儲罐氣相連通安全風(fēng)險(xiǎn)分析

陳栓洲

(中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司，江蘇南京 210048)

0 前言

煉化企業(yè)油品儲罐的呼吸及殘油的揮發(fā)，以及停工掃線和油品中攜帶的溶劑揮發(fā)等帶來的惡臭氣體排放，已經(jīng)成為煉廠空氣污染的重大污染源，廠區(qū)VOCs的主要來源之一。企業(yè)目前采用的罐區(qū)VOCs治理方式的趨勢是根據(jù)存儲介質(zhì)的特性，通過氣相連通線將整個(gè)罐組甚至全廠多個(gè)儲罐組連接成一個(gè)整體，分類、分片區(qū)收集VOCs，再通過增壓風(fēng)機(jī)送往后續(xù)VOCs等處理裝置[1]。儲罐氣相連通后，當(dāng)某一儲罐發(fā)生閃爆或火災(zāi)時(shí)，火焰可沿連通管線傳播到其它儲罐，引發(fā)重大群罐火災(zāi)。近年來氣相連通罐組事故頻發(fā)，如2014年南京某石化企業(yè)“6·9”群罐火災(zāi)爆炸事故；寧波某化工廠生產(chǎn)裝置可燃?xì)怏w通過氣相連通管線倒竄入儲罐，引發(fā)火災(zāi)。為此，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》(安監(jiān)總管三〔2014〕68號)，要求立即暫停使用多個(gè)化學(xué)品儲罐尾氣連通回收系統(tǒng)，經(jīng)安全論證合格后方可投用。氣相連通罐組安全已成為企業(yè)環(huán)保治理中最關(guān)注的安全問題之一，因此開展儲罐氣相連通安全風(fēng)險(xiǎn)研究，為罐區(qū)VOCs治理的安全設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo)，具有重要的意義。

1 儲罐氣相連通方式

企業(yè)在進(jìn)行罐區(qū)VOCs治理時(shí)，為了能集中收集VOCs，通常將多個(gè)儲罐的氣相空間進(jìn)行連通。如圖1所示，封閉儲罐與外界開口，在儲罐罐頂上增設(shè)氣相連通支線。各儲罐氣相連通支線匯集到氣相連通總管后，通過增壓設(shè)備將儲罐排放的廢氣送入VOCs處理裝置進(jìn)行處理。涉及的主要改造包括:封閉儲罐與外界的開口，利用和新增儲罐開口增設(shè)廢氣收集支線，并完善壓力檢測儀表和切斷閥。每一個(gè)罐組氣相支線上增設(shè)阻火器。許多儲罐也涉及氮封系統(tǒng)改造。

圖1 儲罐氣相連通示意

2 分析方法

為合理評估儲罐增加氣相連通后的安全風(fēng)險(xiǎn)，對12家煉化企業(yè)的儲運(yùn)罐區(qū)氣相連通現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，掌握了氣相連通安全設(shè)計(jì)、運(yùn)行中存在的共性問題。并采用安全檢查表、HAZOP分析等方法，對典型罐區(qū)氣相連通VOCs收集及處理系統(tǒng)開展系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析。針對調(diào)研及評估中發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵共性安全問題，結(jié)合某煉化企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，提出安全措施，為企業(yè)罐區(qū)氣相連通安全設(shè)計(jì)提供參考。

3 儲罐氣相連通安全風(fēng)險(xiǎn)

3.1 火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)

