瀕海大型石油儲罐脆弱性分析及其安全保障體系構(gòu)建

嚴琰 郭健 羅欣玥 劉春雨

[摘要]我國戰(zhàn)略石油儲備基地主要布局在沿海地區(qū)，大型石油儲罐是其主要儲油設(shè)施，但是由于這種薄殼空腔結(jié)構(gòu)的先天脆弱性，在海洋的極端氣象條件下，很容易被強風(fēng)、強降水以及鹽霧等破壞，本文對大型油罐的安全脆弱性進行了分析，并確定其安全脆弱性影響因素體系和安全保障體系，對于確保此種類型儲罐的安全穩(wěn)定運行有著十分積極的意義。

[關(guān)鍵詞]大型石油儲罐;脆弱性;安全保障

[中圖分類號] TE972

[文獻標識碼]A

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對石油的需求日益增長，但是由于我國石油儲量少，自然稟賦較差，產(chǎn)能遠遠不能滿足國內(nèi)的需求，為了保障能源安全，國家于2003年正式啟動了石油戰(zhàn)略儲備計劃，分三個階段開展石油儲備基地建設(shè)，目前我國已經(jīng)建成了舟山、大連、鎮(zhèn)海、燕山等大型石油儲備基地，這些石油儲備基地絕大部分建設(shè)在濱海地區(qū)，石油儲運設(shè)施除了個別采用巖穴等儲油方式外，儲油設(shè)施的主體是10萬立方米的大型石油儲罐，相對于小型石油儲罐，大型石油儲罐具有投資少、占地面積小、石油損耗小等優(yōu)點，經(jīng)濟效益十分顯著。

但是由于大型石油儲罐是金屬焊接而成的薄壁結(jié)構(gòu)（大型石油儲罐的徑厚比可以達到2500以上）且我國濱海地區(qū)處于季風(fēng)區(qū)、極端氣象現(xiàn)象頻發(fā)。尤其是臺風(fēng)氣候時，大型石油儲罐很容易受到強風(fēng)破壞，所以對濱海地區(qū)的10萬立方米儲罐的脆弱性進行分析，確定其關(guān)鍵影響因素并提出有針對性的應(yīng)對措施，這對我國濱海地區(qū)油儲基地的建設(shè)順利發(fā)展十分必要。

1 大型石油儲罐安全脆弱性分析

1.1 大型石油儲罐結(jié)構(gòu)組成

大型石油儲罐采用的是立式圓筒形鋼制薄殼結(jié)構(gòu)，儲罐本體由罐底板、簡體壁、頂蓋及其附件（如角鋼、加強件、板梯、平臺、防雷、靜電接地裝置等）組成，油罐頂部采用雙盤浮頂浮頂結(jié)構(gòu)，其中雙盤浮頂有上下兩個蓋板。兩塊板之間有邊緣環(huán)板，徑向和周向隔板將浮頂劃分為許多無滲漏隔室。單盤浮頂?shù)闹荛L為環(huán)形浮船，環(huán)形浮船被分隔成幾個不漏水的隔間，石油儲罐內(nèi)介質(zhì)的重量直接作用于地基。在負荷下處于三維應(yīng)力狀態(tài)。大型石油儲罐如圖1。

1.2 大型石油儲罐風(fēng)致脆弱性分析

沿海地區(qū)極端氣候頻發(fā)，尤其是臺風(fēng)、強降雨以及地質(zhì)災(zāi)害對大型油罐的破壞尤其顯著，以強風(fēng)為例，由于大型油罐是巨大的空腔結(jié)構(gòu)，當風(fēng)以一定的速度向前移動遇到障礙物時，它會對障礙物施加壓力，即風(fēng)壓。風(fēng)壓與障礙物等受力面積呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，本研究采用有限元分析軟件ANYSY分析了強風(fēng)對大型有關(guān)的破壞作用，大型石油儲罐模型如下圖2所示。

在加載風(fēng)載之后，石油儲罐在受風(fēng)面上會發(fā)生內(nèi)凹陷，同時左右風(fēng)壓較小的位置向外凸出形式的變形，其中變形總位移最大的位置是受風(fēng)的正面罐體的頂部，給罐體造成了巨大的破壞。大型石油儲罐風(fēng)致屈曲如圖3所示，實際的破壞案例如圖4所示。

由此可見，在沿海極端氣象條件下，大型石油儲罐的安全脆弱性十分明顯，產(chǎn)生脆弱性的原因固然與罐體本體的特性有關(guān)，更是包涵技術(shù)、管理等方面多因素。

2 大型石油儲罐風(fēng)險因素體系構(gòu)建

影響大型石油儲罐的安全脆弱性的因素除了外來的強風(fēng)、腐蝕、強降水、地質(zhì)結(jié)構(gòu)外，維護管理等因素和設(shè)備本身的維護使用情況也會影響油罐的脆弱性，會給儲罐的安全穩(wěn)定帶來巨大的負面影響。本文參照國家和行業(yè)標準，以及國內(nèi)外事故數(shù)據(jù)，構(gòu)建了大型石油儲罐安全影響因素體系。主要依據(jù)人、機、環(huán)、管等四個方面來確定影響因素體系。

