大型儲罐本質安全設計技術應用研究

魏有財 李 鵬 鄒環宇 王 寧 吳大剛

（1. 廊坊中油朗威工程項目管理有限公司，河北 廊坊 065000；2. 中油國際管道有限公司中緬管道項目，北京 100029；3. 國家管網集團北方管道有限責任公司大慶輸油氣分公司，黑龍江 大慶163000；4. 國家管網集團北方管道有限責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

隨著我國經濟快速發展及對油氣需求量逐年增加，儲罐設施在石油工業和國家能源戰略中的重要性日益凸顯。近年來先后建設鎮海、舟山、黃島和大連等國家石油儲備庫，庫容量均在數百萬方，大型浮頂儲罐容積高達15×104m3。由于油品介質易燃易爆性，儲罐屬于重大危險源，如發生火災爆炸事故，形成多米諾連鎖反應，對人員生命、國家財產和環境造成嚴重危險。2006～2007年儀征油庫、鎮海石油儲備庫、白沙灣油庫發生儲罐雷擊著火事故，2010年大連“7.16”輸油管道及油庫火災爆炸事故[1]。2022版《安全生產法》實施加大對石油行業重大事故責任處罰力度。應系統總結典型儲罐事故經驗教訓，調研國內外儲罐本質安全最佳工程實踐，提高油庫企業抵御防范風險能力，降低儲罐重特大事故和環境污染事件。

1 儲罐火災事故案例統計分析

統計2000～2013年國內外發生83次儲罐火災爆炸事故。按照儲罐類型，內/外浮頂儲罐、固定頂儲罐分別占比36.2%、27.7%和30.1%，內浮頂儲罐儲存汽油等易揮發、低閃電輕質油品，浮頂上方聚集可燃氣體爆炸空間。固定頂儲罐儲存柴油油品形成爆炸氣體空間。外浮頂儲罐主要是雷擊著火，其次是溢油和浮頂失穩/沉沒。按照事故主要原因分類為：

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

（2）設備故障/溢油/泄漏。液位計故障導致過量充裝。2005年英國Buncefield油庫火災爆炸事故是歐洲至今最嚴重的工業火災爆炸事故，損壞23座大型儲罐，根本原因是儲罐監控系統失效，計量系統故障，液位報警系統未正常啟動，儲罐邊緣板設計缺陷形成油品傾瀉、撞擊，形成大范圍油氣混合物，發展蔓延為儲罐群火災；

（3）靜電。例如靜電導線接觸不良或腐蝕斷裂，低液位浮頂下降時油品進出儲罐流速過快，計量、取樣過程中產生靜電。2003年4月，美國俄克拉荷馬州Glenpool油庫儲罐由于進油管道高流速在集油池湍流產生靜電，發生火災事故及另外2座儲罐受損；

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

（5）違章操作施工。儲罐檢修時罐內形成爆炸性氣體環境；焊接動火作業現場安全措施未落實產生明火。2010年大連7.16輸油管道火災爆炸事故，經濟損失2.2億元，1名消防人員死亡，輸油管道、儲罐、閥門、泵和電力系統損壞，約100m3原油流入海域。事故原因在油輪暫停卸油作業情況下繼續向輸油管道中注入含強氧化劑的原油脫硫劑，造成管道爆炸。

2 儲罐本質安全設計技術基本原則

儲罐建設規模大型化、集群化，對設計施工和運行管理提出嚴苛要求，10×104m3儲罐與5×104m3儲罐是否采用相同消防系統設計等級和管理維護要求及溢油處理防滲環境保護。三級防控系統設計方法代表了儲罐本質安全發展趨勢，基本思想是一級系統：儲罐和工藝管道；二級系統：儲罐液位報警系統以及儲存事故狀態下從儲罐泄漏油品、泡沫液和消防水的防火堤；三級系統：預防泄漏油品溢流至罐區外或者滲入地下的臨時性儲存設施，例如排水系統、圍墻、道路或者障礙物等，在罐區內設置溢流油品排液通道，在罐區外劃定專用區域設置事故應急池。針對事故應急池設置原則及做法還未形成統一公認觀點。俄羅斯做法是距離油庫200m內存在居民區、工廠、鐵路/公路和河流湖泊，應設置油品應急儲存設施。

