大型原油儲罐設計中安全問題研究

張翀宇

（臺州市特種設備監督檢驗中心，浙江臺州 318000）

0 引言

大型原油儲罐設計中的主要安全問題得不到有效的解決，其造成的后果將不可估量。大型原油儲罐設計部門乃至相關部門一定要給予此項工作足夠的重視。闡述大型原油儲罐工程的危險性，分析設計中存在的安全問題，提出解決方案。

1 大型原油儲罐工程危險性分析

1.1 原油危險性分析

原油也就是石油，是一種粘稠的、深褐色液體，被稱為“工業的血液”，主要是碳和氫組成的多種碳氫化合物，統稱“烴類”，原油以液體形式存在，具有易燃性；雖然爆炸極限范圍較窄，但仍然具有一定的爆炸危險性，閃點＞28℃，屬于乙類危險物品。

1.2 火災爆炸事故的原因

由于原油具有一定的爆炸危險性，進而使得火災爆炸性危險成為了影響大型原油儲罐安全性的最大危險因素。縱觀所有的火災爆炸事故發生均具備著火源，可燃物和空氣等3個因素。可燃物是火災爆炸事故中最重要的因素。

在原油儲運過程中泄漏的原油暴露在空氣中，進而成為了火災爆炸事故的可燃物。造成原油泄漏的原因可以分為冒罐跑油、脫水時跑油、設備故障、管線損壞、儲罐的閥件損壞、儲罐密封性差以及儲罐發生腐蝕等[1]。因此，要想有效規避可燃物，在原油儲罐的設計過程中就應充分考慮并加以控制。

儲罐腐蝕是發生泄漏的重要因素之一，儲罐腐蝕的腐蝕分為內壁腐蝕和外壁腐蝕。罐內壁腐蝕原因有儲存介質的種類、性質、成分、溫度和更換的頻率等，不管儲罐存儲的是液體還是氣體，都有2個腐蝕環境，一是氣象，二是液相。液相又分為2層，一層是油層，一層是積水層。外壁腐蝕有大氣腐蝕、保溫層水侵后的腐蝕和土壤腐蝕等3種腐蝕形態。分析儲罐腐蝕情況發現：儲罐腐蝕一般都是發生在儲罐的罐底，而且腐蝕的情況一般都很嚴重。罐底腐蝕時一般都會呈現出成片的坑點腐蝕，腐蝕的區域一般是分布在罐底的焊接熱影響區、凹陷和變形處。罐頂腐蝕次之，伴有孔蝕的不均勻全面腐蝕，罐壁腐蝕較輕，主要發生在油水界面，油和空氣界面處。

浮盤沉底也會造成大量的原油泄漏。在大型原油儲罐設計中浮盤沉底是各個原油開發單位特別擔心的重大安全事故之一。從以往的浮盤沉底案例分析可以看出，造成此類事故的原因大部分都是在浮盤的設計、施工乃至管理等方面存在著缺陷或工作失誤。浮盤沉底事故一旦發生，不僅會造成原油大量泄漏進而引發火災事故，也會對施工地周圍的環境造成嚴重影響，進而帶來環境污染問題[2]。

2 大型原油儲罐設計中主要安全問題及對策

2.1 大型原油儲罐地基和基礎問題及對策

2.1.1 大型原油儲罐地基和基礎問題

大型原油儲罐地基和基礎處理的科學性與可靠性直接決定著大型原油儲罐的整體質量與可靠性、安全性。然而大型原油儲罐地基和基礎工程在進行設計時卻存在著一些不容忽視的問題。比如在對地質進行勘察時存在著諸多認識上的誤區、在進行地基和基礎工程的設計工作時沒有將影響地基和基礎工程科學性的相關因素全部考慮在內以及地表運動本身存在無規律性。這些因素都影響到了大型原油儲罐地基和基礎設計工作的科學性。而且地基的處理工作到基礎工程的建設，每一道工序都是在地表下進行，一旦設計工作出現了問題，進而增大了工程的監督管理工作的難度。

2.1.2 大型原油儲罐地基和基礎問題處理對策

在進行大型原油儲罐工程設計時，首先要做的是對工程施工地的地質進行勘探與檢測。然后根據勘探與檢測的結果有針對性的設計大型原油儲罐地基和基礎。同時，為了防止大型原油儲罐工程受到地震等自然災害的影響，需要對儲罐工程的施工地進行地震效應評價，防止建設成功后因為遭受地質災害。面對地表運動存在無規律性的問題，設計人員需要結合地質勘探的結果進行綜合分析，進而得出有效的地震效應評價。通過一系列措施的實施，保證大型原油儲罐地基設計和基礎設計的科學性與切實可行性。

