉、撞擊，形成大范圍油氣混合物，發(fā)展蔓延為儲(chǔ)罐群火災(zāi)；

（3）靜電。例如靜電導(dǎo)線接觸不良或腐蝕斷裂，低液位浮頂下降時(shí)油品進(jìn)出儲(chǔ)罐流速過快，計(jì)量、取樣過程中產(chǎn)生靜電。2003年4月，美國俄克拉荷馬州Glenpool油庫儲(chǔ)罐由于進(jìn)油管道高流速在集油池湍流產(chǎn)生靜電，發(fā)生火災(zāi)事故及另外2座儲(chǔ)罐受損；

（4）硫化亞鐵自燃。罐內(nèi)壁硫腐蝕產(chǎn)物未清除、積聚導(dǎo)致自燃。2010年5月某石化公司5000m石腦油內(nèi)浮頂罐再導(dǎo)向管處發(fā)生硫化亞鐵自燃，引爆浮頂和罐壁間爆炸性氣體；

（5）違章操作施工。儲(chǔ)罐檢修時(shí)罐內(nèi)形成爆炸性氣體環(huán)境；焊接動(dòng)火作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全措施未落實(shí)產(chǎn)生明火。2010年大連7.16輸油管道火災(zāi)爆炸事故，經(jīng)濟(jì)損失2.2億元，1名消防人員死亡，輸油管道、儲(chǔ)罐、閥門、泵和電力系統(tǒng)損壞，約100m3原油流入海域。事故原因在油輪暫停卸油作業(yè)情況下繼續(xù)向輸油管道中注入含強(qiáng)氧化劑的原油脫硫劑，造成管道爆炸。

2 儲(chǔ)罐本質(zhì)安全設(shè)計(jì)技術(shù)基本原則

儲(chǔ)罐建設(shè)規(guī)模大型化、集群化，對(duì)設(shè)計(jì)施工和運(yùn)行管理提出嚴(yán)苛要求，10×104m3儲(chǔ)罐與5×104m3儲(chǔ)罐是否采用相同消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)等級(jí)和管理維護(hù)要求及溢油處理防滲環(huán)境保護(hù)。三級(jí)防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法代表了儲(chǔ)罐本質(zhì)安全發(fā)展趨勢(shì)，基本思想是一級(jí)系統(tǒng)：儲(chǔ)罐和工藝管道；二級(jí)系統(tǒng)：儲(chǔ)罐液位報(bào)警系統(tǒng)以及儲(chǔ)存事故狀態(tài)下從儲(chǔ)罐泄漏油品、泡沫液和消防水的防火堤；三級(jí)系統(tǒng)：預(yù)防泄漏油品溢流至罐區(qū)外或者滲入地下的臨時(shí)性儲(chǔ)存設(shè)施，例如排水系統(tǒng)、圍墻、道路或者障礙物等，在罐區(qū)內(nèi)設(shè)置溢流油品排液通道，在罐區(qū)外劃定專用區(qū)域設(shè)置事故應(yīng)急池。針對(duì)事故應(yīng)急池設(shè)置原則及做法還未形成統(tǒng)一公認(rèn)觀點(diǎn)。俄羅斯做法是距離油庫200m內(nèi)存在居民區(qū)、工廠、鐵路/公路和河流湖泊，應(yīng)設(shè)置油品應(yīng)急儲(chǔ)存設(shè)施。

3 儲(chǔ)罐本質(zhì)安全設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)標(biāo)及應(yīng)用

通過開展國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)、國外最佳工程實(shí)踐咨詢，針對(duì)儲(chǔ)罐安全運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)問題開展研究，包括防火堤材質(zhì)容量、儲(chǔ)罐安全距離，在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)和工程應(yīng)用取得積極成果。

3.1 儲(chǔ)罐安全距離

儲(chǔ)罐間距是油庫平面設(shè)計(jì)最重要的技術(shù)參數(shù)。為降低儲(chǔ)罐區(qū)火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)和相互影響，避免密集布置，應(yīng)確定合理儲(chǔ)罐防火距離，其基本原則是控制火災(zāi)蔓延、方便消防設(shè)備高效滅火并考慮著火儲(chǔ)罐對(duì)相鄰儲(chǔ)罐熱輻射危害。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50074規(guī)定固定頂儲(chǔ)罐和內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐安全距離為1.0D，外浮頂儲(chǔ)罐安全距離為0.8D，其中D為相鄰儲(chǔ)罐中較大儲(chǔ)罐的直徑。美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 30-2016規(guī)定儲(chǔ)罐直徑大于45m，浮頂罐安全距離為相鄰儲(chǔ)罐直徑之和1/4（0.5D）。我國儲(chǔ)罐安全距離標(biāo)準(zhǔn)大于國外標(biāo)準(zhǔn)，但儲(chǔ)罐選址涉及土地規(guī)劃、社會(huì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本，應(yīng)在遵循標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，基于可接受風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則確定科學(xué)合理儲(chǔ)罐間距。

GB 50074關(guān)于儲(chǔ)罐安全距離規(guī)定適用撲救密封圈中小規(guī)?；馂?zāi)，不滿足儲(chǔ)罐全面積敞口火災(zāi)的安全要求，應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)罐池火熱輻射模型，計(jì)算臨界熱輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)罐安全距離，綜合考慮防火堤面積和消防設(shè)施能力。研究表明，中小型儲(chǔ)罐受熱輻射危害性更大，儲(chǔ)罐容積小于10×104m3儲(chǔ)罐安全距離應(yīng)在GB 50074基礎(chǔ)上適當(dāng)增加；大型儲(chǔ)罐本體安全性更高，儲(chǔ)罐容積大于10×104m3，GB 50074規(guī)定的安全距離滿足使用要求。

