熱油拱頂罐的爆裂事故的原因分析及防護(hù)措施

摘 要：通過(guò)兩起拱頂罐爆裂事故，分析此類事故發(fā)生的共同點(diǎn)，對(duì)事故發(fā)生機(jī)理從油罐設(shè)計(jì)到收油過(guò)程中的受力分析加以推敲，找出事故發(fā)生的核心原因，從而制訂相關(guān)的防護(hù)措施，提出拱頂罐防護(hù)的新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：拱頂罐；熱油；爆裂；原因；對(duì)策；

中圖分類號(hào)：TL38+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-09-00-02

鋼制拱頂油罐被廣泛應(yīng)用于煉油廠，主要儲(chǔ)存常減壓裝置熘出的減壓蠟油和減壓渣油，設(shè)計(jì)溫度在，設(shè)計(jì)壓力。目前拱頂罐因收油造成的罐頂圈板與罐壁板爆裂的事故時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)通過(guò)分析荊門石化1008#罐和金陵石化803#罐兩起油罐爆裂事故的經(jīng)過(guò)，找出預(yù)防拱頂罐發(fā)生爆裂事故的防護(hù)措施。

一、事故經(jīng)過(guò)概述

事故一：2012年 3月8日1：00，荊門石化油品儲(chǔ)運(yùn)部1008罐（高溫罐）溫度升至120℃。操作工在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)1008#罐半自動(dòng)檢尺導(dǎo)管底部積聚有少量水滴，罐內(nèi)液位7.53米。操作工隨后進(jìn)行了脫水，有極少量的水并排凈。1：20，給總調(diào)作了匯報(bào)，調(diào)度安排裝置進(jìn)行降溫操作調(diào)整。凌晨2時(shí)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)檢尺導(dǎo)管底部積聚的水滴比上次有所增加，但油溫?zé)o變化，罐內(nèi)液位7.476米。凌晨2時(shí)45分巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)1008罐頂部周圍有大量蒸汽冒出，靠進(jìn)油口一側(cè)地面鋪有薄薄一層蠟油，操作工立即向班長(zhǎng)進(jìn)行了匯報(bào)，1008罐出現(xiàn)了突沸現(xiàn)象，請(qǐng)示廠調(diào)后，3：00將加氫蠟油改入1007#罐，1008罐恢復(fù)了正常，期間1008罐付二催化原料一切正常。事后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)1008#罐罐頂靠進(jìn)油線一側(cè)罐頂板與壁板焊縫撕裂，部分頂板變形，一段護(hù)欄脫焊掉到罐下，罐基礎(chǔ)散水沿有一定損壞。罐區(qū)防火堤內(nèi)有少量蠟油。

事故二：2012年9月22日凌晨，金陵石化油品儲(chǔ)運(yùn)部803#罐一邊收?、舫p壓熱蠟油、Ⅲ常減壓重蠟油，一邊向通過(guò)原料泵向蠟油加氫裝置付減壓蠟油原料，由于來(lái)油溫度均在100℃以上，收油作業(yè)系采用經(jīng)熱油線從油罐頂部進(jìn)罐。4：15，操作人員發(fā)現(xiàn)該罐液位表出現(xiàn)異常變化，液位顯示由3.40米突變至14.22米。4：30，原料泵出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，260萬(wàn)蠟油加氫裝置蠟油原料中斷，操作人員與調(diào)度講明情況后，將原料改至806#罐，對(duì)原料泵進(jìn)行排空后重啟機(jī)泵，使供料恢復(fù)正常。5：00操作人員檢查803#罐時(shí)，發(fā)現(xiàn)803#罐罐頂有大量氣體外溢，罐頂圈板出現(xiàn)兩處裂縫，大量蒸汽攜帶著油氣通過(guò)裂縫向外飄散。情況匯報(bào)至調(diào)度后，操作人員將收油切換至液位較低的804#罐進(jìn)行，情況恢復(fù)正常。油罐附件檢查情況：泡沫發(fā)生器玻璃盲板破碎；呼吸閥（DN250，2臺(tái)）阻火網(wǎng)暢通，閥片啟閉正常；罐頂巡檢走道輕度傾斜，立柱底部稍彎曲；人孔和排污孔的法蘭、墊片等未發(fā)現(xiàn)異常。