3.1.1 儲罐內(nèi)形成可燃?xì)怏w環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)

a)內(nèi)浮頂儲罐增加氣相連通設(shè)施和氮封后，需要封閉儲罐罐頂和罐壁的通氣孔，從而導(dǎo)致儲罐浮頂與拱頂之間形成密閉的氣相空間。如果儲罐的密封不良，將導(dǎo)致儲罐浮盤與拱頂之間存在的可燃?xì)怏w濃度增加。

b)內(nèi)浮頂常壓儲罐老式浮盤密封性差，浮頂油氣濃度易超標(biāo)，增加了儲罐氣相連通火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)廣泛采用浮筒式浮盤。浮盤下方存在較大的油氣空間，浮盤及其附件泄漏點(diǎn)多，導(dǎo)致浮盤上方空間油氣濃度超標(biāo)；浮盤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，易受液面波動(dòng)造成變形，危險(xiǎn)性增加。

c)氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)的設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)依據(jù)，無法保持氣相連通罐組始終維持正壓。在常壓罐組廢氣收集系統(tǒng)中，維持整個(gè)系統(tǒng)處于一種微正壓狀態(tài)，防止空氣通過儲罐呼吸系統(tǒng)或管路薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)入儲罐組、氣相收集管路和后續(xù)處理設(shè)施是保證該系統(tǒng)本質(zhì)安全的重要原則。因此，多數(shù)罐區(qū)收集系統(tǒng)在每個(gè)相連的儲罐上設(shè)置有氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)。目前，各企業(yè)氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大流量是按最大泵出量考慮，并沒有考慮異常溫降對儲罐壓力的影響，特別是在高溫多雨的南方，這種設(shè)計(jì)方案無法可靠保證在出料和降雨同時(shí)出現(xiàn)的工況下儲罐能維持維正壓。

3.1.2 點(diǎn)火源的風(fēng)險(xiǎn)

導(dǎo)致儲罐發(fā)生火災(zāi)爆炸點(diǎn)火源包括外部點(diǎn)火源和內(nèi)部點(diǎn)火源。

a)外部點(diǎn)火源如雷擊、靜電、外部火源等。在儲罐壓力高，呼吸閥外排時(shí)，如果發(fā)生呼吸閥火災(zāi)，可能導(dǎo)致回火事故，引發(fā)儲罐內(nèi)部火災(zāi)爆炸事故。ISO28300試驗(yàn)證明火焰可以通過呼吸閥進(jìn)入儲罐內(nèi)部氣相空間。試驗(yàn)同時(shí)也驗(yàn)證了呼出氣體被引燃后能夠通過呼吸閥吸入口進(jìn)入儲罐內(nèi)部氣相空間而回火，當(dāng)呼出量小的時(shí)候，回火也可以發(fā)生在呼吸閥的呼出端[2]。

b)內(nèi)部點(diǎn)火源包括靜電、硫化亞鐵等。由于所儲存的物料含硫，儲罐內(nèi)部和氣相連通管線內(nèi)部將生成硫化亞鐵。對某輕質(zhì)油品罐區(qū)罐頂氣相聯(lián)通管道內(nèi)壁和儲罐上部空間沉積物進(jìn)行了取樣，進(jìn)行了X-射線衍射分析和能譜分析，檢測結(jié)果罐頂氣相管線、儲罐均含有硫化亞鐵。因此對于儲存高含硫物料的儲罐，應(yīng)做好儲罐內(nèi)防腐，并設(shè)置氮封，防止生成硫化亞鐵。

3.1.3 過程改造過程中火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)

輕質(zhì)油品罐區(qū)氣相連通系統(tǒng)改造，改造儲罐與運(yùn)行儲罐交叉。改造儲罐施工、動(dòng)火等作業(yè)，會影響到周邊儲罐的正常運(yùn)行。如改造項(xiàng)目違章施工、違章作業(yè)，隔離防護(hù)不到位，可造成附近設(shè)備、電器、管線損壞，還有可能引發(fā)重大設(shè)備或火災(zāi)、爆炸事故。

3.1.4 重大群罐火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)

儲罐氣相連通后，當(dāng)某個(gè)儲罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，將導(dǎo)致火焰通過氣相連通線互竄至其他儲罐和油氣回收裝置，引發(fā)儲罐群火災(zāi)和油氣回收裝置火災(zāi)事故。根據(jù)國際油氣生產(chǎn)者協(xié)會OGP發(fā)布的數(shù)據(jù)，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)的拱頂罐或內(nèi)浮頂儲罐發(fā)生內(nèi)部爆炸的頻率約為1.15×10-4/(年·座)[3]，而連通數(shù)量越多，發(fā)生事故可能性就越大。

