大型浮頂儲罐雷擊火災(zāi)危險性及防控對策研究

袁 杰, 劉占全,任常興

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 3000722.天津南港工業(yè)區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，天津 3002803.公安部天津消防研究所，天津 300381)

1 國內(nèi)外概況

作為化工園區(qū)危險化學(xué)品重大危險源聚集區(qū)的石化倉儲類罐區(qū)，種類繁多且儲量巨大，多為易燃易爆或有毒有害物質(zhì)，一旦發(fā)生事故后果影響往往巨大。石化罐區(qū)作為石油及產(chǎn)品的主要儲存區(qū)域，擔(dān)負(fù)著液態(tài)油品和可燃?xì)怏w的收發(fā)儲存任務(wù)，近年來全國的石化倉儲類罐區(qū)發(fā)生了多起雷擊起火事故。例如：2006年8月儀征輸油站，2007年5月和6月鎮(zhèn)海國家儲備庫，2007年7月上海白沙灣輸油站，2011年11月大連港中石油油品碼頭海濱北罐區(qū)的雷擊起火事故等。實(shí)際情況表明，雷電已成為影響儲罐安全的重要因素之一。

由國際資源保護(hù)組織(RPI)負(fù)責(zé)，BP、Shell等16家石油公司組織開展的LASTFIRE項(xiàng)目表明每年發(fā)生 15～20 起大型石化儲罐火災(zāi)事故[1]。據(jù)國外的529起油罐火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)，從起火原因來看，雷擊起火約為32.5%；從燃燒介質(zhì)來看，主要是原油約為33%，其次是汽油約為27.3%；從起火油罐類型來看，以浮頂儲罐為主(占29.5%)，其次是拱頂罐。維護(hù)狀態(tài)良好的固定金屬頂儲罐和臥式儲罐，由于其全部金屬部件互相連接，擁有對直接雷擊引燃和損壞的良好防護(hù)；根據(jù)法拉第籠式效應(yīng)，具有導(dǎo)電罐頂?shù)膬?nèi)浮頂儲罐本身就具有防護(hù)閃電的能力；帶壓儲存可燃性液體或氣體的金屬儲罐、容器和工藝設(shè)備，通常都能良好地接地且有足夠的厚度，不致被直接雷擊擊穿，一般不要求另加雷電防護(hù)[2-4]?？梢?，大型原油浮頂儲罐是主要防范對象，起火頻率高，災(zāi)害后果嚴(yán)重。

在2006年巴西召開的國際防雷年會上一些專家指出“盡管可燃物儲存設(shè)施的防雷全部遵照有效的國際防雷規(guī)范，但雷擊引發(fā)火災(zāi)的危險依然很高，進(jìn)一步改進(jìn)防雷系統(tǒng)是必須的”[5-6]。同時，近年來石油儲罐雷擊事故的連續(xù)發(fā)生也迫切需要進(jìn)一步研究和完善大型浮頂儲罐現(xiàn)有防雷技術(shù)措施，推廣應(yīng)用可行的防雷新技術(shù)。本文通過對大型浮頂原油儲罐雷擊起火要素及其影響因素風(fēng)險分析，給出了雷擊起火防范技術(shù)措施和管理對策，對大型浮頂儲罐防雷安全運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

2 大型儲罐雷擊起火風(fēng)險因素及防雷規(guī)范分析

LASTFIRE項(xiàng)目收集了1981～1995年2 420座直徑大于40 m的外浮頂儲罐運(yùn)行33 909罐年的事故數(shù)據(jù)，單罐密封圈火災(zāi)、浮頂泄漏火災(zāi)、防火堤內(nèi)小火、防火堤內(nèi)大火及部分或全液面火災(zāi)的年發(fā)生事故頻率分別為1.0×10-3、3.0×10-5、9.0 ×10-5、6.0 ×10-5和3.0×10-5。對于大型原油浮頂儲罐，一定濃度油氣混合物存在于浮頂儲罐密封圈周圍，雷擊和靜電是起火的主要原因，其中雷擊閃電可以附著在儲罐的任何部位，如罐壁、儀表、罐頂或浮頂上的閃電電流等，且儲罐附近地面的閃電也可能引發(fā)儲罐密封圈處放電。從多起儲油罐著火的事故中可以看出，在儲罐密封處發(fā)生的火災(zāi)居多，雷擊密封圈火災(zāi)是主要事故場景[7-8]。

