陜北地區(qū)外浮頂原油儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

袁瑞華

陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）管道運(yùn)輸公司

陜西延長(zhǎng)石油已有120 年歷史，原油產(chǎn)量穩(wěn)定在1 200×104t/a 以上，油田公司、煉化公司、管道運(yùn)輸公司共有外浮頂原油儲(chǔ)罐約200 座，容量最大的有6×104m3，最小的有2×104m3，大罐和小罐油氣揮發(fā)規(guī)律趨勢(shì)是相同的。但是，至今為止，陜西延長(zhǎng)石油的外浮頂原油儲(chǔ)罐從未做過(guò)對(duì)油氣揮發(fā)規(guī)律的研究，國(guó)內(nèi)其他油田、煉化、管輸、儲(chǔ)運(yùn)等公司文獻(xiàn)上也未查到做過(guò)外浮頂原油儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)規(guī)律的詳細(xì)研究情況，未做更多深入研究[1-2]。主要原因有五個(gè)方面：①該實(shí)驗(yàn)研究周期長(zhǎng)，至少1 年內(nèi)要做52 天，而且要選環(huán)境溫度高、風(fēng)速高的每月每周內(nèi)的某一天；②該實(shí)驗(yàn)研究非常復(fù)雜，因?yàn)橛蜌鈸]發(fā)濃度是個(gè)非穩(wěn)態(tài)變量，影響其變化因素較多，例如原油物性、流變性、密度、含水率、含雜質(zhì)、原油溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)速、油面靜或動(dòng)、進(jìn)油及出油流速、液位、光照時(shí)間、密封圈質(zhì)量或老化情況等；③科研單位、設(shè)計(jì)單位、高校等單位無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間赴儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)做研究；④企業(yè)技術(shù)人員在重大危險(xiǎn)源儲(chǔ)罐頂長(zhǎng)期做此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究有非常大的安全隱患，上罐頂實(shí)驗(yàn)無(wú)絕對(duì)安全控制保障措施，一旦出現(xiàn)意外將對(duì)人身安全造成重大威脅；⑤罐頂實(shí)驗(yàn)環(huán)境惡劣，每次上罐頂約40 m 梯程，在罐頂6 個(gè)點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)，每周選做1 天，每座罐每年要做2 304次實(shí)驗(yàn)，工作量較大。

由此可見(jiàn)，該實(shí)驗(yàn)研究工作非常危險(xiǎn)、復(fù)雜和困難。目前外浮頂原油儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)安全隱患的風(fēng)險(xiǎn)管控沒(méi)有做到理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐驗(yàn)證理論、事先預(yù)防和管控，這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期得不到實(shí)質(zhì)性解決，其危害不可估量。例如，人員日常上外浮頂原油儲(chǔ)罐罐頂作業(yè)、巡檢、打掃衛(wèi)生、維修維護(hù)附件、取樣等，隨時(shí)可能發(fā)生意外情況，存在安全隱患。另外，響雷打閃也能引起外浮頂原油儲(chǔ)罐罐頂密封圈起火、爆炸、油品泄漏等事件，國(guó)內(nèi)已有案例，危害相當(dāng)嚴(yán)重。外浮頂原油儲(chǔ)罐的油氣揮發(fā)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染、對(duì)資源造成嚴(yán)重浪費(fèi)。

針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)法、比較法、圖示法、篩選法、歸納法等方法探索研究陜北地區(qū)外浮頂原油儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)規(guī)律，根據(jù)油氣揮發(fā)規(guī)律給出儲(chǔ)罐安全隱患風(fēng)險(xiǎn)管控建議，指導(dǎo)上罐人員安全作業(yè)；給大型外浮頂原油儲(chǔ)罐應(yīng)用主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)（給儲(chǔ)罐一、二次密封圈注氮?dú)猓♂層蜌鉂舛然蜓鯕鉂舛龋┘坝蜌饣厥昭b置，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐雷擊爆炸、起火、燃燒、污染環(huán)境、危害人身安全與健康等風(fēng)險(xiǎn)管控，人員也可隨時(shí)上罐安全工作，減少儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)濃度，保護(hù)了周邊環(huán)境。可見(jiàn)，研究外浮頂原油儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)的規(guī)律對(duì)國(guó)內(nèi)外浮頂原油儲(chǔ)罐隱患風(fēng)險(xiǎn)管控起到了很重要的作用。

