袁瑞華

陜西延長石油（集團）管道運輸公司

陜西延長石油已有120 年歷史，原油產(chǎn)量穩(wěn)定在1 200×104t/a 以上，油田公司、煉化公司、管道運輸公司共有外浮頂原油儲罐約200 座，容量最大的有6×104m3，最小的有2×104m3，大罐和小罐油氣揮發(fā)規(guī)律趨勢是相同的。但是，至今為止，陜西延長石油的外浮頂原油儲罐從未做過對油氣揮發(fā)規(guī)律的研究，國內(nèi)其他油田、煉化、管輸、儲運等公司文獻上也未查到做過外浮頂原油儲罐油氣揮發(fā)規(guī)律的詳細研究情況，未做更多深入研究[1-2]。主要原因有五個方面：①該實驗研究周期長，至少1 年內(nèi)要做52 天，而且要選環(huán)境溫度高、風(fēng)速高的每月每周內(nèi)的某一天；②該實驗研究非常復(fù)雜，因為油氣揮發(fā)濃度是個非穩(wěn)態(tài)變量，影響其變化因素較多，例如原油物性、流變性、密度、含水率、含雜質(zhì)、原油溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)速、油面靜或動、進油及出油流速、液位、光照時間、密封圈質(zhì)量或老化情況等；③科研單位、設(shè)計單位、高校等單位無法長時間赴儲罐現(xiàn)場做研究；④企業(yè)技術(shù)人員在重大危險源儲罐頂長期做此項實驗研究有非常大的安全隱患，上罐頂實驗無絕對安全控制保障措施，一旦出現(xiàn)意外將對人身安全造成重大威脅；⑤罐頂實驗環(huán)境惡劣，每次上罐頂約40 m 梯程，在罐頂6 個點做實驗，每周選做1 天，每座罐每年要做2 304次實驗，工作量較大。

由此可見，該實驗研究工作非常危險、復(fù)雜和困難。目前外浮頂原油儲罐油氣揮發(fā)安全隱患的風(fēng)險管控沒有做到理論指導(dǎo)實踐、實踐驗證理論、事先預(yù)防和管控，這個問題長期得不到實質(zhì)性解決，其危害不可估量。例如，人員日常上外浮頂原油儲罐罐頂作業(yè)、巡檢、打掃衛(wèi)生、維修維護附件、取樣等，隨時可能發(fā)生意外情況，存在安全隱患。另外，響雷打閃也能引起外浮頂原油儲罐罐頂密封圈起火、爆炸、油品泄漏等事件，國內(nèi)已有案例，危害相當嚴重。外浮頂原油儲罐的油氣揮發(fā)也會對環(huán)境造成嚴重污染、對資源造成嚴重浪費。

針對上述問題，通過實驗法、比較法、圖示法、篩選法、歸納法等方法探索研究陜北地區(qū)外浮頂原油儲罐油氣揮發(fā)規(guī)律，根據(jù)油氣揮發(fā)規(guī)律給出儲罐安全隱患風(fēng)險管控建議，指導(dǎo)上罐人員安全作業(yè)；給大型外浮頂原油儲罐應(yīng)用主動安全防護系統(tǒng)（給儲罐一、二次密封圈注氮氣，稀釋油氣濃度或氧氣濃度）及油氣回收裝置，實現(xiàn)儲罐雷擊爆炸、起火、燃燒、污染環(huán)境、危害人身安全與健康等風(fēng)險管控，人員也可隨時上罐安全工作，減少儲罐油氣揮發(fā)濃度，保護了周邊環(huán)境。可見，研究外浮頂原油儲罐油氣揮發(fā)的規(guī)律對國內(nèi)外浮頂原油儲罐隱患風(fēng)險管控起到了很重要的作用。

1 實驗研究目的

利用實驗得出陜北地區(qū)外浮頂原油儲罐油氣揮發(fā)的最大濃度，判斷其是否滿足標準要求，是否影響和危害周邊環(huán)境。通過對陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司管道運輸公司（以下簡稱延長石油）洛川末站6 座容量為5×104m3外浮頂原油儲罐（圖1）一、二次密封裝置之間的氣相空間進行采樣分析，獲取在不同時間段、不同環(huán)境溫度、不同風(fēng)速下油氣的揮發(fā)規(guī)律，為儲罐安全運行提供技術(shù)保障。找出陜北地區(qū)外浮頂原油儲罐油氣揮規(guī)律，為今后儲罐安全管理、運行、技術(shù)研究做依據(jù)，避免油氣中毒、窒息、靜電起火、雷擊起火等意外事件發(fā)生。

圖1 洛川末站6 座外浮頂原油儲罐外觀Fig.1 Appearance of 6 external floating roof crude oil storage tanks at Luochuan Terminal Station