通常情況下浮頂密封引起的泄漏主要分為兩類，即浮頂密封靜止蒸發(fā)損耗和儲罐的收、發(fā)油操作引起的油氣損耗[9]。從罐區(qū)雷擊起火事故條件來看，現(xiàn)有罐區(qū)密封空間形成爆炸性混合物的主要問題是罐壁不光滑、密封不嚴(yán)，形成雷擊火花的主要問題是電流泄放不暢、等電位連接失效等。同時，儲罐機(jī)械密封存在本質(zhì)安全上缺陷，而彈性密封材料易老化腐蝕等，往往導(dǎo)致可燃?xì)怏w泄漏聚集，若遇雷擊易引發(fā)火災(zāi)。

從我國現(xiàn)有罐區(qū)防雷規(guī)范要求來看，罐區(qū)防雷措施多是依照現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行設(shè)防，采用或參照美國API RP 2003《預(yù)防靜電、雷電和雜散電流引發(fā)火災(zāi)》[3]、API RP545《地上易燃或可燃液體儲罐的雷電防護(hù)推薦作法》[10]和NFPA780《防雷擊系統(tǒng)的安裝》[11]等，要求浮頂儲罐利用罐體本身作為接閃器，浮頂與罐體應(yīng)有可靠的電氣連接。關(guān)于雷電防護(hù)的系列標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21714(總則、風(fēng)險管理、建筑物的物理損害和生命危險、建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng))等同采用IEC62305系列標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)防雷的風(fēng)險管理和系統(tǒng)性防護(hù)。國內(nèi)外罐區(qū)防雷規(guī)范技術(shù)指標(biāo)比較見下表1，依據(jù)傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針理論，多數(shù)罐區(qū)防雷規(guī)范主要是保證雷電流的泄放，避免存在間隙放電而進(jìn)行技術(shù)條件規(guī)定。國內(nèi)規(guī)范對于罐體內(nèi)一次密封和二次密封的設(shè)計(jì)、制造及安裝驗(yàn)收缺乏規(guī)范性要求，也沒有浮盤密封的技術(shù)指標(biāo)，對于罐體形成爆炸性混合物的防控措施相對較薄弱。

3 大型浮頂儲罐雷擊起火防控對策

鑒于大型石油儲罐區(qū)閃電附著面積大，附著形式多樣，即使全部遵照有效的防雷規(guī)范，雷擊引發(fā)火災(zāi)的概率依然很高。同時，由于大型原油浮頂儲罐全液面火災(zāi)可能引發(fā)沸溢、噴濺、大面積流淌等災(zāi)難性事故，至今未見成功撲救的案例報(bào)道[12]。大型外浮頂儲罐防雷是一個多專業(yè)、多領(lǐng)域配合協(xié)作的全過程系統(tǒng)防控工程，涉及設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維護(hù)及管理等多個環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)倉儲石油園區(qū)雷擊起火綜合防控能力建設(shè)。

對于大型浮頂油罐區(qū)，預(yù)防雷擊起火事故一是罐區(qū)防雷，二是避免形成可燃?xì)怏w爆炸環(huán)境，其最有效的防護(hù)就是采取嚴(yán)格的密封措施和設(shè)計(jì)合理的電流泄放通道。同時，一旦發(fā)生雷擊起火事故，關(guān)鍵是提高初期火災(zāi)的預(yù)警和撲救能力。下面主要從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求、防控技術(shù)措施和安全監(jiān)管等方面綜合提出罐區(qū)雷擊起火事故的防控對策措施。

3.1 修訂罐區(qū)防雷規(guī)范

對于大型浮頂儲罐，建議制修訂關(guān)于罐體內(nèi)一次密封和二次密封的設(shè)計(jì)、制造及安裝驗(yàn)收規(guī)范性技術(shù)要求，以及一個通用的浮盤密封設(shè)計(jì)、安裝驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，提高大型浮頂罐密封的可靠性，有效控制爆炸性混合物的形成。同時，開展大型浮頂儲罐浮盤密封技術(shù)研究，合理選擇浮盤密封結(jié)構(gòu)形式，減少或消除一二次密封之間的可燃混合氣體空間，實(shí)現(xiàn)浮盤密封的本質(zhì)安全。合理選用隔膜材料，研究開發(fā)性能優(yōu)良的阻燃性密封隔膜材料用于浮頂儲罐的密封。