1 實(shí)驗(yàn)研究目的

利用實(shí)驗(yàn)得出陜北地區(qū)外浮頂原油儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)的最大濃度，判斷其是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，是否影響和危害周邊環(huán)境。通過(guò)對(duì)陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司管道運(yùn)輸公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)延長(zhǎng)石油）洛川末站6 座容量為5×104m3外浮頂原油儲(chǔ)罐（圖1）一、二次密封裝置之間的氣相空間進(jìn)行采樣分析，獲取在不同時(shí)間段、不同環(huán)境溫度、不同風(fēng)速下油氣的揮發(fā)規(guī)律，為儲(chǔ)罐安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。找出陜北地區(qū)外浮頂原油儲(chǔ)罐油氣揮規(guī)律，為今后儲(chǔ)罐安全管理、運(yùn)行、技術(shù)研究做依據(jù)，避免油氣中毒、窒息、靜電起火、雷擊起火等意外事件發(fā)生。

圖1 洛川末站6 座外浮頂原油儲(chǔ)罐外觀Fig.1 Appearance of 6 external floating roof crude oil storage tanks at Luochuan Terminal Station

2 實(shí)驗(yàn)研究條件

主要設(shè)備：溫度計(jì)、便攜式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀（絕對(duì)防爆型）、便攜式可燃?xì)怏w報(bào)警儀（絕對(duì)防爆型）、風(fēng)速測(cè)試儀、專(zhuān)用罐頂作業(yè)工作服、應(yīng)急設(shè)備（包括提前系在罐頂防護(hù)欄上的逃離防火繩，繩長(zhǎng)度大于罐頂距地面高度）等；選取標(biāo)準(zhǔn)滿罐外浮頂原油儲(chǔ)罐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，原油液位不低于17 m，因?yàn)樽罡咭何幌鄬?duì)油氣揮發(fā)濃度最高，風(fēng)險(xiǎn)最大；原油溫度在30～45 ℃之間；原油含水率不大于1%；儲(chǔ)罐的一、二次密封圈無(wú)老化間隙變大、刮油不凈的情況；此外，不滿足以上條件的另做研究實(shí)驗(yàn)。在儲(chǔ)罐不進(jìn)油或出油基本靜態(tài)的情況下，進(jìn)行日間10 h 數(shù)據(jù)測(cè)試，上罐實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須保證上罐人員作業(yè)的安全，防爆措施、應(yīng)急預(yù)案等需滿足標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、制度的要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 篩選出油氣揮發(fā)濃度最高的儲(chǔ)罐

對(duì)洛川末站6 座儲(chǔ)罐的密封圈內(nèi)油氣氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，選出油氣揮發(fā)濃度最高的儲(chǔ)罐作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 6 座儲(chǔ)罐的密封圈內(nèi)油氣氣體濃度測(cè)試情況Tab.1 Measurement of oil and gas concentration in sealing rings of 6 storage tanks

由表1 可知，G02 儲(chǔ)罐油氣濃度最高，主要原因是液位最高，日照時(shí)間相對(duì)最長(zhǎng)；其余儲(chǔ)罐油氣濃度都較低。故選取G02 儲(chǔ)罐作為本項(xiàng)目的研究對(duì)象，進(jìn)行全年的油氣濃度檢測(cè)研究。

3.2 G02 儲(chǔ)罐全年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采樣點(diǎn)為罐頂均勻分布的6 個(gè)點(diǎn)，互成60°角，將6 個(gè)點(diǎn)或6 個(gè)小孔（DN8）布置在罐頂二次密封圈上，委托專(zhuān)業(yè)安全消防設(shè)計(jì)施工甲級(jí)單位，采用絕對(duì)防爆工藝，按照標(biāo)準(zhǔn)要求在罐頂二次密封圈上開(kāi)孔，6 個(gè)小孔采樣后用絕對(duì)防爆銅制螺栓或螺釘封孔；檢測(cè)時(shí)間為期1 年，從2020 年6 月3 日開(kāi)始至2021 年5 月31 日。檢測(cè)間隔周期為1 周選做1 次，累計(jì)1 年內(nèi)共52 周選做52 次；技術(shù)員持便攜式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀按照規(guī)定時(shí)間在采樣孔處感應(yīng)儲(chǔ)罐一、二次密封圈處揮發(fā)出的油氣濃度，待可燃?xì)怏w檢測(cè)儀讀數(shù)穩(wěn)定后，拍照數(shù)據(jù)圖片并立即在實(shí)驗(yàn)表上記錄對(duì)應(yīng)數(shù)值，52 次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全部收集錄入到《油氣揮發(fā)規(guī)律試驗(yàn)研究報(bào)告》，該數(shù)據(jù)原始照片、記錄和報(bào)告永久保存，為后期儲(chǔ)罐生產(chǎn)運(yùn)行提供參考。本次節(jié)選其中12 周每月1 次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2～表13）。

