浮頂油罐一二次密封防雷技術(shù)現(xiàn)狀研究

丁　波

(中石化銷售浙江石油零售分公司，浙江　杭州　310000)

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浮頂油罐一二次密封防雷技術(shù)現(xiàn)狀研究

丁波

(中石化銷售浙江石油零售分公司，浙江杭州310000)

大型浮頂油罐所帶來的火災(zāi)事故十分巨大，近年來發(fā)生的多起浮頂油罐密封圈雷擊起火事故，都造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境危害。對(duì)國(guó)內(nèi)外浮頂油罐一二次密封防雷技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：當(dāng)油罐遭到雷擊時(shí)，罐壁和浮盤之間難以做到等電位連接，在一定的電流下，會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，表明針對(duì)浮頂油罐密封圈防雷的標(biāo)準(zhǔn)和措施并不能完全有效地防止其因雷擊而發(fā)生火災(zāi)的事故；而通過消除可燃?xì)怏w而達(dá)到防雷防爆目的的方法尚未有較多的理論研究。

浮頂油罐；密封空間；油氣分布；雷電

油罐大型化的發(fā)展，所帶來的火災(zāi)事故也十分巨大，并具有火焰輻射強(qiáng)、范圍廣、潛在威脅多、損失大、撲救困難等特點(diǎn)。對(duì)國(guó)內(nèi)外529起油罐火災(zāi)事故進(jìn)行了事故分析，因?yàn)槔讚粢鸬恼嫉搅?2.5%，而在浮頂油罐火災(zāi)事故中，因密封圈遭遇雷擊從而引起浮頂油罐火災(zāi)事故的頻率為83%左右[2-4]。近幾年發(fā)生的浮頂油罐著火事故也是因一二次密封空間內(nèi)油氣被引燃后而導(dǎo)致爆燃的，比如2006年8月儀征輸油站某15×104m3浮頂油罐遭遇雷擊，油罐的密封圈位置出現(xiàn)5個(gè)著火點(diǎn)；2007年5月，鎮(zhèn)海國(guó)家石油儲(chǔ)備基地的某10×104m3浮頂油罐遭遇雷擊，造成密封圈起火，火焰高度超過了4 m，次月，該公司的同一浮頂油罐再次遭遇雷擊，引起起火事故。2011年11月，大連港石油儲(chǔ)備基地中的兩個(gè)10×104m3浮頂油罐密封圈也發(fā)生雷擊起火事故[5-8]。此外茂名、金山、日照、白沙灣等地也發(fā)生了浮頂油罐密封圈雷擊事故，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

1　引起密封圈燃燒包括3個(gè)要素

1.1點(diǎn)火源

由于油罐常位于港口碼頭附近且地勢(shì)較為平坦開闊的地方，往往是雷電多發(fā)地區(qū)，同時(shí)浮頂油罐較高，比周圍建筑物更易遭受雷擊。目前通過導(dǎo)電片和靜電引下線接地的方式并不能完全地消除靜電，甚至是接觸不良的導(dǎo)電片或引下線與罐壁產(chǎn)生放電，從而產(chǎn)生電火花。

1.2可燃?xì)怏w

可燃?xì)怏w主要來源于一次密封下的油品和黏附在罐壁上的黏油揮發(fā)而成。目前，我國(guó)大多數(shù)浮頂油罐的密封采用一次密封和二次密封相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，一次密封具體可分為以下3種類型[9-10]：

(1) 動(dòng)臂式機(jī)械密封。其結(jié)構(gòu)都是由密封靴板支撐、連桿機(jī)構(gòu)以及連續(xù)密封帶組成。密封靴板，一般是由多張鍍鋅鋼板連接為一個(gè)整體，依靠支撐及連桿機(jī)構(gòu)緊密地壓緊在罐壁上，下端插入油品液面下，有效地抑制油氣的揮發(fā)，可以減少60%～70%的油氣損失[11]。

(2) 泡沫密封，是目前普遍采用的密封方式，有液托式和氣托式兩種安裝方式，其密封效果低于充液管式密封[12]。

(3) 充液管式密封，該密封特別之處是不存在油氣空間，是比較理想的液面彈性密封。二次密封主要用于大型浮頂油罐上，從而取代傳統(tǒng)的擋雨板結(jié)構(gòu)，不僅可以防止雨雪對(duì)油品的污染，同時(shí)降低了外界風(fēng)對(duì)油面的影響，從而大大減少了油品的蒸發(fā)。