下圖為803#罐事故現(xiàn)場(chǎng)：

二、事故原因分析

（一）1008#罐罐頂損壞直接原因是加氫蠟油進(jìn)罐溫度高（150℃），罐內(nèi)溫度超過(guò)100℃，進(jìn)油管線中有一定量水，水進(jìn)罐后突然汽化，體積迅速膨脹使內(nèi)壓迅速升高，超過(guò)罐頂板與罐壁板焊接點(diǎn)耐壓強(qiáng)度從而破裂。

（二）803#罐罐頂撕裂是因?yàn)榇罅棵魉ㄒ簯B(tài)水蒸氣）隨餾出油進(jìn)入罐內(nèi)，罐內(nèi)氣相空間壓力急遽升高，罐頂呼吸孔泄壓不及時(shí)，引起罐內(nèi)正壓超限，導(dǎo)致消防泡沫線玻璃擋板破裂，罐頂與罐壁上緣弱焊連接處撕裂。

（三）通過(guò)兩起事故的對(duì)比分析，總結(jié)出以下幾項(xiàng)共同點(diǎn)：

1、1008#罐、803#罐均為鋼制拱頂儲(chǔ)罐，容積相同（5000m3），設(shè)計(jì)壓力相同；

2、兩臺(tái)油罐發(fā)生事故時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)基本相同，均為邊收邊付，而且收油溫度均在100度以上；

3、事故后檢查確認(rèn)，兩罐呼吸閥均處于完好狀態(tài)，無(wú)堵塞現(xiàn)象；

4、兩臺(tái)罐爆裂位置相同，均為罐頂板與罐壁板焊接處。

三、事故發(fā)生的機(jī)理

（一）油罐設(shè)計(jì)中的相關(guān)規(guī)定

1、油罐正常操作壓力下通氣量的規(guī)定

油罐在正常壓力下最大的設(shè)計(jì)通氣量一般取最大物料進(jìn)入量和環(huán)境溫度升高時(shí)呼出的氣體量之和。

2、緊急呼吸量的規(guī)定

固定頂儲(chǔ)罐的頂與壁多設(shè)計(jì)為弱連接結(jié)構(gòu)，即當(dāng)油罐內(nèi)不能滿足緊急狀態(tài)下的氣體量通過(guò)時(shí)，為了保護(hù)罐體及防止罐內(nèi)物料溢流，罐頂壁連接處會(huì)先于其他鏈接部位發(fā)生爆裂。

3、球殼設(shè)計(jì)的規(guī)定

拱頂罐的球殼需要進(jìn)行內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力強(qiáng)度校核減二外載荷作用下的穩(wěn)定校核。多數(shù)情況下，外載荷作用為主要，一般只校核外載荷作用。

綜合以上三項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)定，在拱頂罐的罐頂設(shè)計(jì)中，忽略了蒸汽由罐頂進(jìn)罐這種特殊情況，也為拱頂罐發(fā)生爆裂事故留下了隱患。

（二）拱頂罐收取熱油過(guò)程中的受力分析

1、罐頂爆裂時(shí)罐內(nèi)蒸汽分壓和流量的計(jì)算

拱頂罐的罐頂發(fā)生爆裂時(shí)，罐內(nèi)最大正壓力為油罐內(nèi)部油氣空間的蒸汽分壓力與油氣分壓之和。由于此時(shí)蒸汽產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)大于油氣分壓，因此油氣產(chǎn)生的壓力可以忽略。此時(shí)罐內(nèi)總壓（P）為以下條件：

（1）

式中 ——爆裂罐內(nèi)蒸汽總壓

——大氣壓力

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可以推算在罐頂爆裂時(shí)通過(guò)罐頂呼吸閥的流量（）：

