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  • 大型储罐设计和运行标准若干问题探讨
  • 云顶国际登录官网编辑:浙江南化防腐设备有限企业发布日期:2020-07-06 15:56 浏览次数:

1前言

随着我国原油战略储备项目实施,储罐发展趋于大型化。研究借鉴美国API 650《焊接钢制石油储罐》、日本JIS B8501《焊接钢制石油储罐》等国外标准中单双盘浮顶选用、罐壁厚度、抗风圈设计和抗震设计等做法,我国已掌握15×104 m3大型储罐的设计建设技术。但近年来储罐事故时有发生,例如2010年7月16日大连油库发生火灾爆炸事故、2006年8月7日仪征输油站油罐发生雷击火灾事故。为了从根源上杜绝储罐事故,应持续研究国外储罐设计和运行标准的先进经验,应用于改进我国标准,特别是美国和俄罗斯等管道行业发达国家。本文重点针对储罐运行管理和安全消防,选择了美国、俄罗斯等以及美国石油学会(AmericanPetroleum Institute,API)、美国消防协会(National Fire Protection Association,NFPA)等标准化组织的储罐设计和运行标准,并与我国的相关标准进行了对比。研究结果对于改进我国储罐设计标准和提升储罐运行管理水平具有参考价值。

2国内外储罐设计和运行标准

我国储罐设计和运行标准有GB 50183-2004《石油天然气工程设计规范》、GB 50341-2014《立式圆筒型钢制焊接油罐设计规范》、GB 50074-2014《石油库设计规范》、GB 50351-2014《储罐区防火堤设计规范》,行业标准SY/T 4080-2010《管道、储罐渗漏检测方法》等。

美国石油学会API储罐标准有API Std650-2013《钢制焊接石油储罐》、API Std2610-2610《转运油库和储罐设施的设计、施工、操作、维护和检验》、APIRP2016—2001(R2006)《进入与清理储油罐指南与程序》、API Std 653-2014《油罐检验、修理、改造和翻建》、APIRP2021—2001(R2006)《常压储罐的灭火处理》、API RP12R1-1997(R2008)《采油用储罐的安装、维护、检验、操作和维修的推荐作法》。此外,美国消防协会NFPA标准NFPA30-2012《易燃和可燃液体规范》也具有较高权威性和通用性。俄罗斯代表性储罐标准的是РД 153-39.4-078-2001《干线石油管道和油库的储罐的技术运营的准则》、Правила-2004《储罐技术运营规则》等。

3储罐安全附件设计

3.1 储罐钢材

目前国内浮顶罐罐壁和罐底边缘板均使用屈服强度为490MPa的高强度钢板,国产12MnNiVR钢板和进口SPV490Q钢板在化学成分、力学和工艺性能等方面基本一致。低温焊接工艺评定、消除焊后热应力以及提高钢板综合质量稳定性(外观、平整度、内应力等)是未来发展方向。以储罐钢材设计温度为例,国外标准比我国的标准更为严格。例如,API Std650规定设计温度应比储罐所在地区最冷日平均环境温度高8℃,GB 50341规定设计温度应比储罐所在地区最低日平均温度值高13℃。中俄原油管道通过高寒冻土地区,应借鉴国外标准提高储罐钢材设计条件。

3.2 储罐液位计

一般采用浮磁式液位计结合人工检尺的方法确定储罐液位。由于储罐区规模大、人工检尺不及时,加上液位计在低温条件下的机械故障、误报警等原因,可能导致储罐液位过高事故。储罐液位计一般设有低液位、高液位和高-高液位开关,但仅具有报警功能。我国标准对储罐是否设置冗余液位计无相关规定。例如,GB 50183规定储罐液位计的高液位报警信号应与输油泵设定为自动联锁保护状态,报警信号触发紧急停泵以切断供油。俄罗斯标准Правила规定储罐应至少采用2个最高液位报警器,以确保发送接收、切断油品以及停止泵运行的信号;浮顶罐至少安装3个可同时工作的信号报警器,如不能满足,则应设置溢流设备、备用储罐或泄放管道等。针对液位计冗余配置,俄罗斯标准更为严格。针对新建储罐应借鉴俄罗斯标准,强制设定储罐液位联锁保护,确保液位计的正常工作和故障状态下均可以准确检测储罐液位数据。

3.3 储罐控制阀

国外储罐控制阀一般在防火堤外且为电动阀门,而我国的储罐控制阀较多位于防火堤内且多为手动阀门,在火灾事故状态下难以切断油源,进而导致灾难性后果。建议我国标准明确规定储罐控制阀安装在防火堤外部,已安装在防火堤内的储罐紧急切断阀,应具备在防火堤外部操作的功能,并选用耐火耐高温铠装电缆等。