隨著油面的高低，浮頂油罐的浮盤是需要上下浮動(dòng)的，因此浮頂油罐浮盤邊緣與罐壁之間有250～300 mm的環(huán)形間隙，該間隙是油氣散發(fā)的主要渠道，通常使用一、二次密封裝置對(duì)此間隙進(jìn)行密封[13]。但是由于一、二次密封并不是完全密封的，故此密封空間內(nèi)會(huì)存在一定的油氣與空氣的混合物，具體原因如下：

(1)對(duì)于10×104m3的浮頂油罐，油氣隔膜與油面的間距約為50～60 mm，油品揮發(fā)后產(chǎn)生的油氣聚集在該空間內(nèi)，若隔膜密封不嚴(yán)或罐壁變形，該空間內(nèi)的油氣將擴(kuò)散到一二次密封空間內(nèi)，由于二次密封并不能完全阻止外界空氣進(jìn)入一二次密封空間內(nèi)，因此該密封空間內(nèi)必然會(huì)存在油氣與空氣的混合物。

(2)當(dāng)浮盤隨著油面下降而緩緩降落時(shí)，由于油罐內(nèi)壁較為粗糙，原油粘度較大，部分油品會(huì)粘附在油罐內(nèi)壁上，油溫溫度較高，黏附原油揮發(fā)嚴(yán)重，這也在另一個(gè)方面加劇了油氣在一二次密封空間內(nèi)的聚集。

(3)較大的風(fēng)壓會(huì)導(dǎo)致油罐變形，使密封裝置無法完全貼合罐壁，或使浮盤偏移，從而導(dǎo)致油氣泄漏；在外界風(fēng)壓下密封空間內(nèi)的油氣很容易產(chǎn)生積聚，使某一區(qū)域油氣體積分?jǐn)?shù)急劇上升。

(4)密封橡膠一般沾有油污，在陽光照射下很容易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致油氣泄漏。

(5)受油罐受施工質(zhì)量的影響，一次密封會(huì)出現(xiàn)密封不嚴(yán)，導(dǎo)致油氣泄漏至一二次密封空間內(nèi)[14]。

總之，一二次密封空間內(nèi)的油氣濃度與原油性質(zhì)、一次和二次密封裝置性能、原油溫度、大氣溫度、外界風(fēng)力、儲(chǔ)罐運(yùn)行狀態(tài)等因素關(guān)系密切。

1.3助燃劑

一二次密封空間內(nèi)與外界連通，本身含有一定量的氧氣，支持油氣的燃燒。

國(guó)內(nèi)外的防雷標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)是通過低阻抗的靜電引下線和導(dǎo)電片將雷電流引至接地系統(tǒng)，從而達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)罐的目的，但對(duì)近幾年來的密封圈火災(zāi)事故分析可知，發(fā)生雷擊事故的儲(chǔ)罐大都符合設(shè)計(jì)規(guī)范，表明目前的這些方式并不能完全地避免密封圈火災(zāi)事故。更有甚至，正是因?yàn)殡姎膺B接裝置的存在，在泄流過程中出現(xiàn)放電而產(chǎn)生火花，引燃了油氣。而一旦密封圈發(fā)生燃燒，又缺少可靠迅速的滅火方式，主要是靠工作人員爬上油罐后，手持滅火器對(duì)其進(jìn)行滅火，由此帶來的問題較為嚴(yán)重，速度慢、滅火劑量小、撲救過程中存在一定的自身危險(xiǎn)性等。而固定式泡沫滅火方式主要作用是當(dāng)發(fā)生大型火災(zāi)時(shí)，抑制火勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大，卻不能滿足密封圈的滅火要求，比如泡沫液泵出泡沫速度較慢、不能迅速覆蓋密封圈、對(duì)密封部件和油品污染嚴(yán)重等。因此以預(yù)防角度出發(fā)，研發(fā)出一種密封圈防雷防爆裝置顯得尤為重要。