2.1 環(huán)境因素

環(huán)境因素主要是地質(zhì)構(gòu)造，風(fēng)速、溫度、濕度等，其中地質(zhì)構(gòu)造主要指的是大型油罐本身的地質(zhì)狀況和地質(zhì)構(gòu)造的堅固程度，這些因素對油罐的穩(wěn)定性，以及強風(fēng)和強降雨條件下儲罐的災(zāi)害抵抗能力有著很大的影響，在實際的事故中，也發(fā)生過由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)固導(dǎo)致的空罐被強風(fēng)吹翻傾覆的嚴重事故。對于大型石油儲罐來是說強風(fēng)、降雨也是主要的致害因素，本文已經(jīng)強風(fēng)的制害能力進行了深入的分析，此處不再做過多闡述，在降雨這一方面，如果瞬時降雨過大，或者降雨不能及時排出造成嚴重的內(nèi)澇，會造成罐體被浮起，而對罐體本體及地基也會產(chǎn)生巨大的破壞。另外氣溫的高低也影響著大型石油儲罐的安全脆弱性，夏季的高溫和冬季的低溫都會對罐體和附屬設(shè)備造成破壞。

2.2 設(shè)備方面的因素

主要是設(shè)備設(shè)計，設(shè)備維護情況、設(shè)備檢測情況，設(shè)備使用時長等因素，其中設(shè)備設(shè)計，主要是罐體設(shè)計是否符合國內(nèi)外的設(shè)計標準，是否能夠適應(yīng)工作區(qū)域的強度需要。設(shè)備維護情況，包含日常的除銹防腐作業(yè)和檢查維修情況，由于濱海地區(qū)設(shè)備腐蝕情況非常嚴重，如果罐體的防腐作業(yè)不及時或者除銹作業(yè)不及時，罐體的結(jié)構(gòu)強度會迅速降低，從而降低承受強風(fēng)和強降雨的能力。設(shè)備監(jiān)測，通過自動化的監(jiān)測設(shè)備可以及時了解設(shè)備的運行情況，一旦發(fā)現(xiàn)危險情況可以及時的報警，并啟動相應(yīng)等級的應(yīng)急預(yù)案。設(shè)備使用時長，是設(shè)備實際使用的時間跨度，由于金屬疲勞和設(shè)備本身固有的使用年限，因此使用年限越久，設(shè)備出現(xiàn)故障和失能的可能性也越大。

2.3 管理因素

主要包括：安全管理制度、安全應(yīng)急預(yù)案、安全檢查、安全管理人員匹配、安全管理人員合格情況。其中安全管理制度主要是與儲罐安全運行相關(guān)的安全崗位責任制，設(shè)備運行維護制度等相關(guān)的管理制度，這些制度是指導(dǎo)罐區(qū)安全維護的重要制度基礎(chǔ)。安全應(yīng)急預(yù)案是安全管理“一案三制”的核心，是處理緊急突發(fā)事件和災(zāi)害的重要的方案和實施路徑，相關(guān)的預(yù)案設(shè)計合理、行之有效，且經(jīng)過充分訓(xùn)練，有助于化解罐體在強風(fēng)情況的風(fēng)險程度，降低事故災(zāi)害。安全檢查包括：年度安全檢查、季度檢查、月度檢查和日常檢查，通過這些檢查可以及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而提高應(yīng)對效率，降低風(fēng)險度。安全管理人員匹配情況：主要是指安全管理與實際安全需要的匹配情況，能不能滿足實際工作的需要，以及工作人員的專業(yè)水平是否符合實際的需要。安全管理人員合格情況主要是安全管理人員的上崗培訓(xùn)及其相關(guān)證書的考核情況，由于大型石油儲罐本身的工藝與技術(shù)的特殊性，所以其維護有著特殊的要求，要求管理人員必須經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)并考試合格。

2.4 人員安全影響因素

人員安全影響因素主要包括了：年齡因素、崗位技能匹配度等。首先是年齡因素，因為在通常情況下，由于罐體維護作業(yè)需要耗費大量的體力和智力，研究統(tǒng)計表明：年齡層次在30歲到45歲之間的工作人員由于身體條件較好，技術(shù)技能較為豐富，所以在工作中能夠及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。技術(shù)培訓(xùn)年限主要是指安全作業(yè)人員培訓(xùn)的總時限，這是反映安全作業(yè)人員能力的一個重要標準?！叭`率”是指違章作業(yè)、違章指揮、違章操作情況， “三違率”是反映人員作業(yè)整體合格率的重要指標，集中反映了作業(yè)人員是不是能夠按照作業(yè)標準來操作，是不是能夠嚴格的遵守勞動紀律。崗位技能匹配度是指作業(yè)人員自身的技能與實際工作需要的契合度。考核成績，是對作業(yè)人員進行的技能與安全考核，通過考核可以清楚的了解作業(yè)人員的技能掌握情況和技能水平。員工出勤是反映員工到崗情況的重要因素，通過出勤情況可以掌握員工巡檢情況，員工工作的積極性。大型石油儲罐安全風(fēng)險因素體系如圖5所示。

