由一起苯儲(chǔ)罐閃爆事故看我國(guó)毒性介質(zhì)儲(chǔ)罐技術(shù)和管理現(xiàn)狀

張玉平，馬開良，管孝瑞，陶 彬

(中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071)

化學(xué)介質(zhì)依據(jù)其與人接觸的毒性危害指標(biāo)劃分為極度危害介質(zhì)(Ⅰ級(jí))、高度危害介質(zhì)(II級(jí))、中度危害介質(zhì)(Ⅲ級(jí))和輕度危害介質(zhì)(Ⅳ級(jí))4個(gè)等級(jí)[1]，其中極度和高度危害介質(zhì)會(huì)對(duì)人體造成非常嚴(yán)重的傷害，且多數(shù)介質(zhì)易燃易爆。因此，國(guó)家對(duì)極度和高度危害介質(zhì)儲(chǔ)存過程中的安全防護(hù)措施和VOCs排放有更為嚴(yán)苛的要求。

2018年，某企業(yè)一臺(tái)儲(chǔ)存苯(極度危害)介質(zhì)儲(chǔ)罐在檢維修時(shí)發(fā)生閃爆。事故調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)在極度和高度危害介質(zhì)儲(chǔ)存這一領(lǐng)域仍存在諸多技術(shù)短板和管理方面的不足。

1 一起事故的經(jīng)過與反思

2018年，某企業(yè)一臺(tái)苯罐在檢維修作業(yè)時(shí)發(fā)生閃爆，由于罐內(nèi)殘余苯介質(zhì)少，因此事故未造成嚴(yán)重次生災(zāi)害和環(huán)境污染。

1.1 事故經(jīng)過

a)事故發(fā)生前。事故發(fā)生前1個(gè)月，企業(yè)所在化工園區(qū)邊界大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)報(bào)警，監(jiān)測(cè)到大氣環(huán)境中的VOCs濃度達(dá)值100 μmol/mol。于是園區(qū)管委會(huì)通知就近的企業(yè)對(duì)泄漏源進(jìn)行排查，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，泄漏源為一臺(tái)1×104m3的苯原料罐。此時(shí)儲(chǔ)罐呼吸閥的出口濃度值高達(dá)10 000 μmol/mol。工程師初步判斷原因?yàn)閮?nèi)浮盤失效，于是使用單位決定對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行開罐檢修。

b)事故發(fā)生時(shí)。清罐后發(fā)現(xiàn)，所用組裝鋁合金箱式浮盤(簡(jiǎn)稱“箱式浮盤”)有一半箱體(總共359塊)內(nèi)存有積液。由于浮盤箱體間采用電焊連接，且單個(gè)箱體滲滿苯液后的重量達(dá)50 kg，拆卸和搬運(yùn)都非常困難。因此，施工人員在拆卸過程中未按規(guī)定流程作業(yè)，進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)罐發(fā)生閃爆。

c)事故發(fā)生后。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，箱式浮盤箱體的角焊縫和點(diǎn)焊縫處均存在不同程度的裂紋，另外箱式浮盤的設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收均無具體技術(shù)規(guī)范可依。

1.2 事故反思

縱觀事故，可看出我國(guó)常壓儲(chǔ)罐的技術(shù)和管理基本現(xiàn)狀。

a)?；菲髽I(yè)搬遷入園勢(shì)在必行。若事故企業(yè)未在化工園區(qū)內(nèi)，那么很難在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐的泄漏?？梢钥闯?，?；菲髽I(yè)搬遷入園利于政府對(duì)企業(yè)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)督管理。2016年天津“8·12”濱海新區(qū)爆炸事故發(fā)生后，我國(guó)開始全面啟動(dòng)實(shí)施人口密集區(qū)危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)搬遷工程，嚴(yán)禁“兩重點(diǎn)一重大”?；方ㄔO(shè)項(xiàng)目在化工園區(qū)外新建和擴(kuò)建[2]。

b)因環(huán)保治理直接或間接導(dǎo)致的安全問題凸顯。近年來，我國(guó)對(duì)石化企業(yè)VOCs排放日益嚴(yán)苛。在環(huán)保治理過程中，新技術(shù)的應(yīng)用以及對(duì)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別不到位，易導(dǎo)致事故發(fā)生，如：2014年6月，某企業(yè)酸性水罐采用氣相連通進(jìn)行VOCs集中回收處理，其中一臺(tái)儲(chǔ)罐發(fā)生事故時(shí)引燃相連的多臺(tái)儲(chǔ)罐。

