油庫儲罐浮盤落底的風險及應對措施

楊佳豪，王北福，朱根民，聶立宏

（浙江海洋大學石油化工與環境學院，浙江舟山 316022）

0 引言

在石油化工行業中，安全一直是不容忽視的話題[1-4]。隨著能源需求的增大，石油化工產業儲存易燃、易爆產品的規模也越來越大，一個大型油庫容量就能達到幾百萬立方米。根據對近40年來的242起工業設備儲罐事故分析，74%的事故發生在煉油廠、油碼頭或儲油庫，而火災和爆炸占事故的85%[5]。由于儲存的輕質原油易燃、易爆、易揮發，火災和爆炸事故是造成大型油庫風險性高的主要原因之一[6]。自1923年芝加哥橋鐵公司（CB&I）首次示范以來，浮頂儲罐一直是最廣泛使用的揮發性石油產品的儲存方法[7]。浮頂罐內有一個緊貼油品液面的浮頂，浮頂隨著收發油作業而上升或下降。采用這種浮頂覆蓋在液體表面，能夠將油品與空氣有效隔離，減少油品的蒸發損耗，降低發生火災爆炸的危險和物料損耗[8]。因其降低油品蒸發損耗和提高油品儲存安全性等優點在全球油庫得到普及。

在日常的浮頂儲罐管理工作中，同樣存在著眾多安全隱患。浮頂儲罐的一大特點就是浮盤可隨油品液面自由上下活動，使得油品液面上方不存在油氣混合空間[8]。浮盤到其高液位時受液位報警裝置的限制不會繼續上升，到其低液位時可支承在浮盤本身的立柱上不會繼續下降，但是此時當油品液面再次下降，浮盤與油品液面之間，將存在一個油氣混合空間。若是不做好監管措施，當油氣濃度處于爆炸極限范圍內時，儲罐就存在爆炸危險。

現大部分商業油庫在實際運轉過程中幾乎無法避免地會面臨浮盤落底這一問題，主要體現在因業務要求需要整罐更換油品介質時，必須排空罐內介質并進行沖洗。在排空過程中，浮盤落底，液面繼續下降，就存在上述的油氣空間。這部分油氣空間目前尚無任何數據證實其具有爆炸隱患，缺少成熟的監測與管控手段，存在安全隱患。

本文采用日本新宇宙XP-3140可燃氣體檢測儀從浮盤上計量口對浮盤落底后油氣空間的油氣濃度進行實時檢測，使用福立GC 9720氣相色譜儀對油氣空間內油氣采樣進行分析，計算其爆炸極限。同時以風力、蒸發空間和溫度為影響因素，對浮盤落底后油氣的濃度變化進行定點定時監測，分析浮盤落底后油氣濃度的變化規律，最后提出針對浮盤落底的安全管控措施建議。

1 實驗部分

在浙江舟山某商業油庫5 萬m3原油外浮頂儲罐TK107浮盤落底后，對其油氣空間內油氣進行采樣，使用日本新宇宙XP-3140便攜式氣體檢測儀檢測油氣濃度，結合福立GC 9720氣相色譜儀進行成分分析。

1.1 儀器工作條件及標準氣體分析

福立GC 9720氣相色譜儀工作條件：柱箱溫度為100℃，極限溫度為400 ℃，進樣口溫度為120 ℃，分流比為40∶1，FID檢測器溫度為180 ℃，氫氣流量為30 mL/min，空氣流量為300 mL/min，氮氣流量為30 mL/min。

標準氣體（Standard Gas）購自中國計量科學研究院，其成分與氣相色譜譜圖（最小峰高300）如圖1所示。

圖1 標準氣體氣相色譜圖

1.2 樣品檢測、分析及計算

取監測到的最高濃度約16%的油氣樣品進行氣相色譜分析和爆炸極限的計算，樣品記為TK107-16%。其氣相色譜圖如圖2所示。

將圖2與標準氣體作比對，確定其成分與濃度如表1所示，表1中的排列順序即為出峰的順序。

表1 樣品成分及濃度

圖2 樣品TK107-16%的色譜圖

因浮盤落底后，浮盤上的自動通氣閥被頂開，油氣空間直接與大氣相通，所以此混合氣的爆炸極限采用含有氧氣的混合氣體爆炸極限計算方法計算。需要扣除氧含量及按空氣的氧氮比例求得的氮含量，重新調整混合氣體中各組分的體積分數，得到該混合氣的無空氣基組成后使用Le Chatelier法則進行計算，其計算公式為

式中：L為混合氣體的爆炸下（上）限，%；y1、y2、…、yn為混合氣體中各可燃組分的體積分數；L1、L2、…、Ln為混合氣體中各可燃組分的爆炸下（上）限體積，%。計算得出爆炸下限為13.54%，爆炸上限為64.53%。此樣品油氣濃度16%處于爆炸極限范圍內，存在爆炸的安全隱患。

爆炸極限不是一個固定范圍，而是受油氣成分和濃度變化所影響的一個動態范圍。油品在與大氣相交換的過程中，不同條件下存在不同的飽和蒸氣壓，油氣的成分和濃度隨溫度、蒸發空間和風力的變化而變化，不同條件下的油氣樣品可能存在不同的爆炸極限。而處在爆炸極限范圍內的油氣已被實驗證實，這說明浮盤落底后存在爆炸的風險，而目前沒有任何的監管措施是針對浮盤落底的，這將給石油化工企業帶來重大的安全隱患，后續必須拿出針對性的安全措施，保障企業安全生產。