（2）

——罐頂爆裂時(shí)呼吸閥排氣量；

——罐頂爆裂時(shí)的蒸汽溫度；

——罐內(nèi)最大正壓力下飽和蒸汽的溫度；

——罐頂爆裂時(shí)罐內(nèi)蒸汽壓力。

2、蒸汽溢出至罐頂爆裂間隔時(shí)間（t）的計(jì)算

同樣根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

（3）

——收油線內(nèi)的蒸汽流量；

——罐內(nèi)油氣空間的體積；

——罐頂溢出蒸汽至爆裂事故發(fā)生的間隔時(shí)間。

（2）式代入（3）式可得：

（4）

將（1）代入（4）可得：

（5）

由（5）式來(lái)看，進(jìn)罐管線內(nèi)含有大量蒸汽時(shí)，蒸汽流量、油罐內(nèi)部油氣空間的體積和蒸汽壓力下罐頂呼吸閥的氣體流量的變化，都會(huì)引起罐頂溢出蒸汽至爆裂事故發(fā)生的間隔時(shí)間的變化。在拱頂罐上線收油過(guò)程中，只要管線內(nèi)含有水蒸氣，油罐內(nèi)的正壓力會(huì)隨著罐內(nèi)油氣空間中蒸汽壓力的集聚升高而不斷增大，當(dāng)蒸汽從罐頂溢出的時(shí)間大于（5）式的最大值時(shí)，油罐的承壓值就會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)允許的最大值，導(dǎo)致罐頂板和罐底板弱項(xiàng)焊縫的破裂。因此蒸汽進(jìn)罐的時(shí)間長(zhǎng)短直接決定拱頂罐爆裂事故是否發(fā)生，即發(fā)現(xiàn)收油管線進(jìn)罐帶汽后必須在t時(shí)間內(nèi)及時(shí)將蒸汽轉(zhuǎn)移出油罐才能杜絕事故的出現(xiàn)。

四、防止此類事故發(fā)生的預(yù)防措施

（一）生產(chǎn)管理方面

1、加強(qiáng)儲(chǔ)運(yùn)崗位與煉化裝置之間的交流與溝通

油品儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)是煉化裝置的下游單位，但不意味著可以全盤接收裝置的所有熘出產(chǎn)品，中間產(chǎn)品罐區(qū)的油品質(zhì)量也直接影響著下游生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，油品儲(chǔ)運(yùn)崗位人員不僅要了解轄區(qū)內(nèi)油罐的運(yùn)行狀態(tài)，更要對(duì)上下游生產(chǎn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)有所掌握，以便隨時(shí)應(yīng)對(duì)裝置波動(dòng)帶來(lái)的危害。

2、加強(qiáng)崗位人員處理緊急事故的預(yù)案演練

崗位人員處理緊急事故的效率直接決定事故引起的損失的大小，完善的應(yīng)急機(jī)制是杜絕事故發(fā)生的最有效方式，加強(qiáng)崗位人員對(duì)事故發(fā)生機(jī)理的了解顯得尤其必要，通過(guò)制訂行之有效的臨時(shí)措施，將事故帶來(lái)的危害降到最低。

3、進(jìn)一步確定熱油上線進(jìn)罐的必要性

現(xiàn)行的規(guī)范中對(duì)于拱頂罐是否可以采用上線進(jìn)油仍無(wú)定論，上線進(jìn)油的優(yōu)點(diǎn)在于可以防止熱油進(jìn)罐，沖擊罐底墊水層從而引起突沸事故。缺點(diǎn)是油品上線進(jìn)罐向下滑落過(guò)程中存在產(chǎn)生靜電的隱患，由于拱頂罐儲(chǔ)存多為蠟油、渣油等丙類油品，其閃點(diǎn)均在60℃以上，相對(duì)于甲類、乙類油品，靜電帶來(lái)的危害程度較低。

《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范 GB50160-2008》中6.2.20條：常壓固定頂罐頂板與包邊角鋼間的連接應(yīng)采用弱頂結(jié)構(gòu)。以使發(fā)生爆炸或突沸等突發(fā)事故中，頂部先行炸開，保證罐體不被破壞。若突沸發(fā)生在油罐底部，爆裂壓力超過(guò)罐底板耐壓值，罐底板或罐壁板破損帶來(lái)的危險(xiǎn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于罐頂弱項(xiàng)焊接的破損。

（二）設(shè)備管理方面

1、選擇合適的泄壓設(shè)備

拱頂罐爆裂帶來(lái)的最直接傷害是儲(chǔ)罐的破損，在這兩起事件中，儲(chǔ)罐的呼吸閥均未起到保護(hù)油罐的作用，主要原因系呼吸閥位置距液體汽化位置較遠(yuǎn)，壓力集中在進(jìn)罐處排放，無(wú)法達(dá)到呼吸閥位置，此論點(diǎn)在受力分析中已有說(shuō)明。