2 實驗研究條件

主要設(shè)備：溫度計、便攜式可燃氣體檢測儀（絕對防爆型）、便攜式可燃氣體報警儀（絕對防爆型）、風(fēng)速測試儀、專用罐頂作業(yè)工作服、應(yīng)急設(shè)備（包括提前系在罐頂防護欄上的逃離防火繩，繩長度大于罐頂距地面高度）等；選取標準滿罐外浮頂原油儲罐進行實驗，原油液位不低于17 m，因為最高液位相對油氣揮發(fā)濃度最高，風(fēng)險最大；原油溫度在30～45 ℃之間；原油含水率不大于1%；儲罐的一、二次密封圈無老化間隙變大、刮油不凈的情況；此外，不滿足以上條件的另做研究實驗。在儲罐不進油或出油基本靜態(tài)的情況下，進行日間10 h 數(shù)據(jù)測試，上罐實驗時，必須保證上罐人員作業(yè)的安全，防爆措施、應(yīng)急預(yù)案等需滿足標準、規(guī)范、制度的要求。

3 實驗結(jié)果

3.1 篩選出油氣揮發(fā)濃度最高的儲罐

對洛川末站6 座儲罐的密封圈內(nèi)油氣氣體濃度進行檢測，選出油氣揮發(fā)濃度最高的儲罐作為實驗研究對象，檢測結(jié)果如表1 所示。

表1 6 座儲罐的密封圈內(nèi)油氣氣體濃度測試情況Tab.1 Measurement of oil and gas concentration in sealing rings of 6 storage tanks

由表1 可知，G02 儲罐油氣濃度最高，主要原因是液位最高，日照時間相對最長；其余儲罐油氣濃度都較低。故選取G02 儲罐作為本項目的研究對象，進行全年的油氣濃度檢測研究。

3.2 G02 儲罐全年實驗數(shù)據(jù)

采樣點為罐頂均勻分布的6 個點，互成60°角，將6 個點或6 個小孔（DN8）布置在罐頂二次密封圈上，委托專業(yè)安全消防設(shè)計施工甲級單位，采用絕對防爆工藝，按照標準要求在罐頂二次密封圈上開孔，6 個小孔采樣后用絕對防爆銅制螺栓或螺釘封孔；檢測時間為期1 年，從2020 年6 月3 日開始至2021 年5 月31 日。檢測間隔周期為1 周選做1 次，累計1 年內(nèi)共52 周選做52 次；技術(shù)員持便攜式可燃氣體檢測儀按照規(guī)定時間在采樣孔處感應(yīng)儲罐一、二次密封圈處揮發(fā)出的油氣濃度，待可燃氣體檢測儀讀數(shù)穩(wěn)定后，拍照數(shù)據(jù)圖片并立即在實驗表上記錄對應(yīng)數(shù)值，52 次實驗數(shù)據(jù)全部收集錄入到《油氣揮發(fā)規(guī)律試驗研究報告》，該數(shù)據(jù)原始照片、記錄和報告永久保存，為后期儲罐生產(chǎn)運行提供參考。本次節(jié)選其中12 周每月1 次的實驗數(shù)據(jù)（表2～表13）。

表2 第1 周6 個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.2 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 1st week

表3 第5 周6 個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.3 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 5th week

表4 第9 周6 個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.4 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 9th week

表5 第13 周6 個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.5 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 13th week

表6 第18 周6 個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tal.6 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 18th week

表7 第23 周6 個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tal.7 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 23rd week

表8 第27 周6 個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.8 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 27th week

表9 第31 周6 個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.9 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 31st week

表10 第35周6個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.10 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 35th week

表11 第39周6個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.11 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 39th week

表12 第44周6個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.12 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 44th week

表13 第48周6個采樣點油氣揮發(fā)濃度測試情況Tab.13 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 48th week

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可得出G02 儲罐全年在08:00～18:00 時段每小時各采樣點的油氣揮發(fā)曲線圖572個，選出最能反映問題的2 個圖進行分析。從圖2、圖3 可以看出G02 號儲罐油氣揮發(fā)的規(guī)律。

圖2 G02 儲罐全年在12:00 時段各采樣點的油氣揮發(fā)曲線Fig.2 Oil and gas volatilization curve of each sampling point at 12:00 in the whole year of G02 storage tank

圖3 G02 儲罐全年在13:00 時段各采樣點的油氣揮發(fā)曲線Fig.3 Oil and gas volatilization curve of each sampling point at 13:00 in the whole year of G02 storage tank

4 儲罐油氣揮發(fā)規(guī)律

（1）儲罐每季度油氣揮發(fā)規(guī)律（特殊天氣除外）：4 季度＜1 季度＜3 季度＜2 季度，儲罐在冬季夜間處于靜止狀態(tài)。

（2）儲罐每月油氣揮發(fā)規(guī)律（特殊天氣除外）：根據(jù)G02 號儲罐全年油氣濃度分析，1～6 月隨環(huán)境溫度（-10～33 ℃）逐漸升高，油氣揮發(fā)濃度總體上升。6 月份油罐的油氣揮發(fā)濃度最高，最高達到102%LEL，油氣濃度已達到爆炸極限；在6～9月期間且環(huán)境溫度在25～33 ℃之間，油氣揮發(fā)濃度整體降低；9～10 月期間且環(huán)境溫度在25 ℃左右，油氣揮發(fā)濃度整體保持不變；10～12 月期間且環(huán)境溫度在10～25 ℃，油氣揮發(fā)濃度整體降低，最低達到0 LEL。