此外，長管道輸送會促進(jìn)爆燃轉(zhuǎn)變爆轟，通?；鹧?zhèn)鞑ヂ窂介L度達(dá)到管徑的100倍時(shí)，爆燃可以轉(zhuǎn)變成爆轟[4]，爆轟可能導(dǎo)致連通管網(wǎng)破壞，造成泄漏火災(zāi)。管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意爆炸防護(hù)，根據(jù)中國石化《石油化工企業(yè)儲運(yùn)罐區(qū)罐頂油氣連通安全技術(shù)要求(試行)》管道和管件的公稱壓力應(yīng)不低于1.6 MPa。

3.2 儲罐本體安全風(fēng)險(xiǎn)

3.2.1 儲罐超壓風(fēng)險(xiǎn)

目前國內(nèi)常壓儲罐設(shè)計(jì)壓力多為2 kPa。儲罐增加氮封設(shè)施后，需要將罐壁通氣孔封死，氮封系統(tǒng)氮?dú)鈮毫?.3～0.7 MPa，如果氮?dú)庹{(diào)壓閥故障，將導(dǎo)致儲罐壓力升高，甚至有可能引發(fā)超壓爆炸。儲罐快速進(jìn)料過程或溫升過程中，儲罐壓力也會升高；罐頂油氣管線設(shè)壓控閥故障關(guān)閉或阻火器堵塞，也會導(dǎo)致儲罐壓力也會升高。部分儲罐全天候阻火呼吸閥利舊，呼閥存在腐蝕、堵塞、無法完全關(guān)閉打開的風(fēng)險(xiǎn)。

封閉后的內(nèi)浮頂儲罐承壓能力有所不同，需重新校核罐體強(qiáng)度，對儲罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性改造，根據(jù)儲罐承壓能力重新核定呼吸閥進(jìn)氣和排壓能力。

3.2.2 儲罐負(fù)壓風(fēng)險(xiǎn)

儲罐氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未綜合考慮泵出量和外界溫度變化的影響。當(dāng)儲罐快速出料和異常溫降時(shí)，可能導(dǎo)致儲罐氣相空間為負(fù)壓。儲罐氣相空間未設(shè)置壓力低報(bào)警，當(dāng)壓力低于氮封系統(tǒng)啟動(dòng)壓力時(shí)，操作人員無法及時(shí)確認(rèn)氮?dú)夤?yīng)狀態(tài)。補(bǔ)氮設(shè)施故障時(shí)，可能導(dǎo)致儲罐氣相空間為負(fù)壓。部分儲罐全天候阻火呼吸閥利舊，吸閥存在腐蝕、堵塞、無法完全關(guān)閉打開的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 儲罐液位高風(fēng)險(xiǎn)

儲罐液位高或滿罐時(shí)，可能導(dǎo)致液體油品進(jìn)入油氣連通系統(tǒng)，造成阻火器壓降增大，甚至堵塞，液體進(jìn)入增壓風(fēng)機(jī)，可造成風(fēng)機(jī)損壞。如風(fēng)機(jī)損壞，油氣大量外泄，還可引發(fā)事故。

3.3 罐頂氣連通工藝存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

3.3.1 污水池與罐區(qū)罐頂氣連通的燃爆風(fēng)險(xiǎn)