c)儲(chǔ)罐本質(zhì)安全和環(huán)保水平低、安全附件無有效的管控手段。我國(guó)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、建造和驗(yàn)收都有嚴(yán)格的技術(shù)要求和管理辦法，但僅限于儲(chǔ)罐主體(罐底、罐壁和罐頂)。分析歷年事故案例發(fā)現(xiàn)，決定儲(chǔ)罐安全、環(huán)保水平往往是安全附件的完整性和可靠性。在我國(guó)，儲(chǔ)罐安全附件自始至終都是作為一種產(chǎn)品進(jìn)行整件購(gòu)買，使用單位、設(shè)計(jì)單位既無嚴(yán)格的技術(shù)要求，也沒有嚴(yán)格的管理辦法[3]。安全附件存在的問題具體表現(xiàn)如下：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完善。如箱式浮盤、蜂巢式浮盤等附件至今尚未建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；技術(shù)要求遠(yuǎn)低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如我國(guó)對(duì)呼吸閥的泄漏量要求為0.4 m3/h，遠(yuǎn)低于API和ISO要求的0.014 m3/h[4，5]；關(guān)鍵附件的檢測(cè)和評(píng)估能力不足。如呼吸閥、緊急泄壓閥等儲(chǔ)罐關(guān)鍵安全附件，目前國(guó)內(nèi)尚不具備開展全面檢驗(yàn)?zāi)芰?；過程安全管理缺失。安全附件在采購(gòu)、使用和檢維修過程中，其優(yōu)劣基本靠使用單位和設(shè)計(jì)單位的經(jīng)驗(yàn)和乙方的宣傳。

2 國(guó)內(nèi)外極度和高度危害介質(zhì)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和使用現(xiàn)狀

通常，存儲(chǔ)極度和高度危害介質(zhì)的儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)、運(yùn)行、檢維修和VOCs排放控制方面均要嚴(yán)于其他儲(chǔ)罐，而VOCs的排放要求和介質(zhì)的性質(zhì)通常是決定儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要影響因素。

2.1 儲(chǔ)罐本體設(shè)計(jì)方面

在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)方面，國(guó)外規(guī)范均未提及介質(zhì)的毒性問題，我國(guó)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范中有“本規(guī)范不適用于儲(chǔ)存毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)”的說明[6，7]。但毒性介質(zhì)的儲(chǔ)存對(duì)儲(chǔ)罐的強(qiáng)度和穩(wěn)定性沒有特別要求，因此儲(chǔ)罐本體的設(shè)計(jì)與其他介質(zhì)基本是一致的，都是按GB 50341《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是，儲(chǔ)存極度和高度危害介質(zhì)的儲(chǔ)罐一旦泄漏，將會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果。因此其在泄漏防護(hù)措施方面有更嚴(yán)苛的要求，主要表現(xiàn)為：①儲(chǔ)罐與外部設(shè)備設(shè)施的防火距離比儲(chǔ)存其他介質(zhì)儲(chǔ)罐的間距大30%；②儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置氮封保護(hù)系統(tǒng)；③儲(chǔ)罐本體設(shè)計(jì)方面：一是要求單罐容量不應(yīng)大于5 000 m3(SH/T 3007要求不應(yīng)大于10 000 m3)；二是要求不得采用易熔材料制作的內(nèi)浮頂；三是儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)高高液位報(bào)警及聯(lián)鎖系統(tǒng)等。常見國(guó)內(nèi)外常壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范見表1。

表1 常見國(guó)內(nèi)外常壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范[8,9]

2.2 國(guó)內(nèi)外苯儲(chǔ)罐VOCs排放要求

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保的高度重視，苯的排放指標(biāo)已由20 mg/m3嚴(yán)苛至4 mg/m3，個(gè)別地區(qū)(如上海)甚至達(dá)到1 mg/m3。在國(guó)外，德國(guó)和荷蘭外的排放標(biāo)準(zhǔn)為1 mg/m3，東南亞國(guó)家如越南和泰國(guó)的排放指標(biāo)為2～5 mg/m3。