表1 國內(nèi)外罐區(qū)防雷規(guī)范技術(shù)指標(biāo)比較

依據(jù)研究報(bào)告API RP545模擬雷擊實(shí)驗(yàn)和安全工程研究院對浮頂儲罐導(dǎo)電片開展的模擬雷擊放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，建議盡快修訂相關(guān)規(guī)范，取消浮頂儲罐導(dǎo)靜電刮板。同時，參考 API RP 545 “液面以下的導(dǎo)電密封組件(包括彈簧、支架、密封膜等)，以及儀表、導(dǎo)向桿都應(yīng)與浮頂絕緣，絕緣強(qiáng)度大于 1 kV”等相關(guān)內(nèi)容給出電氣儀表相應(yīng)部分的絕緣要求；以API RP 545 為基礎(chǔ)，采納俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于維護(hù)和檢測方面的細(xì)節(jié)要求，制定國內(nèi)儲罐防雷維護(hù)保養(yǎng)方面的管理規(guī)定。

3.2 應(yīng)用雷擊起火防控技術(shù)

基于事故風(fēng)險防范原則，罐區(qū)雷擊起火防控技術(shù)措施主要涉及以下兩個方面：①降低雷擊起火發(fā)生頻率，主要是減少或稀釋油氣爆炸性混合物以及增強(qiáng)防雷技術(shù)措施，降低雷擊火花的發(fā)生概率；②提高初期火災(zāi)預(yù)防和撲救能力，及早發(fā)現(xiàn)，及早處置[13]。鑒于現(xiàn)有規(guī)范相對于新技術(shù)應(yīng)用的滯后性，應(yīng)鼓勵和推動罐區(qū)雷擊起火防控新技術(shù)的應(yīng)用。

a)政策層面應(yīng)制定有利于新技術(shù)推廣應(yīng)用的鼓勵機(jī)制。鑒于責(zé)任問題，一般在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行罐區(qū)防雷設(shè)計(jì)時很難突破現(xiàn)有規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)要求，這為新技術(shù)研究成果的及時應(yīng)用形成了障礙。建議國家制定推動措施，為罐區(qū)防雷新技術(shù)的試點(diǎn)和推廣提供政策支持。通過政策指引，鼓勵有實(shí)力的專業(yè)機(jī)構(gòu)開展諸如主動式避雷裝置、浮頂罐伸縮式接地裝置RGF、內(nèi)浮頂防雷技術(shù)等罐區(qū)防雷新技術(shù)措施的研究，積極引進(jìn)國外先進(jìn)防雷技術(shù)。

b)政府/企業(yè)層面應(yīng)加大罐區(qū)雷擊起火防控新技術(shù)應(yīng)用的資金投入。對于罐區(qū)雷擊起火防控新技術(shù)措施，建議政府層面給出新技術(shù)推廣應(yīng)用目錄，并對應(yīng)用企業(yè)單位和當(dāng)?shù)匮邪l(fā)機(jī)構(gòu)給予一定的資金支持，推動新技術(shù)的推廣及應(yīng)用，增強(qiáng)罐區(qū)雷擊起火綜合防控能力。例如，采取“惰化技術(shù)”降低密封圈區(qū)域可燃油氣濃度和氧氣濃度，向具有火災(zāi)危險的一次密封和二次密封封閉空間注入二氧化碳、氮?dú)夂投栊詺怏w等。推廣應(yīng)用罐區(qū)防雷新技術(shù)，如改進(jìn)油庫儲罐布局、雷電預(yù)警系統(tǒng)、大型浮頂儲罐防雷成套技術(shù)、改進(jìn)浮頂罐密封技術(shù)、改進(jìn)儲油罐等電位接地的“伸縮式接地裝置”技術(shù)和外浮頂罐改內(nèi)浮頂罐技術(shù)等[14-16]。提高罐區(qū)初期火災(zāi)事故預(yù)警和撲救能力，如加強(qiáng)雷電預(yù)警能力，采取以預(yù)防為主的多重報(bào)警及控制系統(tǒng)(二三三模式，即為兩種報(bào)警、三種滅火保護(hù)和三種控制操作)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)自動報(bào)警與PLC 控制緊密結(jié)合，推廣應(yīng)用罐區(qū)滅火新技術(shù)等。

3.3 加強(qiáng)罐區(qū)雷擊起火安全管理

對于罐區(qū)雷擊起火事故防范的安全管理，主要是加強(qiáng)罐區(qū)防雷本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)的監(jiān)管及準(zhǔn)入，開展罐區(qū)防雷綜合風(fēng)險評估，確定優(yōu)化的系統(tǒng)防控技術(shù)措施，規(guī)范化罐區(qū)防雷管理制度及操作規(guī)程，提高罐區(qū)檢查和人員維保技術(shù)及資格要求，全面提高罐區(qū)雷擊起火防控的安全管理能力。

3.3.1加強(qiáng)罐區(qū)防雷本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)的監(jiān)管及準(zhǔn)入

