大型浮顶储罐密封结构及运行中的燃气分布

大型浮顶储罐密封结构及运行中的燃气分布

0储罐其他常用热辐射技术石油作为战略资源的不变性和国际市场的需求结构决定了大型石油供应的重要性。安全的石油储备体系不仅可以保证石油的连续供应,而且能最大限度地降低油价波动给社会经济带来的的影响。近年来,国家原油战略储备库、商业储备库等项目纷纷开工建设。目前原油储备以大型浮顶储罐为主,储罐直径一般在60-100m,由于浮盘面积大,而且直接暴露于大气中,雷击概率明显增加,储罐因雷击火花放电引发的雷击储罐火灾事故连续发生。据SY/T6556-2003《大型地面常压储罐防火和灭火》报告,在研究有记载的各行业各类储罐107例火灾中,有65例火灾原因被确定为雷电,占总数的61%。可见雷电是引发浮盘储罐火灾的重要原因。近年来,我国发生较大的储罐雷击着火爆炸事故20多起,造成较大的经济损失。特别是1989年8月12日,黄岛油库遭受雷击,造成5#罐起火后,引爆1-4号罐,大火燃烧了104个小时,造成19人死亡、78人受伤,5个油罐报废。2011年11月22日18时30分,大连大港集团油品码头海滨北罐区两台10万立方米原油浮顶储罐因雷击发生火灾事故,大型储罐的雷击火灾的防护越来越受到各方的重视。雷击事故的连续发生,说明现有的大型储罐雷电防护措施存在不足,储罐在恶劣的雷暴天气条件下的长期安全运行仍面临巨大挑战,需要进一步研究和完善大型储罐的防雷技术措施。本文通过对大型浮顶储罐现有的防雷设施、运行中的油气分布以及雷击时储罐电位分布等方面进行分析研究,对大型浮顶储罐雷击火灾机理进行分析,对大型浮顶储罐防雷击安全运行具有一定的指导意义。1大型储层结构及油气分布1.1环形密封装置大型浮顶储罐主要有罐体、浮盘、一二次密封装置、量油管、导静电线、排水管、转动扶梯等组成。浮盘是覆盖在油面上可以随油面一起升降的盘状金属物,可以大大缩小储罐的油气空间区域。浮盘的外边缘与罐壁之间有一定间距的环形间隙,此间隙是储罐油气挥发的主要渠道,为阻止油气蒸发,通常采用密封装置来减少油品的蒸发损失。目前国内外广泛使用的是“一次密封结构+二次密封结构”的密封方法。一次密封的主要型式有软密封及机械式密封两大类种。软密封主要是在环形橡胶腔内填充海绵体或煤油等物质,填充物与浮盘、罐壁紧密接触,以达到密封效果。机械式密封主要是依靠机械式弹簧支架将一次密封油气隔膜撑开,始终与罐壁保持接触,以达到密封效果,见图1。二次密封由防蒸发隔膜、支撑板、密封刮板、导电片及紧固连接件组成。支撑板采用1.5-2.0mm厚的镀锌板或不锈钢板制成,沿罐璧周围搭接。导静电片通过螺栓固定在支撑板上,依靠弹力与罐璧相连,见图2。1.2浮顶密封系统泄漏储罐浮顶的油气泄漏过程实质上是储罐液面维持相平衡的动态过程。防止浮顶密封系统泄漏的关键是保持储液上方汽相空间油气浓度、温度和压力的衡定。通常情况下浮顶密封引起的泄漏主要分为两类,即浮顶密封静止蒸发损耗和储罐的收、发油操作引起的油气损耗。1.3次密封失效机理在外浮顶储罐的施工和运行过程中,由于操作不当或维护不利会导致密封系统失效,主要原因如下:(1)在浮顶储罐施工过程中,罐壁的圆度、垂直度及局部凹凸度的偏差会造成机械密封性能降低。(2)在外浮顶储罐作业过程中,浮盘的沉降运行、介质对罐壁的腐蚀等因素会导致储罐和浮顶的几何形状、尺寸的变化,也会造成密封不严。(3)密封橡胶受阳光照射、风蚀而老化开裂,可能引起的变形造成密封膜失效,进而影响密封效果,见图3。(4)风力、介质进出储罐等因素使浮盘在罐内产生“漂移”。密封的失效造成二次密封内空间与大气产生连通,造成汽相空间的变化,引发持续或多次的的油气泄漏,造成更大范围的可燃气空间。由于二次密封装置不能完全阻止外界空气进入密封装置内部,因此,油气与外界空气必然在一、二次密封装置之间形成油气混合物,该区域处于爆炸危险区域的1区范围(即在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境)。另外,若金属密封板与罐壁贴合不严,则密封板与罐壁间的少量油气也将扩散至一、二次密封装置之间,这加快了一、二次密封装置之间油气混合物的形成。通过上述分析,可以看到在一二次密封装置之间充满了可燃气,如果在这些部位发生火花放电,火灾事故将不可避免。2储罐法没有设置地闪杆c在传统的雷电防护理论中,接闪杆利用自身的高度可以将雷击点引至自身,使得被保护范围不遭受雷电直击。但是接闪杆在应用于储罐防护时存在以下四个问题。一是当接闪杆遭受雷击时,周围区域形成很强的电场分布,通过图4、图5的仿真计算结果发现距离接闪杆10m的区域电场强度可达40kV/m,周围导体上会形成感应过电压,感应过电压容易导致产生雷击二次效应危害,会造成金属间隙之间的火花放电,引燃周围油气造成火灾事故。