基于邦斯菲尔德油库事故的储罐安全改进探讨

2015-10-26张鹤然孟虎林齐龙许文龙马伟平

石油石化节能 2015年2期

张鹤然孟虎林齐龙许文龙马伟平

（1.中国石化管道储运有限公司沧州输油处；2.中国石油青海油田分公司管道输油处；3.中国石油管道联合有限公司西部分公司乌鲁木齐输油气分公司；4.中国石油天然气管道工程有限公司天津滨海分公司；5.中国石油管道研究中心）

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针对我国储罐大型化发展趋势和储罐事故频发的问题，评价了国内油库安全研究现状，即侧重于特定事故经过、原因和防范措施，较少涉及地区规划、消防协调等，研究方法系统性需要改进。英国政府针对邦斯菲尔德油库事故的做法值得借鉴，包括事故调查、设立网站等；系统梳理了有代表性的经验教训和整改措施，涵盖储罐设计和运行、油库选址、防火堤设计、油库风险评价、事故应急响应、油气爆炸机理、油库周边土地规划和经济发展、重大危险源周围社会风险控制等；最后，提出了国内储罐安全管理改进建议。

邦斯菲尔德油库储罐安全防火堤设计应急规划

随着国家原油战略储备项目实施，储罐发展趋于大型化，大型储罐容量已达20×104m3［1］。储罐事故往往造成人员伤亡、巨额财产损失和环境污染，甚至造成生态灾难［2］，例如大连“7·16”油库火灾爆炸事故。文献［3-4］针对设备故障（过量充装）、雷击、静电、电气短路火花、动火作业（明火）、违规操作等导致的储罐事故进行的研究，仅限于特定的事故经过、发生原因和风险防范措施，研究方法系统性有待改进，这也是类似储罐事故仍然频发的重要原因［5］。储罐安全责任主体是运营商，但与所在地区规划、经济发展、消防协调、公众警示等诸多因素相关，国内在此方面的研究还比较欠缺［6］。

1　邦斯菲尔德油库事故简介

2005年英国邦斯菲尔德油库火灾爆炸事故是欧洲最大的一次工业火灾爆炸事故［7］，损坏了23座大型油罐，造成43人受伤，附近300间房屋损坏，2000居民转移，M1高速公路关闭。大火持续燃烧5天，释放的浓烟扩展到英国南部地区。在火灾中使用大量的泡沫和消防水，造成弗尔河（RiverVer）污染，见图1。该事故作为重大环境污染事故上报至欧盟，经济损失达10亿英镑。

图1　邦斯菲尔德事故造成的环境污染

英国政府针对邦斯菲尔德油库火灾爆炸事故的做法值得借鉴［8］，例如，专门成立重大事故委员会进行了为期3年的调查研究，编制了8册调查报告和4册建议书，涵盖储罐设计和运行、油库选址、防火堤设计、油库风险评价、事故应急响应、油气爆炸机理、油库周边土地规划和经济发展、重大危险源周围社会风险控制等。此外，制定了整改措施的执行时间进度表，在100多个类似油库推广应用，并设立网站与全世界共享经验教训等。

为了从根源上防止储罐恶性事故，本文系统梳理了邦斯菲尔德油库事故调查报告和建议书中有代表性的经验教训和整改措施，提出了国内储罐安全管理改进建议，对于燃油储备油库或大型原油油库具有借鉴参考意义。

2　邦斯菲尔德油库事故过程分析

2005年12月11日凌晨6点，英国邦斯菲尔德油库的912号储罐正在接受无铅汽油，该储罐防止过量充装的计量系统发生故障，导致大量油品溢出。油品流经边缘板，倾斜而下的液体形成小瀑布，分散成小液滴，见图2；部分引流至罐壁的液体在加强圈形成冲击，形成第二瀑布；油品下落至防火堤表面，形成三次冲击，见图3；上述过程加剧汽油中较轻化学成分的蒸发，如丁烷、戊烷和丁己烷，形成了爆炸性气体云团，并在整个油库范围内扩散，见图4。潜在的点火源可能来自输油泵房、柴油电动机触点产生的电火花、库区外汽车发动机，最终被引燃发生剧烈爆炸。