3.4 内浮顶储罐浮盘状态监视

浮盘沉没是浮顶罐运行中较常见的事故,浮盘缺陷是内因,储罐操作失误是外因。在储罐操作过程中,如果能有效检测浮盘状态则可避免浮盘事故,但是对内浮顶储罐浮盘状态监视,我国标准无规定。俄罗斯标准РД 153-39.4-078规定利用罐顶通光孔检查内浮盘状况;俄罗斯标准Правила规定浮顶罐浮盘上应设置有害气体远控报警器和浮盘高位报警器,利用通光孔查看浮盘状况每月至少1次。该方法简单实用,操作人员在储罐日常巡护过程中即可掌握浮盘状态,值得借鉴。

浮盘制造缺陷应在储罐建设过程中重点检验,但对防止外浮顶下沉措施,我国标准无规定,美国标准API RP2016规定防止浮盘边缘移动、防止浮盘旋转和浮顶支架可靠,这是保持浮盘稳定性的基本要求。API Std 653规定了浮盘结构完整性评定准则:在任意 645.2 cm2的面积上,罐顶板平均厚度小于2.3 mm,或浮顶板或有穿孔现象则应该进行修补或更换。API RP2021列举了外浮顶沉降原因,包括浮盘泄漏、机械故障、裂纹破裂或雪、雨水或消防用水重量过多等,建议借鉴美国标准,制定储罐浮盘稳定性评价准则,以及浮盘失效预防措施等

4 储罐消防系统设计

4.1 消防系统供电方式

储罐规模不断扩大,因此提高油库消防系统应急保障能力具有重要意义。很多油库火灾发生之初火势并不大,但由于供电系统遭到破坏,导致无备用动力源的消防系统瘫痪,造成火灾扩大。GB 50183规定油气站场消防泵应满足一级负荷供电要求,我国油库消防水泵和泡沫泵一般为双路交流供电,但是边远地区达不到一级负荷供电要求。国外使用柴油或丙烷为燃料的发电机快速启动消防泵的技术较成熟,规定柴油机油料储备量应满足消防泵连续运转时间不低于6 h的条件,以确保发生火灾和电力中断情况下驱动消防泵,这对提高油库消防系统应急保障能力具有借鉴意义。

4.2 储罐发生火灾时相邻储罐的冷却

GB 50183规定着火固定顶储罐以及距离着火油罐罐壁1.5倍直径范围内的相邻油罐应同时冷却;着火浮顶罐应冷却,其相邻油罐可不冷却。国外标准对储罐发生火灾时相邻储罐的冷却比较谨慎,储罐一般不设置水喷淋冷却系统,泡沫系统和消防水系统的应急响应侧重于扑灭着火储罐,仅对暴露于热辐射中的相邻储罐进行水冷却,例如API RP 2021规定应谨慎使用消防水量,如果火焰直接冲击暴露的罐体或者储存易燃和低闪点液体储罐罐壁受热,则应对该罐马上冷却。NFPA 30认为,在储罐发生火灾时,如用水冷却临近储罐,可能会影响着火储罐的灭火。目前,我国的储罐组隔堤设计一般为6个(2排×3个罐,即一排3个罐排成2排,或者3排×2个罐,即一排2个罐排成3排),3个储罐并排时,如果中间储罐发生火灾,则两侧相邻储罐均受热辐射的影响;国外储罐隔堤组设计一般为4个,此外防火堤容量、储罐间距较大,储罐发生火灾时对相邻储罐的影响有限。

4.3 泡沫注入方式

浮顶罐发生的火灾主要是密封圈火灾,我国的储罐普遍采用罐壁式泡沫灭火系统,这种泡沫顶部注入方式易受风力、降雨的影响,泡沫充满环形空间需要约9 min,对密封圈火灾很可能错过灭火的最佳时间。浮盘边缘式泡沫系统尚未在我国普遍应用,近年来国外研发了CFI、TankGuard、Sef等设置在浮盘边缘的独立的灭火单元。SY/T 6306(采标API 2021)规定了液下注射、半液下注射以及投影式泡沫灭火3种方式。有文献先容了伊朗某油田的储罐进行的液下泡沫灭火系统试验,泡沫装置安装在储罐底部,不易受到储罐燃烧爆炸而被损坏,泡沫从中央上浮至燃烧液面,可有效冷却原油,可以利用油罐进出油管道作为泡沫管线,因此还可节省投资。

5储罐安全设施设计

5.1 储罐安全距离

对油库与居民区、工矿企业和交通线的安全距离,国外标准比我国的标准更为严格细致,根据油品危险等级和储罐直径大小确定安全距离。NFPA 30规定,操作压力不超过17.2 kPa(表压)的A级稳定液体储罐,距离公路最小间距为罐径的1/2,距离重要建筑物距离为管径的1/6;此外,还规定了操作压力超过17.2 kPa(表压)的A级稳定液体储罐、储存具有沸溢特性的液体的储罐、储存不稳定液体的储罐与居民区、工矿企业及交通线的安全距离(A级液体是闪点低于22.8 ℃、沸点低于37.8 ℃的液体)。GB 50074规定, 1~5级油库距公路的最小间距为15~20 m,距离居民区及公共建筑物的最小间距为50~100 m。