二是当接闪杆安装在储罐上方时,避雷针接闪时,会有数百千安的雷电流流过,当储罐金属部件之间存在不可靠的电气连接时,雷电流流过储罐会造成储罐金属部件之间的放电,引发火灾事故。三是由于储罐直径很大,根据滚球法计算,现有接闪杆的保护范1围很难全面覆盖储罐,而且雷电也可以绕过接闪杆而击中被保护对象。再者,接闪杆的设置增加了储罐周围区域遭受雷击的概率,也就是通常所谓的“引雷”。这样使得雷击储罐火灾事故的风险大大提高。因此接闪杆在罐区防雷中应该谨慎使用。当储罐壁厚超过4mm时,储罐本体应可以承受雷电直击而不发生明显损坏,故不应装设接闪杆。储罐雷击火灾事故的点火源是大型浮顶储罐在雷击时,各金属附件之间的火花放电,储罐遭受雷击主要有以下几种形式:(1)雷电直击储罐罐顶。由于储罐一般高度约20多米,罐顶位置易遭受雷电直击。雷击后,雷电流将通过罐壁、浮盘等通道对地泄放。(2)雷电直击浮盘。根据滚球法计算,储罐浮盘有较大的区域不在罐顶的保护范围内,尤其是当储罐处于高液位时,大部分浮盘区域都可能遭受雷电直击。雷击发生后,雷电流将通过浮盘、浮盘与罐壁的通路、罐壁对地泄放雷电流。(3)雷电击中储罐附近的高塔或避雷针等较高建筑物上或雷电感应。当雷云作用在储罐周围时,储罐上会感应大量与雷云电荷极性相反的电荷,当雷电击中储罐附近的高塔或避雷针等较高建筑物上或雷云之间放电时,储罐上的电荷就会失去束缚泄放到大地。上述三种雷击方式中(2)是最为危险的,当雷击储罐时,雷电流将通过储罐各条泄流通道进行雷电流泄放,浮盘与罐璧相连的通道主要包括导静电线、二次密封的导电片、滑动扶梯、机械密封金属件、刮蜡器等。IEC62305-3:2006《雷电防护第3部分:建筑物的物理损坏和生命危险》中提到作为雷电流的泄放通道应该具备连续的电气连接,也就是说连接应通过钎接、焊接、夹接、弯折、螺栓连接等方式连接。而在二次密封的导电片则是靠外界的弹力进行贴合的,并不是连续的电气连接,因此在雷电流流过时存在产生火花放电的可能。通过试验表明,雷电流通过导电片时,电流只需要达到几百安培就可能引起火花放电[7,8,9,10,11,12,13,14,15]。3次密封时形成混合气空间二次密封所处位置存在燃爆油气空间,如果雷电流泄放的过程中在这个位置发生打火现象就极可能引起爆炸,引发密封圈火灾事故。通过对近几年国内发生的连续多起雷击着火事故进行分析,发现发生雷击火灾事故的储罐均是密封圈火灾,储罐着火点的位置都在密封圈处,均有多处燃爆点。另外发生事故的储罐一次密封均采用机械式密封,剪刀机构的活动轴部位及密封靴板与罐壁接触的边缘之间容易形成放电间隙。雷击储罐时,雷电流或感应电压造成储罐导电片或机械密封金属连接件之间形成火花放电,形成点火源。由于密封设施密封效果不严,造成空气进入二次密封内部,与油气进行混合,达到爆炸下限,形成大范围的混合气空间。如果密封泄漏严重时,在一二次密封之间、二次密封内部、甚至二次密封上部空间都会形成燃爆混合气空间。当雷击火花遇上可燃气空间时,发生闪爆,造成密封设施部分区域的完全损坏,使得油面直接暴露在空气中,油气蒸发加速,造成大量蒸气与空气充分混合,形成更多的可燃气,形成局部燃烧,如果不能及时扑灭,装在容器中的可燃液体局部受热后,以对流的传热方式使整个液体温度升高,蒸发速度加快,压力增大,甚至使容器爆裂或蒸气溢出,遇到火源而发生燃烧或爆炸。4浮顶与罐壁之间存在的放电间隙为了彻底解决浮顶储罐浮顶与罐壁在油气空间中的放电问题,开展了大量的试验分析、仿真计算,获得了大量宝贵的关键数据,提出了大型浮顶储罐雷电防护的成套防护措施,主要措施有:(1)取消二次密封上的导电片,用其它等电位连接方式替代目前浮顶储罐浮顶与罐壁之间等电位连接设施包括:导电片、扶梯侧2根导静电线。导静电线长达20多米,在泄放雷电流时由于导线的趋肤效应使电感瞬时增大,同时使浮顶与罐壁之间产生较大的电位差,如果密封圈处有放电间隙存在,就有可能引发火灾。浮顶与罐壁之间每隔3m安装一个导电片,当储罐在遭受雷击时,导电片成为浮顶储罐浮顶与罐壁之间雷电流的主要泄放通道。储罐在实际运行过程中,往往导电片不能与罐壁之间贴合紧密,作为浮顶与罐壁之间良好的电气通路,反而与罐壁之间易形成放电间隙,雷击时能产生火花放电,成为浮顶储罐的主要点火源之一。取消导电片后带来的最大问题就是仅靠2根导静电线泄放雷电流时,使浮顶与罐壁之间的电位差数量级的增大,能使储罐上一定大小的间隙击穿放电。所以需要寻找一种浮顶与罐壁之间可靠的等电位连接方式替代它,同时使浮顶与罐壁之间的电位差有效降低。浮顶与罐壁之间最可靠的电气连接方式就是通过导线连接,目前储罐上使用的可伸缩式接地装置,可以实现浮顶与罐壁之间最短的导线连接。(2)一次密封是机械密封更换为软密封浮顶储罐一次密封型式包括:机械密封和软密封。多年的运行经验表明机械密封结构抗雷击能力差。软密封型式属于一种弹性填充