2　國(guó)內(nèi)外浮頂油罐防雷研究進(jìn)展

蘇伯尼等[15-16]建立了閃電和浮頂油罐的模型，并開展了雷電引發(fā)油罐火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，計(jì)算出了閃電擊中浮頂油罐的概率和引起密封圈爆炸起火的概率，結(jié)果表明密封圈火災(zāi)概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷電擊穿罐壁而引起火災(zāi)的概率。引起雷電事故主要包括兩個(gè)因素：點(diǎn)火源和可燃物，國(guó)內(nèi)外主要從這兩個(gè)方面進(jìn)行防雷工作。

2.1關(guān)于消除點(diǎn)火源的研究

油罐較高，且多處于較為平坦開闊的區(qū)域，因此油罐一般將自身作為引雷器，而后通過低阻抗的靜電引下線將雷電流引入大地以保護(hù)油罐免遭雷擊破壞，比如我國(guó)的《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》、北美的《防止靜電、閃電和雜散電流引燃的措施》等防雷標(biāo)準(zhǔn)也是以該原則為基礎(chǔ)的[17-18]，規(guī)定不僅需將罐體做靜電接地，同時(shí)還需加強(qiáng)浮盤與罐體的電氣連接，其中GB 15599-2009石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范規(guī)定靜電引下線應(yīng)采用兩根截面不小于50 mm2的扁平鍍錫軟銅復(fù)絞線或絕緣阻燃護(hù)套復(fù)絞線，且連接點(diǎn)不少于兩處[19]，GB50074-2002《石油庫設(shè)計(jì)》規(guī)范規(guī)定靜電引下線應(yīng)為兩根橫截面積不小于25 mm2的軟銅復(fù)絞線[20]，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)Правила規(guī)定使用截面積不小于6 mm2的МГ型軟銅線保持浮盤和油罐的電氣連接[21]，上述規(guī)范還提出需在二次密封上設(shè)置導(dǎo)電片，以實(shí)現(xiàn)浮盤與罐壁的等電位連接。朱根民建議增強(qiáng)靜電導(dǎo)出渠道，將原先用于連接浮盤與罐壁的2根橫截面積為25 mm2的靜電引出線改為4根50 mm2的靜電引下線[22]，鑒于機(jī)械密封性能較差，同時(shí)有較多的金屬構(gòu)件，容易在浮頂泄流過程中產(chǎn)生放電現(xiàn)象，而建議更換機(jī)械密封為彈性泡沫填充密封。中石化系統(tǒng)也組織國(guó)內(nèi)相關(guān)專家對(duì)油罐防雷措施進(jìn)行論證，發(fā)文明確將機(jī)械密封作隱患改造，用彈性密封取代，然而改變密封形式后不久的2010年3月，某大型儲(chǔ)庫再次發(fā)生雷擊起火事故，引起了國(guó)內(nèi)同行對(duì)浮頂油罐防雷措施的茫然。

APIRP-545[23]開展導(dǎo)電片放電試驗(yàn)后，提出改變導(dǎo)電片的位置，將其移入液面0.3 m以下；同時(shí)還規(guī)范了浮盤與罐壁等電位連接的方式，即導(dǎo)電片和分流導(dǎo)線，其中導(dǎo)電片的材料為奧氏體不銹鋼，其橫截面積不小于 20 mm2，最小寬度為51 mm，安裝在油面以下0.3 m處。

James I[4]在對(duì)近幾年的油罐雷擊事故評(píng)估中指出：1991年新加坡一油庫某油罐的雷擊事故從密封圈火災(zāi)最終演變成為覆蓋全部油面，安裝在10×104m3原油儲(chǔ)罐的傳統(tǒng)的雷電保護(hù)系統(tǒng)并沒有阻止其遭到雷擊，認(rèn)為現(xiàn)有的防雷標(biāo)準(zhǔn)為石油行業(yè)幾乎沒有提供任何大的幫助。

趙曉剛等[24-25]提出“近防”是不夠的，需要“遠(yuǎn)引”，即通過遠(yuǎn)引避雷針系統(tǒng)，結(jié)合地形和環(huán)境在較遠(yuǎn)距離內(nèi)盡量吸引和攔截可能進(jìn)入保護(hù)區(qū)域的雷電。

Williams Del[26]通過實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)浮盤位于較高位置時(shí)，油罐的雷擊危險(xiǎn)性最高。雷電流都集中直接雷擊位置的下方；當(dāng)浮盤較低時(shí)，雷擊電流較分散，最終均勻分布在浮盤外表面。Qingzhong Xue[27]在多個(gè)導(dǎo)線消雷器和避雷針情況下，測(cè)量電暈電流。結(jié)果表明發(fā)現(xiàn)，消雷器的電暈電流基本上等于避雷針，都小于70 μA。此結(jié)果表明，消雷器不能提供足夠的帶電離子以中和雷雨云中的電荷，所以消雷器不能消除雷電的作用。