3 大型石油儲罐安全保障措施

依據(jù)大型石油儲罐安全風(fēng)險因素體系，大型石油儲罐的安全保障措施需要作出有針對性的系統(tǒng)應(yīng)對，才能適應(yīng)大型石油儲罐安全管理的需要。

3.1 技術(shù)保障

技術(shù)保障措施主要包括如下幾個方面：選址技術(shù)，由于大型石油儲罐本身薄殼結(jié)構(gòu)的固有脆弱性，容易受到極端氣象條件的影響和破壞，所以對于其選址必須要滿足地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固度的需要，還需要了解常年風(fēng)向，并對可能的破壞進行模擬，確定安全選址地點。安全容量技術(shù)：通過火災(zāi)事故模擬，確定大型油罐區(qū)的安全容量，確定儲罐間距和最大安全距離。罐體加強技術(shù)：通過模擬計算確定加強圈數(shù)量經(jīng)過模擬計算9道抗風(fēng)圈比較有效的防護臺風(fēng)，提高壁厚以及設(shè)置線纜綁扎等技術(shù)提高罐體本身抗拒極端氣候的能力。氣象災(zāi)害預(yù)警技術(shù)：基于國家氣象數(shù)據(jù)，建設(shè)區(qū)域極端氣象災(zāi)害預(yù)警信息平臺，進行早期精確氣象災(zāi)害預(yù)警。安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)：廣泛采用人工智能、5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、無人機等技術(shù)，及時監(jiān)測罐體形變和泄漏的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，實時監(jiān)控罐體的危險性變化，提高早期預(yù)警能力。事故災(zāi)害應(yīng)急管理技術(shù)：針對突發(fā)條件，建設(shè)智能化應(yīng)急決策系統(tǒng)，提高快速應(yīng)急響應(yīng)能力，在事故發(fā)生第一時間進行應(yīng)急救援，提高救援的效率和效能。

3.2 管理保障

管理保障是從管理機制層面為大型石油儲罐的安全運行提供管理的制度依據(jù)，主要包括以下幾個方面：

管理制度：首先是必須完善相應(yīng)的設(shè)備維護制度、安全崗位責任制等制度體系。應(yīng)急預(yù)案體系是指：建立和完善針對強風(fēng)、強降雨以及山體滑坡等突發(fā)事件的應(yīng)急預(yù)案體系，并對各種應(yīng)急預(yù)案進行完善的培訓(xùn)和實際訓(xùn)練。巡檢制度：針對罐體的薄弱環(huán)節(jié)進行設(shè)置巡檢點，定時定點進行安全巡檢，合理科學(xué)規(guī)劃巡檢路線。管理人員培訓(xùn)：針對罐區(qū)的安全、技術(shù)以及應(yīng)急特性進行集中的管理人員培訓(xùn)。人員匹配：根據(jù)罐區(qū)安全的需要配備合適的安全管理人員，提高管理人員的匹配度。

3.3 設(shè)備保障

準入制度：建設(shè)完善的設(shè)備設(shè)施準入機制，按照實際安全需要設(shè)定設(shè)備準入門檻。設(shè)備保養(yǎng)：按照設(shè)備運行要求，設(shè)定設(shè)備保養(yǎng)周期，設(shè)備保養(yǎng)程序。設(shè)備年限：根據(jù)設(shè)備的腐蝕情況、使用強度需要設(shè)定設(shè)備的實際工作年限。

3.4 人員保障

人員選擇：根據(jù)設(shè)備需要選擇合適的人員，包括人員的年齡結(jié)構(gòu)、學(xué)歷結(jié)構(gòu)和知識結(jié)構(gòu)等考量因素。技能培訓(xùn)：對作業(yè)人員進行技能培訓(xùn)，并通過考試，演練確定作業(yè)人員實際作業(yè)水平。安全培訓(xùn)：對作業(yè)人員進行安全培訓(xùn)，并通過考試，確定作業(yè)人員實際安全技能水平。

4 結(jié)語

大型油氣儲罐是我國石油儲運基地建設(shè)的核心設(shè)備，目前我國的石油儲備基地大部分都建設(shè)在沿海地區(qū)，由于沿海地區(qū)自然條件復(fù)雜，極端氣象現(xiàn)象頻發(fā)，加之大型石油儲罐的空腔結(jié)構(gòu)，安全脆弱性明顯，被強風(fēng)等自然災(zāi)害破壞的可能性極大，本文對大型石油儲罐的脆弱性進行了分析，確定了其主要風(fēng)險因素，并依據(jù)風(fēng)險因素提出了有針對性的保障措施，可以為大型石油儲罐的安全運行提供一定的借鑒和參考。

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