2.3 國(guó)內(nèi)外VOCs治理措施的差異

2.3.1歐美地區(qū)治理措施

罐區(qū)VOCs治理措施更注重源頭控制，如：采用低壓罐、罐區(qū)連通、地上雙壁罐、高效內(nèi)浮盤及密封等措施，以及高可靠性的儲(chǔ)罐壓力控制設(shè)備和系統(tǒng)。源頭控制對(duì)儲(chǔ)罐及氮封系統(tǒng)的密封性提出了很高的技術(shù)要求，特別是儲(chǔ)罐壓力控制系統(tǒng)的密封性和穩(wěn)定性。

2.3.2國(guó)內(nèi)治理措施

我國(guó)對(duì)極度和高度危害介質(zhì)的儲(chǔ)存多采用“內(nèi)浮頂+氮封系統(tǒng)+油氣處理”模式，但是，實(shí)際運(yùn)行過程中，這套系統(tǒng)的使用效果遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。究其原因有多方面因素，但根本原因還在于，我國(guó)對(duì)儲(chǔ)罐壓力控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)備的質(zhì)量控制手段要遠(yuǎn)落后于國(guó)外。在我國(guó)，常壓儲(chǔ)罐自20世紀(jì)80年代使用至今，其在技術(shù)和管理上鮮有改進(jìn)和提升。造成這種現(xiàn)狀主要原因?yàn)椋撼簝?chǔ)罐為非特種設(shè)備，政府未頒布相關(guān)強(qiáng)制監(jiān)督檢驗(yàn)管理規(guī)定；使用單位未能正確認(rèn)識(shí)常壓儲(chǔ)罐的安全風(fēng)險(xiǎn)，相比于化學(xué)反應(yīng)裝置高溫、高壓的特點(diǎn)，儲(chǔ)運(yùn)車間常溫常壓的工藝特性決定了其在企業(yè)管理中被邊緣化的地位；使用單位環(huán)保意識(shí)淡薄。

2.4 使用現(xiàn)狀及存在的問題

極度和高度危害介質(zhì)儲(chǔ)罐存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

a)內(nèi)浮盤密封性差、質(zhì)量普遍低下，導(dǎo)致源頭VOCs大量揮發(fā)泄漏。當(dāng)前規(guī)范明確要求極度和高度危害介質(zhì)儲(chǔ)罐不得使用易熔材料制作的內(nèi)浮頂[10]，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中基本未被采納。我國(guó)當(dāng)前常用的內(nèi)浮盤主要有箱式、浮筒式、蜂巢浸沒式和鋼制單盤式4種型式(見表2)。

表2 內(nèi)浮盤結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)比對(duì)

b)儲(chǔ)罐氣相連通壓力控制區(qū)間太小，罐頂氣相控制閥門對(duì)壓力及流量難以精準(zhǔn)控制。儲(chǔ)罐氣相連通工藝方案中，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力(當(dāng)前我國(guó)常壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力多為2 kPa，見圖1)以及緊急泄壓閥、呼吸閥、單呼閥、氮封閥的設(shè)定壓力區(qū)間太小，使用普通的閥門在實(shí)際運(yùn)行過程中無法滿足使用要求。

儲(chǔ)罐壓力控制區(qū)間太小導(dǎo)致的問題：①單呼閥和呼吸閥密封運(yùn)行不可靠、密封不嚴(yán)，易造成壓力控制系統(tǒng)失效。單呼閥密封不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐無法保壓，造成氮?dú)夂蚔OCs大量泄漏損耗。呼吸閥密封不嚴(yán)主要表現(xiàn)為儲(chǔ)罐在微正壓狀態(tài)下的持續(xù)泄漏(某企業(yè)苯罐呼吸閥運(yùn)行狀態(tài)見表3)；②微正壓狀態(tài)下，氮封閥不能精確控制氮?dú)膺M(jìn)氣量。儲(chǔ)罐壓力越低，對(duì)氮封閥的可靠性要求越高。當(dāng)前氮封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力通常為0.2～0.5 kPa，該壓力區(qū)間內(nèi)氮封閥常出現(xiàn)補(bǔ)氣過量的現(xiàn)象，造成氮?dú)獯罅繐p耗。

