大型原油储罐浮顶事故分析

大型原油储罐浮顶事故分析

1原油大型储水池设计的风险分析1.1急救极限范围和极限范围原油是甲基b类燃料，易于煮沸，爆炸极限狭窄，但值低，存在一定的爆炸风险。同时，原油的易沸腾和溢流应特别注意。1.2油罐泄漏的事故原油的特性决定火灾爆炸危险性是大型原油储罐最主要也是最重要的危险因素。发生着火事故的三个必要条件为:着火源、可燃物和空气。着火源的问题主要是通过加强管理来解决,可燃物泄漏问题则必须在储罐设计过程中加以预防和控制。泄漏的原油暴露在空气中,即构成可燃物。原油泄漏,在储运中发生较为频繁,主要有冒罐跑油,脱水跑油,设备、管线、阀件损坏跑油,以及密封不良造成油气挥发,另外还存在罐底开焊破裂、浮盘沉底等特大型泄漏事故的可能性。腐蚀是发生泄漏的重要因素之一。国内外曾发生多起因油罐底部腐蚀造成的漏油事故。对原油储罐内腐蚀情况初步调查的结果表明,罐底腐蚀情况严重,大多为溃疡状的坑点腐蚀,主要发生在焊接热影响区、凹陷及变形处。罐顶腐蚀次之,为伴有孔蚀的不均匀全面腐蚀。罐壁腐蚀较轻,为均匀点蚀,主要发生在油水界面,油与空气界面处。相对而言,储罐底部的外腐蚀更为严重,主要发生在边缘板与环梁基础接触的一面。浮盘沉底事故是浮顶油罐生产作业时非常忌讳的严重恶性设备事故之一。该类事故的发生,一方面反映出设计、施工、管理等方面的严重缺陷;另一方面又将造成大量原油泄漏,严重影响生产、污染环境并构成火灾隐患。2浮顶卡阻沉顶事故的赔偿浮顶油罐是大型储备库最重要的设备。随着油库扩容的要求,多年来国内外的浮顶卡阻沉顶事故多次发生,造成巨大经济损失,成为急待解决的课题。根据多年的设计经验,通过剖析国内外浮顶油罐结构,提出了避免浮顶卡阻沉顶事故的措施。2.1浮顶结构的影响浮顶油罐的浮顶(如图1)所受载荷较为复杂,除介质引起的浮力外,还有风、雨、操作条件、自身结构,尤其是导向管(或导油管)及导向筒的结构对浮顶倾斜时是否卡阻影响颇大,现就各主要因素对浮顶的影响分述如下。2.1.1罐壁摩擦的大小及方向浮顶在罐内介质浮力作用下浮在液面上,浮顶下端的浸没深度主要取决于浮顶及附件质量、刮蜡板、密封机构对罐壁摩擦力的大小及方向以及导向筒对导向管、量油管摩擦力的大小及方向。但当隔舱破坏漏油、浮顶积水、风力作用及浮顶受导向管(或量油管)卡阻时,其浸没深度就会发生深度不同的变化,造成浮顶倾斜。2.1.2消防斑块浮顶的特征狂风对浮顶产生附加弯矩,并使浮顶向最大风向漂移。当狂风吹过罐上方时,风力线密度发生变化,并改变方向,与罐顶呈α角俯冲到浮顶上,并在消防挡板挡雨板处受阻最大。俯冲力T可分解成与浮顶垂直的T2(略去浮顶的排水坡度)和平行浮顶的T1。在俯冲力的尾端,即狂风初始进入地带,由于风力线突变,根据空气动力学原理,将产生一定的真空度,相当于对浮顶产生一向上的吸力T3,这样一来,T2和T3形成了对浮顶中心的倾覆力矩,T1对消防挡板产生一推力,使浮顶向最大风向漂移,并产生对浮顶的倾覆力矩M,其方向与前一力矩叠加。且风力为忽大忽小的动载荷。2.1.3雨线偏干,因水线偏干,则干雨线偏色暴雨无风时,对浮顶的冲击力是均匀向下的,仅影响浮顶的浸没深度,但当暴雨伴随狂风时,就会使雨线偏斜。