2.2 浮頂儲罐密封裝置存在的問題及對策

2.2.1 浮頂儲罐密封裝置存在的問題

大型原油儲罐在制作過程中難免會出現一些垂直度或者橢圓度上的誤差，這些小小的誤差一旦發生，就容易影響到浮頂儲罐的密封度，使得浮頂儲罐的密封性差，進而引發原油泄漏現象。原油泄漏后經過與空氣接觸，一旦出現火源就容易引發嚴重火災事故，給整個工程造成不可估量的損失。

2.2.2 浮頂儲罐密封裝置問題的處理對策

為了有效的解決浮頂儲罐密封裝置密封性差的問題，設計部門以及整個工程與之相關的部門都應該給予此項問題足夠的重視，對造成密封性差的原因進行系統全面且科學的分析，進而得出有效的應對措施。就目前我國的應對措施來說，滾輪骨架密封是比較好的解決方案。在浮頂和罐壁之間會有一個整體圓環，滾輪骨架密封則是將整個圓環劃分成多個圓弧線段密封骨架，再用轉動的轉軸將這些骨架連接起來組成一個密封圈，這個密封圈與儲罐的形狀相同，進而可以有效的解決浮頂密封差的問題。這種密封方式在結構設計上非常先進，密封力大，產生的摩擦力小，同時這種密封方式本身是一套很好的雙重密封裝置，所以不需要增加任何的構件，進而減少了投入成本。滾輪骨架密封的上密封較帶可以當作防雨擋板，防雨效果非常好。

2.3 油罐抵抗風載荷性能的問題及對策

2.3.1 抵抗風載荷性能的問題

原油儲罐的大型化發展趨勢以及它在我國的重要戰略地位決定了它必須具有非常良好的安全性能。隨著原油儲罐越大，其半徑與厚度之比增大，從而造成原油儲罐的剛性減小，抵抗風載荷的能力下降。只有具有良好的安全性能以及防震防風措施，才能使原油儲罐長期穩定發揮它的儲備石油的作用；如果沒有良好的安全措施，則可能造成原油儲罐失穩，一旦失穩便會發生原油泄漏。強風對于油罐有很大的影響，大自然中的風都是陣風，具有一定的頻率吹；臺風的風力大小最高可以達到17級（56.1～61.2 m/s）既可能造成油罐被風吹癟（靜態），產生屈曲或傾覆，也可能激起油罐自振（動態），從而造成破壞。大量事實表明，目前大型油罐對臺風等自然災害的預防有待強化，因此設計時對大型油罐風致屈曲特性的考慮非常有必要。

2.3.2 油罐抵抗風載荷性能的處理對策

（1）在油罐上設置抗風圈，抗風圈的功能是在罐壁上形成節線圓，以提高油罐的抗外壓能力以保持油罐受風載荷時的圓度，抗風圈設置在油罐的頂部，通常置于包邊角鋼以下1 m的位置上。

（2）當抗風圈遇到盤梯需開口時，應進行補強使其斷面系數≥抗風圈所需最小截面系數。

（3）為滿足強度要求，抗風圈本身的接頭必須采用全焊透對接焊縫，抗風圈和罐壁的焊接，表面應采用連續滿角焊，當抗風圈有積液時，應開適當數量排液孔。

（4）抗風圈下支托的最大間距 Lmax=（18-24）b1，其中，b1是抗風圈邊緣高度。

（5）設置了抗風圈以后罐體的上部保持了圓度但抗風圈下部的筒體仍可能局部被吹癟，需在下部適當位置設置加強圈。加強圈的功能是提高油罐的抗外壓能力。當2個加強圈之間罐壁的許用應力臨界壓力＞設計外壓時，可以認為罐壁具備足夠的抗風能力。即罐壁的側壓穩定條件[Pcr]＞P，其中，[Pcr]是罐壁的許用應力臨界壓力，P是設計外壓。

（6）加強圈的設置方法（表1）。

表1 加強圈設計方法

2.4 浮盤沉底問題與對策

2.4.1 浮盤沉底原因

浮盤沉底也是大型原油儲罐設計中經常出現的一個問題。通過對浮盤沉底問題進行研究，發現導致此項問題的因素有很多。比如浮盤在重力上突然增大、浮盤遭受到了外力，進而導致浮盤被卡使其失去了自由運作的能力。