為了解決此現(xiàn)象的出現(xiàn)，可考慮在拱頂罐的殼體上增設(shè)緊急泄壓閥即安全閥，位置選在收油管線進(jìn)罐頂旁，緊急泄壓閥的耐壓范圍要小于罐頂板與罐壁板的弱項(xiàng)焊接耐壓值，這樣即使裝置餾出油攜帶有大量水分，罐內(nèi)急劇汽化后產(chǎn)生的壓力首先通過(guò)緊急泄壓閥釋放，超過(guò)泄壓閥耐壓值后泄壓閥開啟泄壓，將罐內(nèi)壓力引入大氣，避免對(duì)罐體的傷害。

拱頂罐罐頂透光孔系作為檢修時(shí)使用，在日常生產(chǎn)中均用螺栓封死，也可考慮將收油線附近的透光孔加以利用，將透光孔上法蘭片改造與泄壓閥相連，可減少施工量，也可避免改造工作與油罐運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生沖突。

目前泄壓閥尚未普遍應(yīng)用于拱頂儲(chǔ)罐，而多數(shù)出現(xiàn)在壓力容器中，廣泛的推廣使用泄壓閥尚不現(xiàn)實(shí)，可以考慮針對(duì)事故高發(fā)罐區(qū)的油罐加以試用，泄壓閥的安裝和維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于整臺(tái)油罐的停運(yùn)檢修費(fèi)用。

2、建立油罐壓力傳送和監(jiān)控機(jī)制

為新增的泄壓閥增設(shè)回訊系統(tǒng)，將閥門所承受壓力大小，閥門開關(guān)狀態(tài)傳送至操作室內(nèi)PLC或DCS系統(tǒng)中，同時(shí)增設(shè)報(bào)警設(shè)備，一旦泄壓閥承受的壓力超過(guò)耐壓范圍，即在操作室時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，可盡早做好準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐爆裂事故。

3、建立完善的設(shè)備管理制度

再好的設(shè)備也需要由人來(lái)使用，再優(yōu)秀的管理理念最終都要由人來(lái)執(zhí)行，人的主觀能動(dòng)性與先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合才能創(chuàng)造出最佳效益，只有針對(duì)設(shè)備自身特點(diǎn)建立完善的管理制度才能使設(shè)備的先進(jìn)性得到充分發(fā)揮。

從油罐設(shè)計(jì)開始，對(duì)比設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)施工方案、設(shè)計(jì)圖紙逐條審查，尤其對(duì)事故多發(fā)環(huán)節(jié)重點(diǎn)審查。在施工中嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，薄弱頂結(jié)構(gòu)一定要按要求施工，不得隨意增加焊縫腰高。

日常管理中，將設(shè)備的日常檢查責(zé)任落實(shí)到具體人，建立日巡檢、周巡檢和月巡檢制度，將巡檢內(nèi)容制作成卡片分配到責(zé)任人，使設(shè)備檢查成為操作規(guī)程中的一項(xiàng)，完善獎(jiǎng)懲制度，才是保證設(shè)備長(zhǎng)久安全運(yùn)轉(zhuǎn)的核心原則。

以上就是對(duì)高溫拱頂油罐爆裂事故的一些探討，對(duì)預(yù)防措施的一種設(shè)想，時(shí)間才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，最佳的防范措施只有在使用中不斷探索、不斷改進(jìn)才能不斷完善，望有志于研究拱頂罐安全防護(hù)的同志，不斷提出更好的解決方案。

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[2]《工程力學(xué)》吳寶瀛 2008年12月1日 清華大學(xué)出版社

[3]《油氣儲(chǔ)運(yùn)》2002，2002，21（8），賈磊

作者簡(jiǎn)介：劉晨曦，男，1987年生人，本科學(xué)歷，畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，2009年起于金陵石化參加工作，從事生產(chǎn)工藝管理工作，參與了金陵石化油品質(zhì)量升級(jí)改造儲(chǔ)運(yùn)配套系統(tǒng)的建設(shè)工作。