表2 第1 周6 個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.2 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 1st week

表3 第5 周6 個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.3 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 5th week

表4 第9 周6 個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.4 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 9th week

表5 第13 周6 個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.5 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 13th week

表6 第18 周6 個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tal.6 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 18th week

表7 第23 周6 個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tal.7 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 23rd week

表8 第27 周6 個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.8 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 27th week

表9 第31 周6 個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.9 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 31st week

表10 第35周6個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.10 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 35th week

表11 第39周6個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.11 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 39th week

表12 第44周6個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.12 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 44th week

表13 第48周6個(gè)采樣點(diǎn)油氣揮發(fā)濃度測(cè)試情況Tab.13 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 48th week

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可得出G02 儲(chǔ)罐全年在08:00～18:00 時(shí)段每小時(shí)各采樣點(diǎn)的油氣揮發(fā)曲線圖572個(gè)，選出最能反映問(wèn)題的2 個(gè)圖進(jìn)行分析。從圖2、圖3 可以看出G02 號(hào)儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)的規(guī)律。

圖2 G02 儲(chǔ)罐全年在12:00 時(shí)段各采樣點(diǎn)的油氣揮發(fā)曲線Fig.2 Oil and gas volatilization curve of each sampling point at 12:00 in the whole year of G02 storage tank

圖3 G02 儲(chǔ)罐全年在13:00 時(shí)段各采樣點(diǎn)的油氣揮發(fā)曲線Fig.3 Oil and gas volatilization curve of each sampling point at 13:00 in the whole year of G02 storage tank

4 儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)規(guī)律

（1）儲(chǔ)罐每季度油氣揮發(fā)規(guī)律（特殊天氣除外）：4 季度＜1 季度＜3 季度＜2 季度，儲(chǔ)罐在冬季夜間處于靜止?fàn)顟B(tài)。

（2）儲(chǔ)罐每月油氣揮發(fā)規(guī)律（特殊天氣除外）：根據(jù)G02 號(hào)儲(chǔ)罐全年油氣濃度分析，1～6 月隨環(huán)境溫度（-10～33 ℃）逐漸升高，油氣揮發(fā)濃度總體上升。6 月份油罐的油氣揮發(fā)濃度最高，最高達(dá)到102%LEL，油氣濃度已達(dá)到爆炸極限；在6～9月期間且環(huán)境溫度在25～33 ℃之間，油氣揮發(fā)濃度整體降低；9～10 月期間且環(huán)境溫度在25 ℃左右，油氣揮發(fā)濃度整體保持不變；10～12 月期間且環(huán)境溫度在10～25 ℃，油氣揮發(fā)濃度整體降低，最低達(dá)到0 LEL。

（3）儲(chǔ)罐每天油氣揮發(fā)規(guī)律（特殊天氣除外）：從G02 油氣揮發(fā)曲線可以看出，除個(gè)別采樣點(diǎn)異常外，大多數(shù)由于白天溫度高，油氣揮發(fā)濃度比晚上高。從8:00 開(kāi)始，隨著氣溫的升高，油氣揮發(fā)濃度逐漸升高，10:30～15:30 油氣揮發(fā)濃度達(dá)到最高102%LEL，15:30 后隨著氣溫的降低，油氣揮發(fā)濃度逐漸降低。