图2　油品沿储罐边缘板倾泻

图3　爆炸性气体云团形成过程示意

图4　工业电视监控系统记录的油品泄漏形成爆炸性气体

3　邦斯菲尔德油库事故经验总结

摘录整理了邦斯菲尔德油库事故网站的调研报告和建议书典型性技术内容（网址http：//www. buncefieldinvestigation.gov.uk/index.htm），包括《油库设计与运行》、《事故应急预案和响应》、《向规划机构提出的建议》和《检查健康安全局（HSE）与环境署在监管邦斯菲尔德燃油油库中的作用》等著作。

基于邦斯菲尔德油库事故，提出了油库三级防控系统理念：一级防控系统（Primary Containment）指储存油品的储罐和工艺管道；二级防控系统（SecondaryContainment）包括预防储罐过量充装的高液位报警系统，以及储存事故状态下从储罐和工艺管道中泄漏油品的防火堤（围堤），防火堤还应储存灭火的消防水量和泡沫化学物质等；三级防控系统（TertiaryContainment）指排水系统、围墙、道路、路缘石等暂时留存油品的设施，防止油品泄漏流至油库以外或者渗透地下，防止对地下水或地表水等的环境污染。

3.1储罐设计和运行

邦斯菲尔德油库事故最重要的经验教训是建立完整、可靠的防控系统，应确定油库防控系统完整性等级。安全完整性等级（SafetyIntegrityLevel，SIL）是根据要求的失效概率衡量安全系统的性能。完整性等级分为四级，SIL1～SIL4，安全完整性等级越高，表示相应的安全等级越高，系统无法正常运行的概率越低。

储罐充装控制系统必须具有较高的安全完整性等级，即有充分的独立性，确保能够及时、安全地关闭，防止储罐出现溢流。储罐充装控制系统应按照BSEN61511《第1部分：安全仪表系统的要求》进行设计、运行和维护，应满足以下要求：

◇防止溢流系统在物理结构和电力系统方面应是独立的，并且独立于储罐计量系统、油库运行监控系统和人员操作（人工检尺）等；

◇对防止溢流系统应制定定期的功能性、验证性试验计划；

◇防止溢流系统的检测方式应不依赖于储罐内部附件设施；

◇选用诊断能力增强型传感器，增加储罐液位计量系统可靠性，出现故障时发出警告；

◇相对管道控制中心、输油站，油库应具有对储罐充装的优先控制权，可不依靠远程控制、第三方协助、远程通信联系情况下，停止油品输送。

3.2油库选址

邦斯菲尔德油库事故三级防控系统大面积失效，消防用水和燃料流经油库的排水系统，并沿油库内的道路流淌，大量污染物流散至油库外，造成油品渗入地下污染水环境。建议油库建设选址时，综合考虑油库附近地表水、地质和水文地质状况，在油库外围地区划定专用区域设置溢流液体排液通道，必要时设置事故应急池。

3.3防火堤设计

首先应确保一级防控系统的可靠性，防止油品从储罐中泄漏。突发性或无法探测的储罐缓慢泄漏均可能造成严重的环境污染，建设高标准的防火堤（围堤）非常重要。邦斯菲尔德油库有多种类型的围堤，如土堤、混凝土堤，其中混凝土围堤最易受到火灾的损坏，由于施工时接缝处的伸缩密封剂毁坏。油品泄漏冲击、液压压力以及油品燃烧对围堤强度、完整性、密封性造成了损毁，消防水和油品从围堤破裂处流出，见图5。

图5　邦斯菲尔德事故损坏的防火堤

针对防火堤设计，建议如下：

◇防火堤应容纳油罐最大容量和消防水量，即防火堤容量应为最大储罐容量的110%；

◇针对相邻储罐的冷却应慎重，分散使用消防水量可能影响其他着火的储罐；

◇防火堤接缝处密封剂达到最高强度的时间为2h［9］；

◇防火堤除承受液体静压力之外，还应承受泄漏油品的冲击力。

一级防控系统如产生油品泄漏，在二级防控系统可能形成高浓度易燃蒸气，应在储罐防火堤内安装易燃气体探测装置。关于气体探测系统与溢流预防系统之间的关系，如探测存在高浓度可燃蒸气，可作为一级防控系统泄漏的前期指示指标，应启动溢流预防系统减少泄漏量。安装工业电视监控设备，以便在早期即可探测到异常状况，规划溢流液体安全流通线路通道等。

