大型原油儲罐浮頂事故分析

大型原油儲罐浮頂事故分析

1原油大型儲水池設(shè)計的風(fēng)險分析1.1急救極限范圍和極限范圍原油是甲基b類燃料，易于煮沸，爆炸極限狹窄，但值低，存在一定的爆炸風(fēng)險。同時，原油的易沸騰和溢流應(yīng)特別注意。1.2油罐泄漏的事故原油的特性決定火災(zāi)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(fā)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(shè)計過程中加以預(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,在儲運中發(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(fā)生泄漏的重要因素之一。國內(nèi)外曾發(fā)生多起因油罐底部腐蝕造成的漏油事故。對原油儲罐內(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,為均勻點蝕,主要發(fā)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(yán)重,主要發(fā)生在邊緣板與環(huán)梁基礎(chǔ)接觸的一面。浮盤沉底事故是浮頂油罐生產(chǎn)作業(yè)時非常忌諱的嚴(yán)重惡性設(shè)備事故之一。該類事故的發(fā)生,一方面反映出設(shè)計、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。2浮頂卡阻沉頂事故的賠償浮頂油罐是大型儲備庫最重要的設(shè)備。隨著油庫擴容的要求,多年來國內(nèi)外的浮頂卡阻沉頂事故多次發(fā)生,造成巨大經(jīng)濟損失,成為急待解決的課題。根據(jù)多年的設(shè)計經(jīng)驗,通過剖析國內(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。2.1浮頂結(jié)構(gòu)的影響浮頂油罐的浮頂(如圖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?及導(dǎo)向筒的結(jié)構(gòu)對浮頂傾斜時是否卡阻影響頗大,現(xiàn)就各主要因素對浮頂?shù)挠绊懛质鋈缦隆?.1.1罐壁摩擦的大小及方向浮頂在罐內(nèi)介質(zhì)浮力作用下浮在液面上,浮頂下端的浸沒深度主要取決于浮頂及附件質(zhì)量、刮蠟板、密封機構(gòu)對罐壁摩擦力的大小及方向以及導(dǎo)向筒對導(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,其浸沒深度就會發(fā)生深度不同的變化,造成浮頂傾斜。2.1.2消防斑塊浮頂?shù)奶卣骺耧L(fēng)對浮頂產(chǎn)生附加彎矩,并使浮頂向最大風(fēng)向漂移。當(dāng)狂風(fēng)吹過罐上方時,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?和平行浮頂?shù)腡1。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)空氣動力學(xué)原理,將產(chǎn)生一定的真空度,相當(dāng)于對浮頂產(chǎn)生一向上的吸力T3,這樣一來,T2和T3形成了對浮頂中心的傾覆力矩,T1對消防擋板產(chǎn)生一推力,使浮頂向最大風(fēng)向漂移,并產(chǎn)生對浮頂?shù)膬A覆力矩M,其方向與前一力矩疊加。且風(fēng)力為忽大忽小的動載荷。2.1.3雨線偏干,因水線偏干,則干雨線偏色暴雨無風(fēng)時,對浮頂?shù)臎_擊力是均勻向下的,僅影響浮頂?shù)慕]深度,但當(dāng)暴雨伴隨狂風(fēng)時,就會使雨線偏斜。雨線對浮頂?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。2.1.4浮頂傾覆力影響當(dāng)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(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。2.2預(yù)防措施2.2.1浮頂傾覆彎矩的影響導(dǎo)向管及量油管與最大風(fēng)向的不同安裝方位,對浮頂?shù)膬A覆矩影響較大。如在最大風(fēng)向浮頂?shù)膬啥嗽黾?根導(dǎo)向管,則浮頂傾覆就會受阻,使導(dǎo)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(dāng)增加導(dǎo)向管,對任何風(fēng)向都有較大抗浮頂傾覆能力,其增加的費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于浮頂沉沒事故處理造成的經(jīng)濟損失。2.2.2根導(dǎo)向管及量油管布置當(dāng)儲罐容量較小時,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,但必須按建罐地點實際最大風(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)向管對浮頂反力矩的力臂會成百倍地增加。2.2.3“或兩端固結(jié),以軸向滑動導(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)改為兩端固結(jié)(或上端固結(jié),下端可軸向滑動)。有人可能擔(dān)心,原來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。實際上,導(dǎo)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(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)計合理,不會造成惡性附加應(yīng)力。2.2.4浮頂傾覆的穩(wěn)定性現(xiàn)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(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,使動載荷系數(shù)降低,不宜使浮頂產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞。2.2.5浮頂部浮頂破壞的排除在狂風(fēng)暴雨時,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,通過連通管將浮頂上的積水及時排入罐內(nèi),減少浮頂積水形成的外載荷,消除導(dǎo)致浮頂破壞的重要因素。2.2.6嚴(yán)格控制浮頂載荷現(xiàn)有的國內(nèi)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(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,若其中一個隔艙有油或水,當(dāng)液面超過頂板與隔板的花焊焊縫時,就必然產(chǎn)生液體溢艙,同樣惡化浮頂沉頂條件,倘若油罐的設(shè)計者或建設(shè)單位使浮頂隔板與浮頂?shù)装逍纬苫ê?