企業(yè)VOCs治理中存在儲罐與污水池系統(tǒng)共用一個(gè)收集管網(wǎng)和處理系統(tǒng)的問題。污水池由于密封不嚴(yán)，收集的廢氣富含空氣，且污水池廢氣中烴濃度波動(dòng)非常大，易形成爆炸性氣體。通過對9家企業(yè)隔油池?fù)]發(fā)有機(jī)廢氣非甲烷總烴的有效監(jiān)測，濃度超過5 000 mg/m3的企業(yè)達(dá)到5家。近年來多次污水池閃爆事故證實(shí)了污水池廢氣的危險(xiǎn)性。部分企業(yè)污水池廢氣雖然設(shè)置了單獨(dú)的廢氣收集管網(wǎng)，但未設(shè)置廢氣總烴濃度檢測與高高聯(lián)鎖切斷措施，在并入罐區(qū)油氣處理裝置前未設(shè)緊急切斷閥和管道阻火設(shè)施，也存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2 直接連通的儲罐最大數(shù)量未作限制

目前企業(yè)通常將相同或性質(zhì)相近的儲罐罐頂先直接連通，然后共用一個(gè)開關(guān)閥控制罐組排氣，以減少大呼吸和氮?dú)庀?。罐頂油氣直接連通數(shù)量越多，發(fā)生火災(zāi)爆炸的可能性就越大，但企業(yè)目前通常未限制儲罐的連通數(shù)量，部分企業(yè)甚至將30個(gè)儲罐直接連通，而沒有采取切斷措施。

3.3.3 事故下無法遠(yuǎn)程切斷

儲罐罐頂氣相連通后，各儲罐氣相支線上沒有設(shè)置事故下可遠(yuǎn)程切斷的閥門，一旦一個(gè)儲罐發(fā)生事故，無法將連通儲罐組內(nèi)其他儲罐的氣相切斷。雖然設(shè)有阻火器，但管道爆轟型阻火器通常不耐燒，若管道內(nèi)持續(xù)燃燒，可擊穿阻火器傳播到其它儲罐，引發(fā)重大群罐火災(zāi)。

3.3.4 連通方式的風(fēng)險(xiǎn)

現(xiàn)場存在將火災(zāi)危險(xiǎn)性不同的儲罐、高含硫與低含硫儲罐、高溫物料與常溫物料儲罐、內(nèi)浮頂儲罐與拱頂儲罐、設(shè)置氮封儲罐與未設(shè)氮封儲罐進(jìn)行直接連通的現(xiàn)象。儲罐物料火災(zāi)危險(xiǎn)性、硫含量、油氣濃度、氣相空間氧含量等不同都會增加氣相連通罐組相互間的危險(xiǎn)。

3.4 罐頂氣去明火設(shè)備處理的風(fēng)險(xiǎn)

部分企業(yè)將氣相連通罐組收集的VOCs送往加熱爐、焚燒爐等明火設(shè)備進(jìn)行處理?；鹁妗⒎贌隣t、蓄熱氧化(RTO)/熱氧化(TO)等都是點(diǎn)火源，控制不當(dāng)會發(fā)生回火，長管道輸送會促進(jìn)爆燃轉(zhuǎn)變爆轟，一處發(fā)生火災(zāi)，爆炸可能快速通過總管蔓延到其他裝置。廢氣控制不當(dāng)，也對這些裝置設(shè)備帶來安全影響。NFPA67《管道系統(tǒng)內(nèi)氣體混合物爆炸防護(hù)指南》和NFPA69《爆炸預(yù)防系統(tǒng)》中均對罐頂油氣連通后廢氣送往加熱爐等明火設(shè)備進(jìn)行了嚴(yán)格的安全規(guī)定[4，5]。

此外，在送往低壓瓦斯時(shí)，現(xiàn)場存在的問題包括:未考慮熱值問題，部分流程未設(shè)氧含量檢測與安全聯(lián)鎖；氧含量測量采用1oo1，可靠性不滿足安全要求；多數(shù)流程沒有考慮火炬氣大量排放時(shí)的倒竄風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 管道阻火與管網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)存在的風(fēng)險(xiǎn)