3 儲罐本質安全設計技術對標及應用

通過開展國內外標準對標、國外最佳工程實踐咨詢，針對儲罐安全運行關鍵技術問題開展研究，包括防火堤材質容量、儲罐安全距離，在國內標準改進和工程應用取得積極成果。

3.1 儲罐安全距離

儲罐間距是油庫平面設計最重要的技術參數。為降低儲罐區火災事故風險和相互影響，避免密集布置，應確定合理儲罐防火距離，其基本原則是控制火災蔓延、方便消防設備高效滅火并考慮著火儲罐對相鄰儲罐熱輻射危害。國家標準GB 50074規定固定頂儲罐和內浮頂儲罐安全距離為1.0D，外浮頂儲罐安全距離為0.8D，其中D為相鄰儲罐中較大儲罐的直徑。美國標準NFPA 30-2016規定儲罐直徑大于45m，浮頂罐安全距離為相鄰儲罐直徑之和1/4（0.5D）。我國儲罐安全距離標準大于國外標準，但儲罐選址涉及土地規劃、社會環境和經濟成本，應在遵循標準基礎上，基于可接受風險準則確定科學合理儲罐間距。

GB 50074關于儲罐安全距離規定適用撲救密封圈中小規模火災，不滿足儲罐全面積敞口火災的安全要求，應根據儲罐池火熱輻射模型，計算臨界熱輻射強度對應的儲罐安全距離，綜合考慮防火堤面積和消防設施能力。研究表明，中小型儲罐受熱輻射危害性更大，儲罐容積小于10×104m3儲罐安全距離應在GB 50074基礎上適當增加；大型儲罐本體安全性更高，儲罐容積大于10×104m3，GB 50074規定的安全距離滿足使用要求。

3.2 儲罐液位報警聯鎖系統

儲罐液位報警系統設有高-高液位、高液位、低-低液位和低液位報警信號，液位計在極端低溫條件下易發機械故障、誤報警問題。鑒于英國Buncefield油庫火災爆炸事故經驗教訓，儲罐液位監控系統設計原則包括：

（1）應獨立于油庫運行監控系統和計量系統（含人工測量），不依靠遠程控制和通信條件下及時關閉油品輸送，防止儲罐溢流；

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

3.3 防火堤

國內外多次儲罐火災事故暴露出防火堤設計標準偏低，例如容量不足、強度差等問題。針對防火堤容量，國內在役儲罐存在防火堤容量偏小（小于儲罐容積）的問題。GB 50074規定防火堤有效容積不應小于罐組內一個最大儲罐的容量。美國標準NFPA 30-2016《易燃和可燃液體規范》規定防火堤容量應為最大儲罐體積，并附加消防液量和雨水余量（通常為儲罐容積的10%）。可以看出國外標準規定防火堤容量更大更合理。

針對防火堤強度，除考慮油品靜壓力，還應考慮儲罐瞬間破裂時油品傾瀉對防火堤的沖擊載荷，例如1×104m3儲罐罐內液面12m，在1.5m處產生3m裂口，油品傾瀉8.5s后防火堤內油品深度1.4m，防火堤內側流速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堆土以增強防火堤抗沖擊力。

針對防火堤材質，國內采用混凝土堤或者磚石結構防火堤，火災狀態下坍塌或碎裂失效。混凝土在500℃時強度降低50%，在800℃下強度全部消失。原油燃燒火焰中心溫度高達1500℃。2005年英國Buncefield油庫火災爆炸事故中，混凝土防火堤密封劑在長時間火焰炙烤下熔化，防火堤墻體及管道穿越處產生多處裂縫漏點，大量油品和消防水流至罐區外河污染。美國和俄羅斯選用抗燃燒性能和密封性好的土質防火堤。

3.4 儲罐控制閥

事故狀態下消防泵、閥門、儀表控制系統可靠，對于防止事故蔓延擴大至關重要。國內儲罐緊急切斷閥一般位于防火堤內，且為手動閥門，存在問題是火災事故條件下人員不能手動關閉切斷油源，造成火災蔓延擴大。調研加拿大Enbridge公司儲罐緊急切斷閥在防火堤外，且為電動閥門，配置耐火耐高溫鎧裝電纜，系統可靠性高。

3.5 儲罐區防滲設計

國內新建儲罐罐區防滲設計非強制性規定，儲罐火災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油庫火災爆炸事故中，儲罐區地面產生多個滲漏點，油品和消防液滲入地下和附近河造成水體污染。加拿大標準CSA Z662-2015《油氣管道系統》規定做法是再罐區地面以下1m處做防滲設計，從下向上依次鋪設防滲膜、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，鋪防滲膜，外覆碎石。

4 結論和建議

鑒于儲罐建設規模大型化和集群化發展趨勢，提高儲罐安全設計水平和應急保障能力非常必要。大型儲罐本質安全設計技術首先保證儲罐和工藝管道系統的可靠性和完整性，例如優化儲罐間距布局、優化控制閥位置、提高監控儀表可靠性等；其次減少油品滲漏、泄漏污染環境的可能性，例如優先采用土堤并進行防滲設計、設計溢油圍控和儲存設施等。新建儲罐在考慮選址、土地征用和環境條件，除滿足國家標準GB 50074-2014《石油庫設計規范》要求，推廣應用儲罐本質安全設計方法，在設計階段充分考慮失效因素和后果影響，保證儲罐運行安全可靠。