2.4.2 浮盤沉底問題對策

為了有效的解決浮盤沉底問題，需要在進行浮盤設計時將兩大因素充分的考慮進去，制定出最優的設計方案。第一，在刮蠟機構的設計上，大型原油儲罐設計部門以及整個工程負責方要給予其足夠的重視。從我國現有的刮蠟機構來看，在實際的刮蠟過程中，往往存在著刮蠟質量欠佳，進而導致蠟沒有被刮干凈，剩下的蠟在油溫降低的情況下就會凝結在罐壁上，浮盤一旦下降，就容易調到浮盤上，這樣就容易增加浮盤承受的重量。而且一旦遇到下雨的情況，蠟很容易堵塞中央排水管，再次加大浮盤的重力，進而引發浮盤沉底。因此，在進行刮蠟機構設計時，一定要將刮蠟加熱系統對密封裝置產生的老化作用降到最低。同時，為了防止蠟堵塞中央排水系統，在設計中央排數系統時，要將中央排數系統的規格提高。

2.5 大型原油儲罐防腐蝕措施

大型原油儲罐發生火災事故，大部門都是由于儲罐遭受到了腐蝕，進而引起原油泄漏引發火災事故。為此，做好大型原油儲罐的防腐蝕工作就顯得尤為重要。而儲罐最容易發生腐蝕的地方是在罐底和罐壁，不管是罐底的內壁還是罐底的外壁都是發生腐蝕比較嚴重的地方。通過研究可以發現，在儲罐的不同地方，引起腐蝕的原因也存在著不同。那么在采取防腐蝕措施時，就不能夠一刀切，而需要根據腐蝕的部位有針對性的選擇防腐蝕措施。

2.5.1 罐底外壁的防腐措施

罐底外壁發生腐蝕時，就我國目前常用的防腐方法來看，大部分都是在罐底外壁做防腐涂層。這種防腐方法在我國得到了廣泛的應用，而且取得了可觀的效果。

2.5.2 罐底內壁防腐

有時候會將防腐涂層方法應用到罐底內壁的防腐工作中，但是發現同樣的方法在內壁起到的防腐作用不如外壁的防腐作用強。為此，在進行罐底內壁防腐工作時，在罐底內壁涂抹了防腐涂層外，也會額外采用犧牲陽極或強制電流陰極保護法。此種方法不僅可以有效防止罐底內壁的腐蝕，而且可以有效的防止儲罐遭受雷擊與接地極。

2.5.3 儲罐外壁的防腐措施

在對儲罐外壁開展防腐工作時，需要將儲罐罐底部水深的高度考慮進來，而且需要對涂料的種類進行嚴格的選擇。比如，在進行外壁防腐時，在底部水層高度范圍內，應對罐底內壁1 m高采用環氧基耐油耐鹽水油罐專用絕緣涂料，外壁的其他部位可以采用油罐專用導靜電涂料。

2.6 防火堤排水設計問題及對策

設置防火堤是為了防止大型原油儲罐發生爆炸或者儲罐發生破裂時原油大量流出，引發大面積的火災。防火堤的設置，可以在一定程度上降低火災發生的面積，所以，防火堤一般都具備良好的密封性。在我國目前的大型原油儲罐設計中，排水管一般都會經過防火堤，為了保證防火堤不受雨水的干擾，防火堤的密封裝置在設置時，需要滿足儲罐外也能夠對其操作的條件。就我國目前的防火堤來看，大部分都是采用活動閘板。閘板在下雨時能夠打開，在排完水后，則將其關閉。如果閘板失靈，下雨排水后未能及時關閉，且此時剛好原油溢出且引發火災事故，這將很有可能擴大火災事故的面積，進而給事故的處理工作帶來極大的難度。為此，在進行防火堤排水設計時，建議在防火堤外設置由水封井和切水收油裝置聯合組成的阻火隔油排水三項功能為一體的裝置。這樣火災發生時既可以排水，也可以防止原油過度浪費。

3 結束語

隨著社會經濟的快速發展，在原油開采過程中，為了提高原油的存儲量且提高開采的工作效率，使得原油儲罐在體積上越來越大。也正是由于大型原油儲罐的存儲量大，使得原油一旦發生泄漏且引發火災事故，就會造成原油資源的大量浪費，也會給周圍環境造成不可估量的經濟損失。為此，大型原油儲罐設計工作人員在進行設計工作時，要將儲罐設計中的主要安全問題進行綜合的考慮，進而采取有效的應對措施。并最終促進我國原油開采事業的健康發展。