雨线对浮顶的冲击力可分解成与浮顶垂直的力及与罐顶平行的力,而其力作用在消防挡板和挡雨板上,由于雨线在风力作用下对浮顶形成一入射角,浮顶左方一部分不受雨线作用,因而造成浮顶偏载,所以对浮顶中心形成倾覆力矩,并与前一力矩叠加。2.1.4浮顶倾覆力影响当暴雨使浮顶积水不能从中央排水管排尽时,将造成一定深度的积水,因浮顶倾斜,在最大风力方向一侧积水较深,又产生一与前相同方向的浮顶倾覆力矩。2.2预防措施2.2.1浮顶倾覆弯矩的影响导向管及量油管与最大风向的不同安装方位,对浮顶的倾覆矩影响较大。如在最大风向浮顶的两端增加2根导向管,则浮顶倾覆就会受阻,使导向管(或量油管)倾覆弯矩减小。对于大型储罐,由于直径较大,可适当增加导向管,对任何风向都有较大抗浮顶倾覆能力,其增加的费用远远低于浮顶沉没事故处理造成的经济损失。2.2.2根导向管及量油管布置当储罐容量较小时,也可仍按现有浮顶结构仅设两根导向管及量油管,但必须按建罐地点实际最大风向两端布置,且将量油管设在夏季最大风尾处。这样,导向管对浮顶反力矩的力臂会成百倍地增加。2.2.3“或两端固结,以轴向滑动导向管及量油管的变形失稳主要是刚度不足,为此可将导向管及量油管的直径及壁厚加大,由现在的下端固结,上端自由(可轴向移动)改为两端固结(或上端固结,下端可轴向滑动)。有人可能担心,原来的上端自由是为解决导向管因气温变化产生的热胀冷缩。实际上,导向管的工作条件与罐壁相差无几,因为原油储罐虽然与大气温差较大,但由于罐壁保温,外露部分又因罐壁结构较薄,故与量油管同一气温下的湿度变化较小,这种差异引起的伸缩可由导向管两端的支架吸收,只要支架设计合理,不会造成恶性附加应力。2.2.4浮顶倾覆的稳定性现有的浮顶油罐,有的在浮顶下部均布若干个限位块,其径向尺寸约为浮顶与罐壁空间的1/2,它在与罐壁接触时,罐壁对它的反力对浮顶中心产生力矩,使浮顶倾覆,处于最大风向的限位块产生的倾覆力矩正好与前述倾覆力矩叠加,加剧了浮顶的倾覆,因而十分不利。如果将其改在浮顶上部,并使其有一定柔性,一方面可使力矩与上相反,减缓浮顶倾覆;另一方面,其柔性可吸收一部分定位块与罐壁的冲击能,减缓浮顶在狂风下飘荡产生的冲击力,使动载荷系数降低,不宜使浮顶产生整体失稳破坏。2.2.5浮顶部浮顶破坏的排除在狂风暴雨时,中央排水管及紧急排水管由于浮顶的倾斜,已失去了原有的功能,使浮顶上方在最大风向上产生局部大量积水,它是浮顶破坏的重要因素,为此需及时排除。若在浮顶最外一圈夏季最大风向区域的浮舱上加设适当数量的连通管,通过连通管将浮顶上的积水及时排入罐内,减少浮顶积水形成的外载荷,消除导致浮顶破坏的重要因素。2.2.6严格控制浮顶载荷现有的国内外浮顶油罐皆为非封闭式隔舱,每一个隔舱的人孔大都为快开机械联接式平板盖,当在事故条件下,易使雨水或油注入舱内,加大浮顶载荷,恶化沉顶条件。浮舱顶板与浮舱隔板大都为花焊联接,若其中一个隔舱有油或水,当液面超过顶板与隔板的花焊焊缝时,就必然产生液体溢舱,同样恶化浮顶沉顶条件,倘若油罐的设计者或建设单位使浮顶隔板与浮顶底板形成花焊,那么只要有一个隔舱浸入液体,就会使全部浮船浸入等深的液体中,必然产生浮顶沉没。