储罐气相连通安全风险分析

陈栓洲

(中国石化扬子石油化工有限公司，江苏南京 210048)

0 前言

炼化企业油品储罐的呼吸及残油的挥发，以及停工扫线和油品中携带的溶剂挥发等带来的恶臭气体排放，已经成为炼厂空气污染的重大污染源，厂区VOCs的主要来源之一。企业目前采用的罐区VOCs治理方式的趋势是根据存储介质的特性，通过气相连通线将整个罐组甚至全厂多个储罐组连接成一个整体，分类、分片区收集VOCs，再通过增压风机送往后续VOCs等处理装置[1]。储罐气相连通后，当某一储罐发生闪爆或火灾时，火焰可沿连通管线传播到其它储罐，引发重大群罐火灾。近年来气相连通罐组事故频发，如2014年南京某石化企业“6·9”群罐火灾爆炸事故；宁波某化工厂生产装置可燃气体通过气相连通管线倒窜入储罐，引发火灾。为此，国家安全生产监督管理总局下发《关于进一步加强化学品罐区安全管理的通知》(安监总管三〔2014〕68号)，要求立即暂停使用多个化学品储罐尾气连通回收系统，经安全论证合格后方可投用。气相连通罐组安全已成为企业环保治理中最关注的安全问题之一，因此开展储罐气相连通安全风险研究，为罐区VOCs治理的安全设计和运行提供指导，具有重要的意义。

1 储罐气相连通方式

企业在进行罐区VOCs治理时，为了能集中收集VOCs，通常将多个储罐的气相空间进行连通。如图1所示，封闭储罐与外界开口，在储罐罐顶上增设气相连通支线。各储罐气相连通支线汇集到气相连通总管后，通过增压设备将储罐排放的废气送入VOCs处理装置进行处理。涉及的主要改造包括:封闭储罐与外界的开口，利用和新增储罐开口增设废气收集支线，并完善压力检测仪表和切断阀。每一个罐组气相支线上增设阻火器。许多储罐也涉及氮封系统改造。

图1 储罐气相连通示意

2 分析方法

为合理评估储罐增加气相连通后的安全风险，对12家炼化企业的储运罐区气相连通现状进行了调研，掌握了气相连通安全设计、运行中存在的共性问题。并采用安全检查表、HAZOP分析等方法，对典型罐区气相连通VOCs收集及处理系统开展系统的风险分析。针对调研及评估中发现的关键共性安全问题，结合某炼化企业生产运行中的经验，提出安全措施，为企业罐区气相连通安全设计提供参考。

3 储罐气相连通安全风险

3.1 火灾爆炸风险

3.1.1 储罐内形成可燃气体环境的风险

a)内浮顶储罐增加气相连通设施和氮封后，需要封闭储罐罐顶和罐壁的通气孔，从而导致储罐浮顶与拱顶之间形成密闭的气相空间。如果储罐的密封不良，将导致储罐浮盘与拱顶之间存在的可燃气体浓度增加。

b)内浮顶常压储罐老式浮盘密封性差，浮顶油气浓度易超标，增加了储罐气相连通火灾风险。目前国内广泛采用浮筒式浮盘。浮盘下方存在较大的油气空间，浮盘及其附件泄漏点多，导致浮盘上方空间油气浓度超标；浮盘结构稳定性差，结构强度低，易受液面波动造成变形，危险性增加。

c)氮气密封系统的设计缺乏科学依据，无法保持气相连通罐组始终维持正压。在常压罐组废气收集系统中，维持整个系统处于一种微正压状态，防止空气通过储罐呼吸系统或管路薄弱环节进入储罐组、气相收集管路和后续处理设施是保证该系统本质安全的重要原则。因此，多数罐区收集系统在每个相连的储罐上设置有氮气密封系统。目前，各企业氮封系统设计没有统一标准，现有氮封系统设计的最大流量是按最大泵出量考虑，并没有考虑异常温降对储罐压力的影响，特别是在高温多雨的南方，这种设计方案无法可靠保证在出料和降雨同时出现的工况下储罐能维持维正压。

3.1.2 点火源的风险

导致储罐发生火灾爆炸点火源包括外部点火源和内部点火源。

a)外部点火源如雷击、静电、外部火源等。在储罐压力高，呼吸阀外排时，如果发生呼吸阀火灾，可能导致回火事故，引发储罐内部火灾爆炸事故。ISO28300试验证明火焰可以通过呼吸阀进入储罐内部气相空间。试验同时也验证了呼出气体被引燃后能够通过呼吸阀吸入口进入储罐内部气相空间而回火，当呼出量小的时候，回火也可以发生在呼吸阀的呼出端[2]。

b)内部点火源包括静电、硫化亚铁等。由于所储存的物料含硫，储罐内部和气相连通管线内部将生成硫化亚铁。对某轻质油品罐区罐顶气相联通管道内壁和储罐上部空间沉积物进行了取样，进行了X-射线衍射分析和能谱分析，检测结果罐顶气相管线、储罐均含有硫化亚铁。因此对于储存高含硫物料的储罐，应做好储罐内防腐，并设置氮封，防止生成硫化亚铁。

3.1.3 过程改造过程中火灾爆炸风险

轻质油品罐区气相连通系统改造，改造储罐与运行储罐交叉。改造储罐施工、动火等作业，会影响到周边储罐的正常运行。如改造项目违章施工、违章作业，隔离防护不到位，可造成附近设备、电器、管线损坏，还有可能引发重大设备或火灾、爆炸事故。

