鋁制穹頂儲罐火災事故分析及防控研究

李曉東

(中石化石油銷售有限責任公司,北京 102500)

0 前言

大型油氣儲運基地關乎國家能源戰略安全,在國家石油戰略布局下,我國石油儲備基地總容量達千萬立方米等級。作為儲存原油的最主要設備,大型外浮頂儲罐直徑達60～100 m,單體容量國內最大為15×104m3,危險源能量集中,發生事故具有多米諾骨牌效應特征,一旦發生全面積火災,易引發罐區群罐火災,風險防控難度高。由于鋁制穹頂具有耐蝕性優異、高度輕量化等特點,可有效解決大型外浮頂儲罐油品損耗量大、受極端天氣影響等問題[1],國外從20世紀50年代起,在石化儲運系統和大型公共性建筑、倉儲、煤礦等領域,已開始大量使用各種形式的鋁制穹頂。在荷蘭鹿特丹港、新加坡布星島、美國洛杉磯和休斯頓等地區的煉油廠和油品罐區,鋁穹頂儲罐廣泛應用,并針對鋁制穹頂技術形成了相關標準規范[2]。

國內方面,由于隨著儲罐直徑的增大,鋼制拱頂重量相應大幅增加,進而對罐頂自身結構、罐壁以及罐基礎的承重都提出了更高要求,因此我國建造容積超過5×104m3(直徑60 m)的儲罐目前仍主要采用外浮頂結構。但考慮到鋁穹頂自重輕、耐腐蝕性強以及加裝鋁制穹頂之后可以大幅提升外浮頂可靠性等優勢,鋁制穹頂技術在我國也逐步得到少量使用,如廣東惠州某石化企業建造了5臺10×104m3鋁制穹頂儲罐,海南洋浦某石化企業建造了3臺10×104m3鋁制穹頂儲罐,遼寧大連某企業建造了3臺2×104m3和11臺10×104m3的鋁制穹頂儲罐。

但是,近年國外鋁制穹頂儲罐已經發生了多起雷擊火災事故,其安全問題逐步受到重視。如2002年波蘭某鋁制穹頂儲罐發生雷擊火災事故,火災持續5 h;2018年新加坡某鋁制穹頂儲罐發生雷擊火災事故,火災持續6 h;2022年古巴石油儲備基地雷擊火災事故,火災持續5天以上。

因此,本文以外浮頂儲罐鋁制穹頂安全防控為研究內容,通過對古巴馬坦薩斯灣儲油基地火災事故進行剖析,提出安全防控措施,旨在提升我國大型油氣儲存基地鋁制穹頂儲罐安全管控水平,預防事故發生。

1 典型事故案例分析

1.1 古巴馬坦薩斯灣油庫基本情況

馬坦薩斯灣儲油基地位于古巴馬坦薩斯省馬坦薩斯灣,總庫容40×104m3,油庫主要為附近發電廠提供燃料。油庫共分為2個罐組,每個罐組分別有4臺儲罐,單罐容積為5×104m3,事故發生之前的馬坦薩斯灣油庫布置,如圖1所示。

圖1 事故之前的馬坦薩斯灣油庫布置

圖1中的儲罐類型為“外浮頂+鋁穹頂”的結構型式,網殼穹頂外表面設有避雷網,存儲介質為用于發電的重質燃料油。

1.2 事故過程

2022年8月5日19時左右,該地區出現雷暴天氣,閃電擊中圖1儲油基地中的罐1后起火,并釀成全面積火災。發生事故時,罐1內的存儲介質共約2.6×104m3。8月6日5時左右,在強風與熱輻射的綜合影響下,大火引燃南側相鄰的罐2,之后該儲罐共發生了4次爆炸,罐2在著火之前罐內共存有約5×104m3柴油。8月8日凌晨3時左右,罐2持續燃燒近40 h后發生坍塌,燃料溢出后形成池火,波及南側的罐3,繼而引發爆炸。8月8日下午,罐4起火。

1.3 事故結果

事故處置過程中,共造成17名消防員失蹤,132人受傷。在儲罐1發生全面積火災時,雖然消防員在防火堤內對罐2的罐體進行人工水噴淋降溫,但之后儲罐2在高溫烘烤下發生爆炸,這可能是造成17名消防員失蹤的主要原因。此次事故最終導致儲油基地南側防火堤內的4臺5×104m3的儲罐全部燒毀,如圖2所示。

圖2 事故之后的馬坦薩斯灣油庫

1.4 事故原因分析

本次事故由1臺儲罐遭雷擊引發火災,并擴大至4臺儲罐的全面積群罐火災,主要有6個方面原因。

a) 罐頂中央通氣孔未設阻火器或阻火器失效。儲罐遭雷擊之后,引燃了中央通氣孔排出的油氣,中央通氣孔回火并引燃了罐內油氣,進而導致儲罐發生全面積火災。但該原因的可能性較低,因為儲罐遭雷擊的時間為傍晚19時,此時環境溫度下降,儲罐處于“小呼吸”的吸氣階段。

b) 罐頂避雷網失效,穹頂鋁蒙皮板材料被雷電擊穿,引燃罐內油氣。根據API 650—2021《Welded Tanks for Oil Storage》要求,鋁制穹頂所用的鋁合金蒙皮板材料厚度通常為1.2 mm,而鋁合金材料預防直擊雷的最小厚度達到7 mm時才不會被擊穿[2]。