胡海燕等[28]建立了浮頂油罐模型，開展導(dǎo)電片與罐壁形成空氣間隙擊穿放電初始電壓試驗(yàn)，研究表明當(dāng)泄放電流在400 A左右時(shí)，導(dǎo)電片開始產(chǎn)生火花放電，由于諸多原因，導(dǎo)電片與罐壁難以做到完全貼合，因此浮頂油罐罐在遭遇雷擊時(shí)，導(dǎo)電片很容易產(chǎn)生火花放電。

閆嘯[29]認(rèn)為浮頂油罐現(xiàn)有的靜電引下線難以及時(shí)地泄放電流，提出在浮頂油罐上安裝“卷尺靜電導(dǎo)出帶”，該導(dǎo)電帶連接浮盤與罐壁頂部，隨著浮盤的上下浮動(dòng)，導(dǎo)電帶可隨意伸縮，做到了良好的等電位連接。同時(shí)，認(rèn)為在浮頂油罐上設(shè)置一個(gè)鋁制穹頂，并對(duì)穹頂進(jìn)行有效接地，可避免密封裝置附近產(chǎn)生電火花，而且以往的應(yīng)用現(xiàn)實(shí)也證明了其具有良好的防雷擊著火功能。

Culham等[30-32]對(duì)符合防雷標(biāo)準(zhǔn)的浮頂油罐進(jìn)行了雷擊試驗(yàn)，結(jié)果表明導(dǎo)電片的存在不僅沒有起到快速泄放電流的作用, 反而帶來了一定的危害,正因?yàn)閷?dǎo)電片與罐壁的不良接觸而產(chǎn)生電火花，并提出取消導(dǎo)電片，而沿著罐壁用特種低阻抗引下線連接浮盤，通過合理的計(jì)算布置，可以實(shí)現(xiàn)快速泄放雷電流的作用。

2.2關(guān)于密封空間油氣濃度的研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)浮頂油罐一二次密封空間內(nèi)的油氣分布規(guī)律研究較少，但部分學(xué)者通過開展風(fēng)洞試驗(yàn)來研究浮頂油罐浮盤上方的風(fēng)壓分布，結(jié)果表明氣流從浮頂油罐頂部掠過時(shí)，會(huì)在油罐密封圈上方位置產(chǎn)生低于大氣壓力的負(fù)壓區(qū)和高于大氣壓力的正壓區(qū)，而油罐迎風(fēng)面內(nèi)側(cè)為負(fù)壓區(qū)，背風(fēng)面內(nèi)側(cè)為正壓區(qū)[33-34]，沿罐壁內(nèi)周邊圈各點(diǎn)的壓力以平行于氣流方向的油罐直徑為對(duì)稱軸對(duì)稱分布，并在該直徑的兩個(gè)端點(diǎn)和達(dá)到最小值和最大值，試驗(yàn)證明，兩點(diǎn)的壓差與氣體流動(dòng)速度有關(guān)[35]。Humphrey等[36]對(duì)浮頂油罐不同高度的浮盤上方空間風(fēng)速大小進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和CFD模擬，發(fā)現(xiàn)浮盤高度對(duì)風(fēng)速分布的影響很大，在空罐條件下風(fēng)在浮盤上方垂直空間循環(huán)流動(dòng)；滿罐條件下風(fēng)貼著浮盤在小范圍內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。研究還表明浮盤高度對(duì)浮頂上風(fēng)速的大小產(chǎn)生了不同的影響，低浮盤時(shí)，最大風(fēng)速在罐中間位置，而高浮盤條件下，最大風(fēng)速在罐邊緣位置。賈明巖[37]利用CFD軟件對(duì)油罐群風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果表明油罐群的流場(chǎng)呈對(duì)稱分布，且在油罐群的正后方形成了負(fù)壓區(qū)。上述研究人員對(duì)油罐周邊的壓力分布進(jìn)行了分析，雖未提及到空間內(nèi)油氣的具體分布情況，但給一二次密封空間油氣分布的研究提供了一定的基礎(chǔ)。