3油罐密封腐败和腐败3.1覆盖层和罐底保护地上钢质储油罐使用过程中经常遭受内外环境介质的腐蚀,其中罐底板腐蚀穿孔事故占储罐腐蚀事故比率最高。因此应对储油罐罐底板实施有效的防腐措施,减少泄漏事故的发生,以延长储油罐大修周期。涂料防腐是用覆盖层将金属与介质隔开,从而对金属起到保护作用。但由于覆盖层有微孔,老化后易出现龟裂、剥离等现象。若因施工质量差而产生针孔,使裸露的金属形成小阳极,覆盖层部分成为大阴极而产生局部腐蚀电池,则会更快地破坏漆膜。因此,采用单独的涂料保护效果不佳。若采用涂料与阴极保护联合防护,使裸露的金属获得集中的电流保护,弥补覆盖层缺陷,是储罐罐底板防腐最为经济有效的方法。储罐边缘板在罐结构中的作用十分重要,但却容易渗进水而遭受腐蚀。目前在役的储罐均未采取有效的防腐措施,要全面控制罐底板的腐蚀,除了对罐底板主体进行防护外,还要对边缘板外露部分(以下边缘板均特指边缘板外露部分)采取有效的防腐措施。3.2小蚀坑的形成过程水是原油罐底板的腐蚀根源,原油和水中的硫化物与罐底板金属反应机理为:Fe2++S2−→FeSFe2++S2-→FeS在碳钢表面的硫化物氧化皮或锈层有孔隙的情况下,原油罐底水中Cl-离子能穿过硫化物氧化皮或锈层到达金属表面,在金属表面的局部地点形成小蚀坑。硫化物溶解的反应式为:FeS+4H2O=Fe2++SO2−442-+8H+8e生成的H+离子对金属产生活化作用,使小蚀坑继续溶解,成为孔蚀源。孔蚀源成长的最初阶段,溶解下来的金属离子发生水解,生成氢离子:Men++nH2O=Me(OH)n+nH+这样会使小蚀坑接触的溶液层的pH值下降,形成一个强酸性的溶液区,这反而加速了金属的溶解,使蚀坑继续扩大、加深。腐蚀从开始到暴露经历一个诱导期,但长短不一,有些需几个月,有些则需一年至几年。坑蚀的形成,使原油罐金属底板受到很大的侵蚀。由于坑蚀的面积很小,加之随机性和高度局部化的特征以及诱导期很长,因此很难用物理方法检测出坑蚀的深度。即使泄露发生后,再用测厚仪测厚,仍不会发现罐金属底板有明显的减薄倾向。3.3原油罐及罐底保护(1)在油罐金属底板的结构设计中,尽可能将罐底板铺平,并略向脱水口倾斜,以利原油罐底的水脱除干净。(2)新建原油罐应采用埋地牺牲阳极的阴极保护措施,该方法比在原油罐内设牺牲阳极更有效。(3)原油罐内主要是水相腐蚀,原油罐内底部水层的厚度最高时为800mm左右。因此,应在罐底板上1m的圈板范围内涂刷保护性涂料。(4)在原油罐内使用WF-50防腐蚀涂料加阴极保护的方案可有效地防止原油罐金属底板腐蚀。3.4防止卡车底板表面腐烂3.4.1选择合适的执法电极对罐底板上表面的阴极保护推荐采用牺牲阳极的阴极保护。对于阳极品种的选择,由于温度影响,不宜选用锌阳极;由于安全因素,不宜选用镁阳极,所以多选用铝合金阳极。牺牲阳极易于安装,而且当阳极消耗为初始重量的85%时,可在清罐时进行更换。1999年某泵站新建的一座2万m3储罐,其底板上应用牺牲阳极保护,保护范围为整个罐底板及罐壁下部1m高的表面。共使用54块、重22kg的铝合金阳极,阳极直接焊接在罐底板上表面及罐壁下部,在罐底呈环状分布(如图2、图3)。