1.3 油氣濃度監測

根據一日溫度變化情況，因21點后到日出前溫度變化較小，故選取了每日的6時、9時、12時、15時、18時和21時6個時間節點進行監測。油品的蒸發空間以浮盤落底后油品的液位為根據，以浮盤下端至罐體底部垂直高度為基準，在罐內油品液位達到3/4、1/2、1/4液位時分別進行檢測，每個液面高度停留48 h，對應3個不同大小的油氣空間，結合企業實際工作情況進行了為期6天的定點定時檢測，期間檢測數據有風力、溫度和浮盤下方油氣濃度。

圖3展示了油氣濃度的監測結果。對比圖3（a）、圖3（c）、圖3（e），圖3（b）、圖3（d）、圖3（f）可以對油氣蒸發空間大小影響進行分析。觀察發現，在各個液位數據中的溫度與風速比較接近的時間節點，油氣濃度也十分接近，從整體上看，油氣濃度波動范圍也較為均衡，除去較大風力影響導致的油氣濃度極低的數據點，其余數據點顯示的油氣濃度都處于同一范圍內。

圖3 油氣濃度監測數據結果

對比圖3（a）、圖3（c）、圖3（e）可以發現，溫度影響較為顯著。油氣濃度的變化曲線與溫度的變化曲線在變化趨勢上有很大的同向性。總體來看，溫度升高時油氣濃度升高，溫度降低時油氣濃度降低。這是因為外界溫度的變化對油品的揮發有重要影響。溫度升高時，油品內輕組分的飽和蒸氣壓會提高，更多的輕烴會有蒸發汽化的趨勢，以確保油液面上方的汽相壓力與新的飽和蒸氣壓達成一個新的動態平衡，從而使得油氣濃度上升。另一方面，隨著溫度的增加，原油內部液相遷移的阻力減弱，揮發分子的環境擴散速度增加，同樣導致了油氣濃度的上升。

對比圖3（b）、圖3（d）、圖3（f）可以發現，風力大小對油氣濃度變化的影響較為顯著。因為浮盤落底后浮盤上方自動通氣閥被頂開，整個浮盤下方油氣空間直接與大氣相通，所以外部風力的變化會直接影響到浮盤下方油氣空間。當風力達到強風級，風速達到10 m/s以上時，油氣濃度出現了明顯的下降。當風力未達到強風級，風速處于10 m/s以下時，風力對油氣濃度變化的影響并不顯著。

綜上所述，若要控制油氣空間內的油氣濃度，從溫度與風力兩點入手進行控制可取得較好成效。

1.4 管控措施

因浮盤落底作業是企業無法避免的，而落底后又存在爆炸的危險，如何進行管控顯得尤為重要。管控措施主要從三方面入手：1）控制油氣濃度，使其低于爆炸下限或不滿足燃燒條件；2）對助燃劑進行人為干預，使其無法達到燃燒條件；3）嚴格管控著火源。

1.4.1 控制油氣濃度

當浮盤落底后，企業可設置可燃氣體檢測探頭對油氣進行實時監測，一旦濃度過高，必須采取管控措施。管控措施可從溫度與風力入手：1）應盡量避免浮盤在高溫無風天氣落底，相比之下，在低溫、大風天落底作業的安全性更高；2）可對罐壁進行噴淋降溫，使得內部油氣空間的溫度下降，使油氣濃度降低。

1.4.2 控制助燃劑氧氣濃度

因浮盤落底，浮盤上的自動通氣閥被頂開，下方油氣與大氣相通，油品揮發增多，與外界產生強烈的氣體交換，油氣空間內涌入大量的空氣，這其中便包含了助燃劑氧氣。控制氧氣的濃度使其無法達到燃燒條件，即可阻止燃燒。企業可在浮盤落底后安裝氧含量檢測探頭，配合惰性氣體置換系統，實時監測氧氣濃度，當氧氣濃度達到燃燒條件時，往該油氣空間內沖入惰性氣體（如氮氣），從而達到降低氧氣濃度、阻止油氣燃燒的目的。

1.4.3 嚴格管控著火源

若可燃物與助燃劑均達到燃燒與爆炸條件，著火源便是最后一道保險。在著火源管控上應嚴格落實企業各項安全制度，密切管控各項火源，特別是要按照企業操作規程采取措施以降低靜電積聚和加速靜電消散，如浮盤落底后油品進出的流速不得大于1 m/s、油品禁止攪拌、各種罐上作業需在收發油結束1 h后進行等。

2 結論

目前對儲油罐浮盤落底的研究非常有限，沒有規范的管控措施,而落底又是無法避免的，這就存在較大的安全隱患。本文以便攜式氣體檢測儀和氣相色譜儀證實了浮盤落底后浮盤與油液面之間形成的油氣積聚空間存在爆炸的可能性，浮盤落底作業必須重視。針對浮盤落底作業，設置了油氣蒸發空間、風力和溫度3個影響因素，對油氣濃度進行了全天定時定點的監測，結果發現風力和溫度對控制此油氣空間的油氣濃度影響較為顯著。為應對浮盤落底作業的安全隱患，提出了控制油氣和助燃劑的濃度、嚴格管控著火源等有效建議。