一二次密封空間內(nèi)的油氣來源于一次密封下油品的蒸發(fā)，各國(guó)都對(duì)在外界風(fēng)壓作用下的浮頂油罐靜止時(shí)油品的蒸發(fā)損耗進(jìn)行了分析，尤其是對(duì)油氣的泄漏方式做了較為合理的解釋[38]，對(duì)密封空間內(nèi)油氣濃度及分布規(guī)律的研究也提供了基礎(chǔ)。

何利民等[39]在1991年就對(duì)浮頂油罐的油氣濃度分布問題進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)研究，對(duì)浮盤通氣閥，浮盤取樣孔、量油管與浮盤之間縫隙、導(dǎo)向柱與浮盤之間縫隙、浮盤立柱與套管之間的縫隙、浮盤密封圈與罐壁之間的縫隙等對(duì)浮盤上各油氣排放點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，記錄各測(cè)試點(diǎn)的油氣濃度，同時(shí)記錄浮盤上風(fēng)速和油高、油溫，實(shí)測(cè)得到數(shù)據(jù)可知：通氣閥和密封周邊是油氣濃度分布最高的地方。

李恩田等[40-42]對(duì)浮頂油罐一二次密封空間進(jìn)行惰化實(shí)驗(yàn)和模擬，得出了惰化過程中空間內(nèi)油氣濃度的變化，提供了新的思路和方法，但該惰化模型并不能完全表征浮頂油罐一二次密封空間的惰化特征，需建立仿真度更高的空間惰化模型。宮宏[43]提出將一種本質(zhì)安全性產(chǎn)品填充在浮頂儲(chǔ)罐一二次密封空間內(nèi),防止浮頂油罐密封圈在遇到靜電、雷擊等意外事故時(shí)發(fā)生爆炸著火，雖未指出本質(zhì)安全產(chǎn)品的具體材料、特征以及填充方式，也未直接提及空間內(nèi)的油氣濃度及分布情況，但提供了一種新的密封圈防爆思路。白濠等[44]提出一種通風(fēng)抑爆裝置，根據(jù)氣象預(yù)報(bào)或雷電預(yù)警系統(tǒng)信息，在雷擊前啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，通過通風(fēng)管往一二次密封空間內(nèi)輸送空氣，從而降低空間內(nèi)的油氣濃度，該方法簡(jiǎn)單快捷、但高速空氣吹掃油氣空間可能會(huì)產(chǎn)生靜電起火，不符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

3　結(jié)　論

綜上所述，國(guó)內(nèi)外有不同的油罐防雷標(biāo)準(zhǔn)，但針對(duì)浮頂油罐密封圈防雷的標(biāo)準(zhǔn)和措施并不能防止其因雷擊而發(fā)生火災(zāi)的事故。國(guó)內(nèi)外研究人員在消除點(diǎn)火源進(jìn)行了一些研究，但最后結(jié)果表明：當(dāng)油罐遭到雷擊時(shí)，罐壁和浮盤之間難以做到等電位連接，在一定的電流下，會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。在消除可燃物方面研究較少，較為普遍的是利用氮?dú)鈱?duì)密封圈進(jìn)行惰化，從而達(dá)到防爆的目的。要使如今的防雷防爆措施真正實(shí)現(xiàn)對(duì)浮頂油罐的防護(hù)，并能有效推廣，還需做以下研究：

(1)改變浮盤與罐壁的連接方式，避免浮盤與罐壁產(chǎn)生放電間隙。

(2)研究氮?dú)鈱?duì)一二次密封空間的惰化效果及影響因素。

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Research Status of Floating Roof Tank Seal Lighting Protection Technology

DING Bo

(Sinopec Zhejiang Oil Products Company, Zhejiang Hangzhou 310000, China)

Tank development tends to be large scale, bringing enormous fire. Floating roof tank seals lightning fire which occurred in recent years had caused economic loss and environmental hazard. Different lightning protection measures at home and abroad were analyzed, the result showed that it was difficult for tank wall and floating disk to achieve equipotential bonding, result in producing discharge in a certain current, and there was little theory research about eliminating oil vapor to achieve the purpose of the lightning protecion,

floating roof tanks；sealed space；oil vapor distribution；lighting

丁波(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)過程安全管理工作。

TE88

A

1001-9677(2016)01-0038-04