3.4.2静电涂膜的使用对罐底内防腐覆盖层的基本要求是:遇到存储产品不变质、耐潮、抗渗透,对金属表面有很好的附着性能,抗冲击、抗阴极剥离,易修补,耐老化性能好,耐存储温度。由于输送过程中油品和管壁的摩擦,流经泵和过滤器等都会产生静电,在管路末端,未被消散的静电进入油罐,在油罐内,油品和油罐接管内壁的摩擦油品之间的相对运动也会产生静电,若采用普通的绝缘覆盖层,其电阻率多在109~1013之间,阻断原油储运中产生的静电高压,可能会放电击穿油气层,发生事故。因此,要求使用电阻率在108以下的防静电涂料。由于罐底板安装了牺牲阳极,静电可通过阳极导出(因为阳极直接焊在底板上)。因此,推荐采用重型玻璃鳞片涂料,该涂料具有优良的抗渗透性、抗冲击性、良好的粘结力和耐磨性、耐化学介质浸泡、溶剂少、固体含量高、可作厚涂等优点。若考虑清罐困难,不采用牺牲阳极保护,则推荐以下防腐方案:(1)采用T521聚氨酯防静电涂料作面漆,以炭黑为导电填料的E544环氧防静电涂料作中间漆,以无机富锌T588防静电涂料为底漆。(2)若只采用无机富锌涂料,则由于锌是两性金属,既能溶于酸,又能溶于碱,即易发生如下反应:Zn+2NaOH+2H2O=Na2[Zn(OH)4]+H2↑因此,以上涂料选择方案可避免富锌涂料过早失效。3.4.3防渗剂、涂膜的使用由于罐内的牺牲阳极无法对边缘板的外露部分提供保护,而外露部分所处的环境又很恶劣,所以推荐采用热喷涂铝防腐。喷涂层可经受典型的高温考验,可有效地隔绝腐蚀介质的渗透,防止钢板在介质中的电化学腐蚀,铝覆盖层还可起到牺牲阳极的作用。若喷涂其它电位比EF正的金属,则存在形成大阴极小阳极的危险。普通的涂料防腐应定期进行除锈更新,以上做法虽然一次性投资较高,但可一劳永逸。澳大利亚防腐公司的论文通过比较两种典型防腐层的整体寿命和目前的净费用,认为对长寿命设施使用高性能的防腐体系更为经济。3.4.4再用防水胶密封由于圈梁的阻隔,边缘板部位是阴极保护的盲区。储罐装油后,边缘板微上翘,雨水很容易流入边缘板与基础的缝隙中。为了阻止雨水进入缝隙,一般采用石棉绳填塞在缝隙中,再用防水胶与玻璃纤维布混合结构密封。该处理方法的弊端很大,起不到良好的防水作用。还可以采用一种“切削环梁外露角,于边缘板外下焊一圈圆钢”的结构,如图4。具体做法是切削环梁外露角,对已建储罐,在边缘板的外下沿,焊一圈D6的圆钢,焊完后再用防水密封胶密封并填平焊接处。这种结构能有效地控制水分进入边缘板与基础的缝隙中,减少因边缘板上翘而造成的积水,且施工方便,效果好(若担心连续焊对罐体与底板焊缝的影响,可采用点焊)。此结构已在储罐中进行试验,取得了很好的应用效果。3.5氧浓差电池腐蚀罐底板与砂基础接触不良,会造成杂散电流的干扰土壤腐蚀储罐基础以砂层和沥青砂为主要构造,罐底板座落在沥青砂面上。由于罐中满载和空载交替,冬季和夏季温度及地下水的影响,使得沥青砂层上出现裂缝,致使地下水上升,接近罐的底板,造成腐蚀。当油罐的温度较高时,罐底板周围地下水蒸发,使盐分浓度增加,增大了腐蚀程度。氧浓差电池腐蚀罐底板与砂基础接触不良,也会引起氧浓差电池,这时中心部位成为阳极而被腐