c) 避雷針接閃并泄放雷電流時,鋁穹頂上的金屬構件產生火花放電,進而引燃儲罐內的油氣,導致儲罐火災。

d) 罐1爆炸后,浮盤可能發生了沉沒或傾覆,進而引發全面積火災。罐1發生爆炸前,儲罐液位處于中間位置,浮頂上方有較大的油氣空間,爆炸強度高。由于鋁穹頂與罐壁通常采用螺栓連接,而不是鋼制頂所采用的弱連接,導致爆炸時罐內的壓力得不到及時釋放,從而導致浮盤沉沒或傾覆。

e) 罐1發生全面積火災之后,火災未能及時得到控制,導致罐2在長達10 h的高溫熱輻射作用下發生火災和爆炸。

f) 隔堤密封不嚴,導致罐2的池火蔓延至罐3和罐4的隔堤內。發生事故時,罐2為滿液位,罐2在全面積火災作用下,罐體發生坍塌進而引發池火。由于隔堤失效,池火進一步蔓延至相鄰儲罐的隔堤內,導致事故擴大。隔堤失效的可能原因,包括隔堤穿墻管道未設密封措施或密封不嚴、穿越隔堤的排水系統未設水封、混凝土隔堤不具備耐火性以及隔堤伸縮縫未采取密封措施等。

2 對策措施

2.1 提升安全防護技術

a) 開展鋁制穹頂抗雷技術攻關,提升鋁制穹頂儲罐的抗雷擊能力。根據此次事故暴露出來的問題,重點研究鋁穹頂抗雷技術,深入分析國外鋁穹頂儲罐事故案例和標準規范,從設計、安裝、運行和維護等方面系統開展抗雷型鋁穹頂技術攻關,形成成套技術及裝備,并在有條件時進行應用。

b) 加強罐區安全風險監測能力建設,以便及時發現事故征兆。在位于多雷區域的罐區配置雷電預警系統;應用儲罐狀態監測系統,提升罐體失穩監測能力;組建罐區溢油監測系統,及時防控溢油事故;開展企業和危險源端雙重預防體系和風險監測預警系統建設,充分運用信息化、智能化管控技術,持續提升罐區安全管理水平;大力推動“工業互聯網+?；踩a”融合創新應用,開展特殊作業、智能巡檢、人員定位系統試點建設。

c) 治理大型外浮頂儲罐密封不嚴問題。在一、二次密封間增設油氣空間消除措施,解決浮盤邊緣一、二次密封間油氣空間大的問題;提升浮盤整體密封性,包括加裝浮頂支柱密封、導向管(量油)密封裝置,消除附件VOCs泄漏。

2.2 加強安全管理

a) 排查儲罐防雷設施缺陷問題,提升儲罐防雷能力。外浮頂儲罐導向柱增設絕緣裝置;排查儲罐防雷、防靜電隱患,評估設有避雷針的儲罐的雷擊閃爆風險,檢查罐頂中央通氣孔和呼吸閥是否設有阻火設施,排查罐體與浮頂的接地、量油口和自動通氣孔等附件的等電位連接情況。

b) 排查浮頂邊緣一、二次密封的結構完整性情況。確保邊緣板與罐壁之間的環形密封間距偏差在±100 mm條件下,一次密封應與罐壁保持良好接觸;定期檢測外浮頂儲罐二次密封內部、外部可燃氣體濃度,對可燃氣檢測濃度超過25%爆炸下限的儲罐應及時查找原因,對無法整改的儲罐應加強雷雨天的消防監護。

c) 重視罐區漏油及事故污水收集系統的完好性,防范池火、流淌火造成群罐火災事故。完善罐區漏油及事故污水收集系統(防火堤、堤式消防車道與防火堤之間的低洼地帶、雨水收集系統和漏油及事故污水收集池),是預防罐區發生群罐火災事故和環境污染事件的最重要的控制措施之一。排查防火堤密封性和容積不足的情況,整改防火堤有效容積小于最大油罐公稱容量的油罐組,容積為2×104m3及以上的儲罐應單獨設置隔堤,以將可能泄漏的大量油品控制在防火堤內,防止事故擴大化;排查罐區事故池容積、排水系統導流以及圍墻的密封性等問題,最大程度將大面積泄漏的油品限制在油庫以內;推進地上雙壁儲罐等新技術的研發和應用,解決部分老舊儲罐防火間距不足、防火堤容積不達標等問題。

2.3 提高應急處置水平

a) 加強儲罐區高效滅火設施配置。提升罐區初期泄漏火災事故處置能力。針對風險較高的雷擊密封燃爆事故,配置固定管網式壓縮空氣泡沫自動滅火系統,實現秒級滅火,避免人員上罐滅火作業風險,防范儲罐事故升級。

b) 加強企業工藝應急處置能力建設。健全一線應急處置隊伍的專用應急裝備配置,提升罐區事故初期處置能力;以撲救大型儲罐全面積火災為目標,以片區為單位配置抗復燃型高效泡沫滅火劑、大流量液氮泡沫消防車、遠程供水系統等成套滅火裝備,提升處置片區儲罐全面積火災的能力。

c) 保障應急處置隊伍能力。針對儲罐消防應急作戰特性,建立一套消防隊員體能考核標準,如拎滅火器爬到罐頂所需時間、接警后到達最遠端儲罐現場的時間等,保障庫區消防隊伍的作戰能力。

3 結語

相較鋼制穹頂結構,鋁制穹頂具有良好的耐蝕性、穩定性以及經濟性等特點,使其在國外石化企業常壓儲罐上得到應用。但近年國外發生的多起雷擊鋁制穹頂儲罐火災事故,也暴露出鋁制穹頂在雷擊防護、罐頂弱連接設計、罐內油氣濃度控制及罐區漏油收集系統等方面存在的不足和問題,本文提出了針對性措施,以期對鋁制穹頂儲罐未來在我國進一步的推廣和安全使用提供借鑒和指導。