（4）儲(chǔ)罐每時(shí)油氣揮發(fā)規(guī)律（特殊天氣除外）：根據(jù)表1～表7 可看出，油氣揮發(fā)濃度受氣溫的影響較為明顯。隨著氣溫的升高，油氣揮發(fā)濃度逐漸升高：8:00 油氣揮發(fā)濃度為0～25%LEL；9:00油氣揮發(fā)濃度為0～26%LEL；10:00 油氣揮發(fā)濃度為0～31%LEL；11:00 油氣揮發(fā)濃度為1%～55%LEL；12:00 油氣揮發(fā)濃度為2%～78%LEL；13:00 油氣揮發(fā)濃度為0～102%LEL；14:00 油氣揮發(fā)濃度為0～90%LEL；15:00 油氣揮發(fā)濃度為0～91%LEL；16:00 油氣揮發(fā)濃度為0～81%LEL；17:00 油氣揮發(fā)濃度為0～64%LEL；18:00 油氣揮發(fā)濃度為0～52%LEL。在08:00～13:00 之間氣溫逐漸升高達(dá)到最高，此時(shí)段的油氣揮發(fā)濃度也遞增到最大值，到13:00時(shí)油氣揮發(fā)濃度最高達(dá)到102%LEL，已達(dá)到爆炸的臨界條件，此時(shí)一旦遇到火源即刻發(fā)生爆炸。而在13:00～18:00 之間氣溫逐漸降低，此時(shí)段的油氣揮發(fā)濃度整體下降，但在15:00 出現(xiàn)拐點(diǎn)，油氣揮發(fā)濃度又略微升高，大于14:00 的油氣揮發(fā)濃度。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)按照外浮頂原油儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)規(guī)律上罐頂工作。在儲(chǔ)罐頂打掃衛(wèi)生、巡檢、維修維護(hù)儲(chǔ)罐附件及取油樣等工作時(shí)，盡量選在8:00 以前或18:00 以后進(jìn)行，11:00 至15:00 不宜上罐頂工作，特別是在2 季度6 月及3 季度7～9 月每天12:00～13:00 更不要輕易上罐頂工作，避免油氣中毒、窒息、靜電起火等意外事件發(fā)生。

（2）針對(duì)外浮頂原油儲(chǔ)罐在6 月份的油氣揮發(fā)濃度最高達(dá)到102%LEL 的爆炸極限，需提前做好3項(xiàng)應(yīng)急措施：①輸油站模擬啟動(dòng)應(yīng)急處置程序，站控崗人員及時(shí)查看SCADA 系統(tǒng)監(jiān)控情況，若發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐液位在17 m 以上，立即通知外輸崗人員切換倒灌流程或外輸流程，將該儲(chǔ)罐原油及時(shí)倒出一部分或外輸一部分，抑制或減少油氣揮發(fā)；②輸油站模擬啟動(dòng)重大危險(xiǎn)源專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案或模擬啟動(dòng)儲(chǔ)罐著火一級(jí)預(yù)案，即先啟動(dòng)儲(chǔ)罐噴淋冷卻水系統(tǒng)給儲(chǔ)罐降溫，抑制油氣揮發(fā)，同時(shí)，檢查消防泵、泡沫液等是否完好，一旦著火立即停止一切倒油或輸油流程，啟動(dòng)泡沫滅火系統(tǒng)滅火；③模擬啟動(dòng)分公司級(jí)綜合應(yīng)急預(yù)案，出動(dòng)消防車(chē)參與應(yīng)急救援。另外，6 月份降低油氣揮發(fā)濃度的辦法是頻繁切換站內(nèi)倒灌流程，降低油罐液位。

（3）給大型外浮頂原油儲(chǔ)罐推廣應(yīng)用主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)[3-10]。不進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)時(shí)油氣揮發(fā)濃度最高能達(dá)到102%LEL，研究表明當(dāng)采用主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)后，濃度被控制在10%LEL，主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)既減少了油氣揮發(fā)對(duì)環(huán)境的污染程度，又降低了儲(chǔ)罐雷擊可能引起爆炸、起火、燃燒等的風(fēng)險(xiǎn)，也降低了人員上罐工作的風(fēng)險(xiǎn)，人員可以隨時(shí)上罐頂工作。

（4）企業(yè)可以考慮給外浮頂原油儲(chǔ)罐改造安裝先進(jìn)油氣回收裝置，或者結(jié)合實(shí)際研發(fā)設(shè)計(jì)出專(zhuān)用的外浮頂原油儲(chǔ)罐先進(jìn)油氣回收裝置，充分回收外浮頂原油儲(chǔ)罐揮發(fā)的油氣[11]，保護(hù)環(huán)境，預(yù)防工作人員油氣中毒或患慢性職業(yè)病的風(fēng)險(xiǎn)。