对储罐之间的安全距离,国外标准比我国标准更为严格细致。 NFPA 30规定,储存A级稳定液体的储罐,在罐径不大于45 m时,储罐安全距离为相邻储罐直径之和的1/6;在罐径大于45 m且设置事故蓄液池时,浮顶罐安全距离为相邻储罐直径之和的1/4,固定顶安全距离为相邻储罐直径之和的1/3。GB 50074规定,固定顶储罐安全距离为0.6D,浮顶罐安全距离为0.4D(D为相邻储罐中较大储罐的直径),如果该距离大于20 m,且相邻油罐的冷却水量之和不小于45 L/s,则安全距离可取20 m。以15×104 m3浮顶罐安全距离为例,我国标准为32 m(特殊情况下取20 m),美国标准为40 m,二者差距较大。

针对储罐安全距离,国外标准该参数远大于我国标准,但是储罐规划设计涉及站场选址、土地征用、社会环境、经济规划等因素,建议参照国外标准,基于可接受风险等级对罐区进行安全分析,合理确定储罐间距。

5.2 防火堤有效容积

对防火堤有效容量,GB 50183规定固定顶储罐的防火堤有效容积不应小于油罐组内一个最大油罐的容量;对浮顶罐或内浮顶罐,防火堤有效容积不应小于油罐组内一个最大油罐容量的一半。API Std2610规定防火堤容量能容纳可能从最大储罐释放出的最大液量,并考虑蓄水池消防液容量以及降雨量;API RP 12R1规定防火堤容积至少为最大罐密闭体积加上雨水容限量(通常为罐体积的10%)。换言之,我国标准对防火堤有效容积的规定是固定顶罐区容积为最大储罐容量的100%,浮顶罐罐区容积为最大储罐容量的50%;美国标准规定防火堤有效容积为最大罐罐容积的100%~110%。建议在条件允许的情况下,防火堤有效容积应满足1座最大储罐有效容积,并考虑存储雨水及消防水量。

对储罐区(组)布置方式,GB 50074规定在同一个防火堤内最多可以布置6座10×104 m3油罐,且不超过两排。存在的问题是处于中间的两个储罐发生火灾时,对临近油罐安全造成威胁。NFPA 30规定一个防火堤内的大型浮顶油罐数量控制在4个,该规定可降低储罐在火灾情况下的热辐射对相邻储罐的影响,具有借鉴意义。

建议参考国外标准适当增加防火堤有效容积,可考虑采取加高储罐基础、适当增加防火堤顶宽度、减少隔堤内储罐数量等多种措施,提高防火堤设计等级。

5.3 储罐渗漏探测

我国标准对新建储罐工程渗漏检测较完善,例如SY/T 4080规定罐底板使用气密性试漏检查、煤油试漏检查和真空箱法试漏检查,缺点是在储罐清空和通风处理后才能进行。储罐运行过程中的泄漏探测主要依靠人工检尺与测量、罐周围油气浓度检测等。近年来国外储罐渗漏探测技术发展较快,如API Std2610列举的渗漏检测新技术包括声发射、示踪法、体积(包括质量明显变化)监控以及蒸汽传感等。其他新型的渗漏检测方法包括感官/外观探漏法、油膜探漏法、储罐基础层探漏法、地基/罐基础钻孔探漏法、电阻探漏法、地质雷达探漏法、罐基础预埋检测元件探漏法、光导纤维监测法、漏油感应电缆监测法等。

GB 50074规定储罐防火堤内宜设防渗措施,由于该条款属于非强制性要求,我国较少进行罐区防渗设计,一旦发生储罐泄漏,可能导致环境和水体污染。俄罗斯标准Правила规定,应在地表以下至少1 m地基处进行防渗处理,在一种合成防渗膜上面加铺一层最少150 mm厚的碎石,或者采用厚度为100 mm的混凝土材料,建议研究在新建储罐防火堤内应用俄罗斯防渗设计方法的可行性。

6 结论

综上所述,美国和俄罗斯储罐设计和运行标准的先进性主要表现在以下几个方面,建议我国的标准借鉴。

(1)对储罐技术指标参数,国外标准要求更加严格,例如储罐钢材设计温度、储罐安全距离、防火堤有效容积等,应当大力借鉴。

(2)对储罐液位计冗余设计、储罐控制阀门设置位置、储罐发生火灾时相邻储罐冷却等问题,国外标准设计理念更为先进,应该改进我国相关规定的设计理念。

(3)对内浮顶储罐浮盘状态监视、消防系统供电方式、储罐防渗设计等问题,国外标准有相关规定或者有相应的推荐做法,我国标准尚不明确,应进一步分析研究确定其适用性。

(4)近年来储罐消防安全技术方兴未艾,例如储罐边缘泡沫灭火系统、液下泡沫灭火技术、储罐基础钻孔探漏技术等,建议进行采标。


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