3.4油库风险评价

鉴于邦斯菲尔德油库事故的重大影响，英国政府制定了《重大事故危险控制条例》（Controlof MajorAccidentHazards，COMAH），专门用于监管类似邦斯菲尔德油库的重大危险源，预防和减轻燃油、液化石油气和炸药等危险物质的重大事故。

法规COMAH规定绘制风险等级等高线图（图6）进行风险评价，划分为COMAH场所、内区、中区和外区四个区域，表征每个区域内可能面临的风险等级或伤害的程度，内区、中区和外区的风险等级概率为10×10-6、1×10-6、0.3×10-6。COMAH场所的外区边缘的“协商距离”由油库运行商与地方规划部门协商确定。“协商距离”表示在重大事故危险源附近规划开发区域的最近允许距离，该区域内地方规划部门根据风险等级确定该区域开发程度、人口密度、建筑设施类型等。

图6　风险等级等高线

研究认为，基于硬件设备的油库安全改进程度取决于高效的管理机构，以及员工行为的人为因素，应建立与企业安全文化和领导力有关的战略目标，包括以下几个方面：

◇明确油库控制室调度人员安全职责，改进油库控制室人机界面可操作性；

◇加强员工安全知识培训，员工工作负荷评估和工作条件改进；

◇建立人员、设备、程序变更管理程序，重视关键设备保养、试验和校验；

◇油库与炼油厂、承包商、分输站等有效沟通。

3.5事故应急响应

法规COMAH要求应制定燃油油库应急预案，应急预案应包括可预见的紧急情况，重点是预防储罐泄漏和事故初期处置，以及较低概率才出现的蒸气云爆炸、多个油罐火灾等情形；还应包括与地方规划、消防、警察部门协调公共健康安全、环境污染等。

应急预案不能消除油库重大事故，重点是保证应急预案可操作性和执行力，建议有针对性实施员工培训，如消防泵或手动应急开关的位置及使用；识别应急响应资源的短板，必要时依赖外部消防力量和救援服务，如建立替代的应急控制中心，邀请当地机构参与应急预案演练等。

3.6油库周边土地规划和经济发展

油库重大危险源周边土地规划纳入社会公共风险管理，油库应参与地区区域经济发展战略，建议如下：

◇参考气象站风速、风向信息，发布油库区域空气质量数据报告；

◇向公众进行油库风险警示和通告，但不宜过于频繁，以免产生负面影响，根据当地居民、企业投诉情形确定沟通频率和形式；

◇协助油库周围区域进行生态恢复；

◇建议对重大危险源周边土地规划进行风险评价，确定风险等级；

◇建议以“死亡人数”作为描述事件后果指标，不采用“事故影响人数”等指标。

3.7重大危险源周围社会风险控制

英国政府设立国民紧急事务秘书处，任命部长级领导，将燃油油库风险控制列入全国性重大事故应急预案管辖。针对油库重大火灾爆炸事故，建立国家级层面的互助机制、财政援助机制，统筹事故状态下通信、公众保障（食品、饮用水、临时住宿等）、社会秩序恢复等事宜，如要求燃油油库与国家消防和救援部门签订《火灾互助协议》等。

3.8油气爆炸机理

邦斯菲尔德事故主体爆炸非常特殊，蒸气云爆炸产生了极高超压。现有爆炸模型无法预测这类爆炸的冲击破坏程度。这种类型爆炸具有不可预见性，原理尚不清楚，初步解释是爆炸性气体在油库有限空间内被引燃，有限空间限制了气体膨胀，压力剧增，导致爆炸。有关计算表明，在空间受限的管道中近化学计量的丁烷-空气最高湍流火焰速度约1200m/s，从而在火焰前产生声波，压力达到1.17MPa、温度达到551.85℃，足以引发自燃和随后的爆震［10］。