（3）儲罐每天油氣揮發(fā)規(guī)律（特殊天氣除外）：從G02 油氣揮發(fā)曲線可以看出，除個別采樣點異常外，大多數(shù)由于白天溫度高，油氣揮發(fā)濃度比晚上高。從8:00 開始，隨著氣溫的升高，油氣揮發(fā)濃度逐漸升高，10:30～15:30 油氣揮發(fā)濃度達到最高102%LEL，15:30 后隨著氣溫的降低，油氣揮發(fā)濃度逐漸降低。

（4）儲罐每時油氣揮發(fā)規(guī)律（特殊天氣除外）：根據(jù)表1～表7 可看出，油氣揮發(fā)濃度受氣溫的影響較為明顯。隨著氣溫的升高，油氣揮發(fā)濃度逐漸升高：8:00 油氣揮發(fā)濃度為0～25%LEL；9:00油氣揮發(fā)濃度為0～26%LEL；10:00 油氣揮發(fā)濃度為0～31%LEL；11:00 油氣揮發(fā)濃度為1%～55%LEL；12:00 油氣揮發(fā)濃度為2%～78%LEL；13:00 油氣揮發(fā)濃度為0～102%LEL；14:00 油氣揮發(fā)濃度為0～90%LEL；15:00 油氣揮發(fā)濃度為0～91%LEL；16:00 油氣揮發(fā)濃度為0～81%LEL；17:00 油氣揮發(fā)濃度為0～64%LEL；18:00 油氣揮發(fā)濃度為0～52%LEL。在08:00～13:00 之間氣溫逐漸升高達到最高，此時段的油氣揮發(fā)濃度也遞增到最大值，到13:00時油氣揮發(fā)濃度最高達到102%LEL，已達到爆炸的臨界條件，此時一旦遇到火源即刻發(fā)生爆炸。而在13:00～18:00 之間氣溫逐漸降低，此時段的油氣揮發(fā)濃度整體下降，但在15:00 出現(xiàn)拐點，油氣揮發(fā)濃度又略微升高，大于14:00 的油氣揮發(fā)濃度。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)按照外浮頂原油儲罐油氣揮發(fā)規(guī)律上罐頂工作。在儲罐頂打掃衛(wèi)生、巡檢、維修維護儲罐附件及取油樣等工作時，盡量選在8:00 以前或18:00 以后進行，11:00 至15:00 不宜上罐頂工作，特別是在2 季度6 月及3 季度7～9 月每天12:00～13:00 更不要輕易上罐頂工作，避免油氣中毒、窒息、靜電起火等意外事件發(fā)生。

（2）針對外浮頂原油儲罐在6 月份的油氣揮發(fā)濃度最高達到102%LEL 的爆炸極限，需提前做好3項應(yīng)急措施：①輸油站模擬啟動應(yīng)急處置程序，站控崗人員及時查看SCADA 系統(tǒng)監(jiān)控情況，若發(fā)現(xiàn)儲罐液位在17 m 以上，立即通知外輸崗人員切換倒灌流程或外輸流程，將該儲罐原油及時倒出一部分或外輸一部分，抑制或減少油氣揮發(fā)；②輸油站模擬啟動重大危險源專項應(yīng)急預(yù)案或模擬啟動儲罐著火一級預(yù)案，即先啟動儲罐噴淋冷卻水系統(tǒng)給儲罐降溫，抑制油氣揮發(fā)，同時，檢查消防泵、泡沫液等是否完好，一旦著火立即停止一切倒油或輸油流程，啟動泡沫滅火系統(tǒng)滅火；③模擬啟動分公司級綜合應(yīng)急預(yù)案，出動消防車參與應(yīng)急救援。另外，6 月份降低油氣揮發(fā)濃度的辦法是頻繁切換站內(nèi)倒灌流程，降低油罐液位。

（3）給大型外浮頂原油儲罐推廣應(yīng)用主動安全防護系統(tǒng)[3-10]。不進行主動防護時油氣揮發(fā)濃度最高能達到102%LEL，研究表明當采用主動防護系統(tǒng)后，濃度被控制在10%LEL，主動防護系統(tǒng)既減少了油氣揮發(fā)對環(huán)境的污染程度，又降低了儲罐雷擊可能引起爆炸、起火、燃燒等的風(fēng)險，也降低了人員上罐工作的風(fēng)險，人員可以隨時上罐頂工作。

（4）企業(yè)可以考慮給外浮頂原油儲罐改造安裝先進油氣回收裝置，或者結(jié)合實際研發(fā)設(shè)計出專用的外浮頂原油儲罐先進油氣回收裝置，充分回收外浮頂原油儲罐揮發(fā)的油氣[11]，保護環(huán)境，預(yù)防工作人員油氣中毒或患慢性職業(yè)病的風(fēng)險。