圖1 氮封常壓儲(chǔ)罐(2.0 kPa)各附件定壓值示例

表3 某企業(yè)苯罐呼吸閥運(yùn)行狀態(tài)

c)儲(chǔ)罐“小呼吸”損失量大，且太陽(yáng)熱輻射對(duì)罐內(nèi)VOCs濃度值影響明顯，導(dǎo)致存儲(chǔ)介質(zhì)和氮?dú)獯罅繐p耗。

以5 000 m3的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐為例，在緯度0～42°之間地區(qū)的儲(chǔ)罐在白天升溫時(shí)的最大呼出速率可達(dá)683 m3/h(不帶保溫層)。且儲(chǔ)罐容積越大，其“小呼吸”量就越大，以至超過“大呼吸”量。

通過對(duì)一企業(yè)芳烴罐區(qū)的罐內(nèi)VOCs濃度(儲(chǔ)罐帶保溫)進(jìn)行全天候在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，一天中罐內(nèi)最高濃度值(中午14時(shí)：100 g/m3)約是最低值(凌晨3時(shí)：20 g/m3)的5倍。

d)環(huán)保部門對(duì)罐區(qū)VOCs的排放即將實(shí)施全方位監(jiān)管，VOCs收集系統(tǒng)需密閉控制，VOCs處理設(shè)施急需做到排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。罐區(qū)VOCs排放的檢測(cè)點(diǎn)主要有2個(gè)位置：一是油氣處理設(shè)施排放口；二是儲(chǔ)罐罐頂呼吸閥排放口。當(dāng)前環(huán)保部門主要對(duì)前者的排放進(jìn)行檢測(cè)，后者也將逐步推進(jìn)實(shí)施。如北京市和天津市要求揮發(fā)性有機(jī)液體浮頂罐上方VOCs檢測(cè)濃度分別不應(yīng)超過4 000 μmol/mol和2 000 μmol/mol(以甲烷計(jì))。

3 意見與建議

本文基于苯罐檢維修閃爆事故中暴露出的問題和我國(guó)極度和高度危害介質(zhì)儲(chǔ)罐的使用現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前環(huán)保政策的最新要求和儲(chǔ)罐安全管理提升的迫切需求，從儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)建造、運(yùn)行、檢維修和管理等幾個(gè)方面提出幾點(diǎn)意見和建議。

a)要正確認(rèn)識(shí)極度和高度危害介質(zhì)的儲(chǔ)存安全風(fēng)險(xiǎn)——特別是低閃點(diǎn)的毒性介質(zhì)在泄漏后對(duì)人員的中毒影響范圍要遠(yuǎn)大于其燃爆風(fēng)險(xiǎn)，加大必要的安全投入。

b)強(qiáng)化VOCs泄漏源頭控制措施，從根本上減少VOCs產(chǎn)生和排放，同時(shí)也可降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本，如使用高效內(nèi)浮盤、低泄漏呼吸閥和單呼閥等。

c)使用新技術(shù)，如微內(nèi)壓罐、低壓罐、地上雙壁罐等技術(shù)，新技術(shù)的應(yīng)用不僅可以大幅減少儲(chǔ)罐“大、小呼吸”量，也可大量減少氮?dú)獾南?，降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本。

d)做好儲(chǔ)罐壓力控制系統(tǒng)的定期校驗(yàn)和維護(hù)，防止氮封系統(tǒng)失穩(wěn)、失效，造成儲(chǔ)罐泄漏產(chǎn)生安全隱患。

e)建立健全常壓儲(chǔ)罐安全附件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)關(guān)鍵安全附件的過程管控(如設(shè)備選型、入場(chǎng)檢驗(yàn)、過程檢驗(yàn)等)。只有建立完善的管理體系和設(shè)備質(zhì)量認(rèn)證體系，才能保障儲(chǔ)罐長(zhǎng)周期安全、有效可靠運(yùn)行。

f)將定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估切實(shí)納入項(xiàng)目工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，以降低毒性介質(zhì)對(duì)周邊人員及設(shè)施造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。只有通過基于可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)極度和高度危害介質(zhì)儲(chǔ)罐的外部間距進(jìn)行確定，才能有效確保發(fā)生事故后的風(fēng)險(xiǎn)可以接受。