建設(shè)本質(zhì)安全型儲罐是保障罐區(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，從單罐建設(shè)、罐區(qū)選址及化工園區(qū)布局等層面綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)的本質(zhì)安全。

a)單罐建設(shè)。建議對單個儲罐的最大罐容開展基于風(fēng)險的研究，避免儲罐的盲目增大。

b)罐區(qū)選址。聚集在同一化工園區(qū)內(nèi)的儲罐區(qū)數(shù)量較多，儲存介質(zhì)的物化特性差別較大，應(yīng)避免存在禁忌的物料或物化特性相差較多的物料的罐區(qū)鄰建，以控制罐區(qū)的相互影響，且考慮企業(yè)安全裕量，合理規(guī)劃。

c)化工園區(qū)布局。建議明確安全條件論證、安全評價、安全規(guī)劃、總體規(guī)劃和控制性規(guī)劃間的相互關(guān)系，并體現(xiàn)基于風(fēng)險規(guī)劃的效力。對化工園區(qū)具體給出界定標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格化工園區(qū)的設(shè)立條件，明確設(shè)立化工園區(qū)的管理程序。

3.3.2開展罐區(qū)綜合防雷風(fēng)險評估確定優(yōu)化防控技術(shù)措施

通過罐區(qū)雷擊風(fēng)險評估，對雷電活動規(guī)律、電磁環(huán)境、防雷等級、孕災(zāi)氣象環(huán)境危險性、雷災(zāi)氶災(zāi)體的易損性、潛在風(fēng)險類型及比例等做出評估，并開展安全措施成本效益分析，根據(jù)評估分析結(jié)果提出優(yōu)化的防雷控制措施。建議出臺園區(qū)管理規(guī)定，要求企業(yè)對于重大罐區(qū)項(xiàng)目進(jìn)行危險性和可操作性(HAZOP)、預(yù)先危險性分析(PHA)等風(fēng)險評估，以科學(xué)選擇標(biāo)準(zhǔn)等級，構(gòu)建真正有效的防護(hù)體系。同時，建立園區(qū)預(yù)警和企業(yè)防范兩級防雷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警資源信息共享；開展罐區(qū)基礎(chǔ)不規(guī)則沉降監(jiān)測和園區(qū)重點(diǎn)企業(yè)罐區(qū)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)沉降引起罐體變形的雙重監(jiān)控。

3.3.3規(guī)范化罐區(qū)雷擊起火防范制度建設(shè)

建議出臺指導(dǎo)罐區(qū)企業(yè)建立管理制度、操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案等文件的指導(dǎo)性意見或?qū)t，開展罐區(qū)防雷制度規(guī)范化建設(shè)。如制修訂《防雷防靜電設(shè)備設(shè)施管理制度》、《浮頂罐一二次密封氣相空間可燃?xì)怏w檢測制度》、《防雷防靜電安全責(zé)任制》、《雷雨天氣罐區(qū)安全操作規(guī)程》和《罐區(qū)突發(fā)事件應(yīng)急處置預(yù)案》等。同時，加強(qiáng)罐區(qū)雷擊起火防范技術(shù)措施的檢測和定期維保，提高罐區(qū)日常監(jiān)管能力，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)制度和操作規(guī)程。

3.3.4提升罐區(qū)雷擊起火防范人員管控水平

加強(qiáng)對罐區(qū)防雷系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)設(shè)施檢測單位的資質(zhì)審查及管理，強(qiáng)化檢測人員的資格管理，定期開展罐區(qū)防雷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)的檢測及維護(hù)，建立人員檢測記錄檔案。同時，罐區(qū)維護(hù)保養(yǎng)人員應(yīng)加強(qiáng)培訓(xùn)，持證上崗，建立維護(hù)保養(yǎng)檔案。

4 結(jié)語

雷擊是大型浮頂儲罐火災(zāi)事故的主要原因之一，通過對大型浮頂儲罐區(qū)雷擊火災(zāi)事故原因、形成要素以及國內(nèi)外防雷規(guī)范技術(shù)指標(biāo)對比分析，筆者建議盡快修訂相關(guān)防雷技術(shù)規(guī)范，取消二次密封上的導(dǎo)電片；政府層面發(fā)布防雷新技術(shù)推廣目錄，給予企業(yè)資金支持和政策鼓勵，推動罐區(qū)防雷新技術(shù)的應(yīng)用。同時，開展大型原油儲備基地防雷風(fēng)險評估，加強(qiáng)罐區(qū)防雷本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)和日常維護(hù)檢測，提高罐區(qū)雷擊火災(zāi)綜合防控能力。

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