3.2 儲(chǔ)罐液位報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)

儲(chǔ)罐液位報(bào)警系統(tǒng)設(shè)有高-高液位、高液位、低-低液位和低液位報(bào)警信號(hào)，液位計(jì)在極端低溫條件下易發(fā)機(jī)械故障、誤報(bào)警問題。鑒于英國Buncefield油庫火災(zāi)爆炸事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，儲(chǔ)罐液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則包括：

（1）應(yīng)獨(dú)立于油庫運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)（含人工測(cè)量），不依靠遠(yuǎn)程控制和通信條件下及時(shí)關(guān)閉油品輸送，防止儲(chǔ)罐溢流；

（2）具有較高安全完整性等級(jí)，宜選用診斷能力增強(qiáng)型傳感器，定期進(jìn)行功能性驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.3 防火堤

國內(nèi)外多次儲(chǔ)罐火災(zāi)事故暴露出防火堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，例如容量不足、強(qiáng)度差等問題。針對(duì)防火堤容量，國內(nèi)在役儲(chǔ)罐存在防火堤容量偏?。ㄐ∮趦?chǔ)罐容積）的問題。GB 50074規(guī)定防火堤有效容積不應(yīng)小于罐組內(nèi)一個(gè)最大儲(chǔ)罐的容量。美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 30-2016《易燃和可燃液體規(guī)范》規(guī)定防火堤容量應(yīng)為最大儲(chǔ)罐體積，并附加消防液量和雨水余量（通常為儲(chǔ)罐容積的10%）?？梢钥闯鰢鈽?biāo)準(zhǔn)規(guī)定防火堤容量更大更合理。

針對(duì)防火堤強(qiáng)度，除考慮油品靜壓力，還應(yīng)考慮儲(chǔ)罐瞬間破裂時(shí)油品傾瀉對(duì)防火堤的沖擊載荷，例如1×104m3儲(chǔ)罐罐內(nèi)液面12m，在1.5m處產(chǎn)生3m裂口，油品傾瀉8.5s后防火堤內(nèi)油品深度1.4m，防火堤內(nèi)側(cè)流速14.3m/s，油品沖擊載荷為靜壓力7.5倍。建議減少防火堤坡度或者在防火堤兩側(cè)堆土以增強(qiáng)防火堤抗沖擊力。

針對(duì)防火堤材質(zhì)，國內(nèi)采用混凝土堤或者磚石結(jié)構(gòu)防火堤，火災(zāi)狀態(tài)下坍塌或碎裂失效?；炷猎?00℃時(shí)強(qiáng)度降低50%，在800℃下強(qiáng)度全部消失。原油燃燒火焰中心溫度高達(dá)1500℃。2005年英國Buncefield油庫火災(zāi)爆炸事故中，混凝土防火堤密封劑在長時(shí)間火焰炙烤下熔化，防火堤墻體及管道穿越處產(chǎn)生多處裂縫漏點(diǎn)，大量油品和消防水流至罐區(qū)外河污染。美國和俄羅斯選用抗燃燒性能和密封性好的土質(zhì)防火堤。

3.4 儲(chǔ)罐控制閥

事故狀態(tài)下消防泵、閥門、儀表控制系統(tǒng)可靠，對(duì)于防止事故蔓延擴(kuò)大至關(guān)重要。國內(nèi)儲(chǔ)罐緊急切斷閥一般位于防火堤內(nèi)，且為手動(dòng)閥門，存在問題是火災(zāi)事故條件下人員不能手動(dòng)關(guān)閉切斷油源，造成火災(zāi)蔓延擴(kuò)大。調(diào)研加拿大Enbridge公司儲(chǔ)罐緊急切斷閥在防火堤外，且為電動(dòng)閥門，配置耐火耐高溫鎧裝電纜，系統(tǒng)可靠性高。

3.5 儲(chǔ)罐區(qū)防滲設(shè)計(jì)

國內(nèi)新建儲(chǔ)罐罐區(qū)防滲設(shè)計(jì)非強(qiáng)制性規(guī)定，儲(chǔ)罐火災(zāi)事故消防水或者泄漏油品如滲入土壤，可能造成飲用水污染。2005年英國Buncefield油庫火災(zāi)爆炸事故中，儲(chǔ)罐區(qū)地面產(chǎn)生多個(gè)滲漏點(diǎn)，油品和消防液滲入地下和附近河造成水體污染。加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA Z662-2015《油氣管道系統(tǒng)》規(guī)定做法是再罐區(qū)地面以下1m處做防滲設(shè)計(jì)，從下向上依次鋪設(shè)防滲膜、150mm厚度碎石和100mm混凝土，可以借鑒采用。俄羅斯輸油站防火堤防滲做法是先用素土夯實(shí)，鋪防滲膜，外覆碎石。

4 結(jié)論和建議

鑒于儲(chǔ)罐建設(shè)規(guī)模大型化和集群化發(fā)展趨勢(shì)，提高儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)水平和應(yīng)急保障能力非常必要。大型儲(chǔ)罐本質(zhì)安全設(shè)計(jì)技術(shù)首先保證儲(chǔ)罐和工藝管道系統(tǒng)的可靠性和完整性，例如優(yōu)化儲(chǔ)罐間距布局、優(yōu)化控制閥位置、提高監(jiān)控儀表可靠性等；其次減少油品滲漏、泄漏污染環(huán)境的可能性，例如優(yōu)先采用土堤并進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)溢油圍控和儲(chǔ)存設(shè)施等。新建儲(chǔ)罐在考慮選址、土地征用和環(huán)境條件，除滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50074-2014《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，推廣應(yīng)用儲(chǔ)罐本質(zhì)安全設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)階段充分考慮失效因素和后果影響，保證儲(chǔ)罐運(yùn)行安全可靠。