阻火器是非常關(guān)鍵的安全設(shè)備，NFPA69中對煉化企業(yè)VOCs治理中需安裝阻火器的位置有明確要求。通過對已經(jīng)實(shí)施氣相連通改造的163座罐區(qū)(儲罐總數(shù)1 106座)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，阻火器方面存在如下問題。

a)管道阻火器缺失現(xiàn)象嚴(yán)重。部分儲罐氣相支線未按要求安裝管道爆轟性阻火器，已經(jīng)施工和投入運(yùn)行的項(xiàng)目中，共有399臺儲罐氣相支線上未設(shè)阻火器，缺失占比達(dá)到36%。

b)管道爆轟型阻火器質(zhì)量存在嚴(yán)重問題。已經(jīng)施工和投入運(yùn)行的罐頂油氣連通項(xiàng)目中，共安裝管道爆轟型阻火器759臺，其中595臺未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)認(rèn)證或未知，只有126臺經(jīng)過認(rèn)證。阻火器能否有效阻火存疑。

c)阻火器安裝與檢測維護(hù)缺乏技術(shù)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。管道阻火器的安裝缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。對于管道爆轟型阻火器的安裝應(yīng)避開非穩(wěn)態(tài)爆轟區(qū)域，防止在管道內(nèi)爆炸時(shí)管道阻火器失效。通常儲罐油氣支線上阻火器宜靠近罐頂氣相出口。對于部分儲罐，儲罐強(qiáng)度達(dá)不到罐上安裝要求，可安裝在罐下。罐下安裝需要考慮非穩(wěn)態(tài)爆轟位置。由于無技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致現(xiàn)有罐下安裝阻火器位置不滿足“避開非穩(wěn)態(tài)爆轟臨界處”的安全要求。

ISO16852[6]及NFPA67等要求在役阻火器必須定期維護(hù)，但目前國內(nèi)尚無在役阻火器的檢定及維護(hù)技術(shù)，阻火器安裝后，很少進(jìn)行檢維修，通常僅在堵塞時(shí)進(jìn)行清洗及吹掃。NFPA67指導(dǎo)意見頒布之前實(shí)施的項(xiàng)目，阻火器前后多數(shù)未安裝閥門，無法切出維修；應(yīng)用于易聚合、結(jié)晶、腐蝕、冷凝堵塞等條件下阻火器，未選用可拆卸式，導(dǎo)致阻火器難以維護(hù)。

4 結(jié)論和建議

通過現(xiàn)場調(diào)研與評估、結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行情況，對氣相連通罐組存在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。增加氣相連通管線和VOCs治理裝置后，安全風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)是防止重大群罐火災(zāi)。

a)加強(qiáng)罐區(qū)VOCs治理源頭控制。揮發(fā)性石油或石油化學(xué)品儲罐應(yīng)在符合安全等相關(guān)規(guī)范的前提下，采用壓力罐、低溫罐、高效密封的浮頂罐等措施。當(dāng)采取源頭控制措施能夠滿足國家和地方的VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不建議采用罐頂氣連通收集及集中處理方案，從而降低罐頂連通的安全風(fēng)險(xiǎn)。

b)嚴(yán)禁污水池等高含氧、高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)施與罐區(qū)共用 VOCs收集系統(tǒng)；對氣相連通罐組收集的VOCs通往加熱爐、焚燒爐、工藝爐、TO、RTO等明火設(shè)備和全廠性低壓瓦斯系統(tǒng)的工藝應(yīng)明確要求開展系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析，并開展專項(xiàng)評估，制定安全控制方案。

c)建議從系統(tǒng)安全控制出發(fā)，結(jié)合后續(xù)VOCs處理設(shè)施綜合的特點(diǎn)設(shè)計(jì)安全措施。通過爆炸性氣體控制(分類連通收集、設(shè)置高安全性氮封、分布式氧含量檢測)、控制直接連通數(shù)量、大型儲罐增加遠(yuǎn)程切斷閥、管道可靠阻火與管網(wǎng)爆炸防護(hù)等技術(shù)提升罐頂氣連通本質(zhì)安全，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。

d)嚴(yán)把管道爆轟型阻火器的質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格執(zhí)行ISO16852的測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，降低罐頂油氣連通的安全風(fēng)險(xiǎn)。