那么只要有一個隔艙浸入液體,就會使全部浮船浸入等深的液體中,必然產(chǎn)生浮頂沉沒。3油罐密封腐敗和腐敗3.1覆蓋層和罐底保護(hù)地上鋼質(zhì)儲油罐使用過程中經(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罐腐蝕事故比率最高。因此應(yīng)對儲油罐罐底板實施有效的防腐措施,減少泄漏事故的發(fā)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(zhì)隔開,從而對金屬起到保護(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極,覆蓋層部分成為大陰極而產(chǎn)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(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),彌補覆蓋層缺陷,是儲罐罐底板防腐最為經(jīng)濟有效的方法。儲罐邊緣板在罐結(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(jìn)行防護(hù)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。3.2小蝕坑的形成過程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)機理為:Fe2++S2?→FeSFe2++S2-→FeS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(dá)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(yīng)式為:FeS+4H2O=Fe2++SO2?442-+8H+8e生成的H+離子對金屬產(chǎn)生活化作用,使小蝕坑繼續(xù)溶解,成為孔蝕源。孔蝕源成長的最初階段,溶解下來的金屬離子發(fā)生水解,生成氫離子:Men++nH2O=Me(OH)n+nH+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(qū),這反而加速了金屬的溶解,使蝕坑繼續(xù)擴大、加深。腐蝕從開始到暴露經(jīng)歷一個誘導(dǎo)期,但長短不一,有些需幾個月,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,加之隨機性和高度局部化的特征以及誘導(dǎo)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(fā)生后,再用測厚儀測厚,仍不會發(fā)現(xiàn)罐金屬底板有明顯的減薄傾向。3.3原油罐及罐底保護(hù)(1)在油罐金屬底板的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)采用埋地犧牲陽極的陰極保護(hù)措施,該方法比在原油罐內(nèi)設(shè)犧牲陽極更有效。(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。(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。3.4防止卡車底板表面腐爛3.4.1選擇合適的執(zhí)法電極對罐底板上表面的陰極保護(hù)推薦采用犧牲陽極的陰極保護(hù)。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(dāng)陽極消耗為初始重量的85%時,可在清罐時進(jìn)行更換。1999年某泵站新建的一座2萬m3儲罐,其底板上應(yīng)用犧牲陽極保護(hù),保護(hù)范圍為整個罐底板及罐壁下部1m高的表面。共使用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(huán)狀分布(如圖2、圖3)。3.4.2靜電涂膜的使用對罐底內(nèi)防腐覆蓋層的基本要求是:遇到存儲產(chǎn)品不變質(zhì)、耐潮、抗?jié)B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(jīng)泵和過濾器等都會產(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運動也會產(chǎn)生靜電,若采用普通的絕緣覆蓋層,其電阻率多在109~1013之間,阻斷原油儲運中產(chǎn)生的靜電高壓,可能會放電擊穿油氣層,發(fā)生事故。因此,要求使用電阻率在108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(dǎo)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(yōu)良的抗?jié)B透性、抗沖擊性、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。若考慮清罐困難,不采用犧牲陽極保護(hù),則推薦以下防腐方案:(1)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,以無機富鋅T588防靜電涂料為底漆。(2)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(fā)生如下反應(yīng):Zn+2NaOH+2H2O=Na2[Zn(OH)4]+H2↑因此,以上涂料選擇方案可避免富鋅涂料過早失效。3.4.3防滲劑、涂膜的使用由于罐內(nèi)的犧牲陽極無法對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,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(yīng)定期進(jìn)行除銹更新,以上做法雖然一次性投資較高,但可一勞永逸。澳大利亞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(rèn)為對長壽命設(shè)施使用高性能的防腐體系更為經(jīng)濟。3.4.4再用防水膠密封由于圈梁的阻隔,邊緣板部位是陰極保護(hù)的盲區(qū)。儲罐裝油后,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。還可以采用一種“切削環(huán)梁外露角,于邊緣板外下焊一圈圓鋼”的結(jié)構(gòu),如圖4。具體做法是切削環(huán)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(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)焊對罐體與底板焊縫的影響,可采用點焊)。此結(jié)構(gòu)已在儲罐中進(jìn)行試驗,取得了很好的應(yīng)用效果。3.5氧濃差電池腐蝕罐底板與砂基礎(chǔ)接觸不良,會造成雜散電流的干擾土壤腐蝕儲罐基礎(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,罐底板周圍地下水蒸發(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,也會引起氧濃差電池,這時中心部位成為陽極而被腐