3.1.4 重大群罐火灾事故风险

储罐气相连通后，当某个储罐发生火灾时，将导致火焰通过气相连通线互窜至其他储罐和油气回收装置，引发储罐群火灾和油气回收装置火灾事故。根据国际油气生产者协会OGP发布的数据，按照工业标准设计与运行维护的拱顶罐或内浮顶储罐发生内部爆炸的频率约为1.15×10-4/(年·座)[3]，而连通数量越多，发生事故可能性就越大。

此外，长管道输送会促进爆燃转变爆轰，通常火焰传播路径长度达到管径的100倍时，爆燃可以转变成爆轰[4]，爆轰可能导致连通管网破坏，造成泄漏火灾。管网设计时需要注意爆炸防护，根据中国石化《石油化工企业储运罐区罐顶油气连通安全技术要求(试行)》管道和管件的公称压力应不低于1.6 MPa。

3.2 储罐本体安全风险

3.2.1 储罐超压风险

目前国内常压储罐设计压力多为2 kPa。储罐增加氮封设施后，需要将罐壁通气孔封死，氮封系统氮气压力为0.3～0.7 MPa，如果氮气调压阀故障，将导致储罐压力升高，甚至有可能引发超压爆炸。储罐快速进料过程或温升过程中，储罐压力也会升高；罐顶油气管线设压控阀故障关闭或阻火器堵塞，也会导致储罐压力也会升高。部分储罐全天候阻火呼吸阀利旧，呼阀存在腐蚀、堵塞、无法完全关闭打开的风险。

封闭后的内浮顶储罐承压能力有所不同，需重新校核罐体强度，对储罐结构进行适应性改造，根据储罐承压能力重新核定呼吸阀进气和排压能力。

3.2.2 储罐负压风险

储罐氮封系统设计时未综合考虑泵出量和外界温度变化的影响。当储罐快速出料和异常温降时，可能导致储罐气相空间为负压。储罐气相空间未设置压力低报警，当压力低于氮封系统启动压力时，操作人员无法及时确认氮气供应状态。补氮设施故障时，可能导致储罐气相空间为负压。部分储罐全天候阻火呼吸阀利旧，吸阀存在腐蚀、堵塞、无法完全关闭打开的风险。

3.2.3 储罐液位高风险

储罐液位高或满罐时，可能导致液体油品进入油气连通系统，造成阻火器压降增大，甚至堵塞，液体进入增压风机，可造成风机损坏。如风机损坏，油气大量外泄，还可引发事故。

3.3 罐顶气连通工艺存在的安全风险

3.3.1 污水池与罐区罐顶气连通的燃爆风险

企业VOCs治理中存在储罐与污水池系统共用一个收集管网和处理系统的问题。污水池由于密封不严，收集的废气富含空气，且污水池废气中烃浓度波动非常大，易形成爆炸性气体。通过对9家企业隔油池挥发有机废气非甲烷总烃的有效监测，浓度超过5 000 mg/m3的企业达到5家。近年来多次污水池闪爆事故证实了污水池废气的危险性。部分企业污水池废气虽然设置了单独的废气收集管网，但未设置废气总烃浓度检测与高高联锁切断措施，在并入罐区油气处理装置前未设紧急切断阀和管道阻火设施，也存在较高的安全风险。

3.3.2 直接连通的储罐最大数量未作限制

目前企业通常将相同或性质相近的储罐罐顶先直接连通，然后共用一个开关阀控制罐组排气，以减少大呼吸和氮气消耗。罐顶油气直接连通数量越多，发生火灾爆炸的可能性就越大，但企业目前通常未限制储罐的连通数量，部分企业甚至将30个储罐直接连通，而没有采取切断措施。

3.3.3 事故下无法远程切断

储罐罐顶气相连通后，各储罐气相支线上没有设置事故下可远程切断的阀门，一旦一个储罐发生事故，无法将连通储罐组内其他储罐的气相切断。虽然设有阻火器，但管道爆轰型阻火器通常不耐烧，若管道内持续燃烧，可击穿阻火器传播到其它储罐，引发重大群罐火灾。

3.3.4 连通方式的风险

现场存在将火灾危险性不同的储罐、高含硫与低含硫储罐、高温物料与常温物料储罐、内浮顶储罐与拱顶储罐、设置氮封储罐与未设氮封储罐进行直接连通的现象。储罐物料火灾危险性、硫含量、油气浓度、气相空间氧含量等不同都会增加气相连通罐组相互间的危险。

3.4 罐顶气去明火设备处理的风险

部分企业将气相连通罐组收集的VOCs送往加热炉、焚烧炉等明火设备进行处理。火炬、焚烧炉、蓄热氧化(RTO)/热氧化(TO)等都是点火源，控制不当会发生回火，长管道输送会促进爆燃转变爆轰，一处发生火灾，爆炸可能快速通过总管蔓延到其他装置。废气控制不当，也对这些装置设备带来安全影响。NFPA67《管道系统内气体混合物爆炸防护指南》和NFPA69《爆炸预防系统》中均对罐顶油气连通后废气送往加热炉等明火设备进行了严格的安全规定[4，5]。

此外，在送往低压瓦斯时，现场存在的问题包括:未考虑热值问题，部分流程未设氧含量检测与安全联锁；氧含量测量采用1oo1，可靠性不满足安全要求；多数流程没有考虑火炬气大量排放时的倒窜风险。

3.5 管道阻火与管网结构安全设计存在的风险

阻火器是非常关键的安全设备，NFPA69中对炼化企业VOCs治理中需安装阻火器的位置有明确要求。通过对已经实施气相连通改造的163座罐区(储罐总数1 106座)调研发现，阻火器方面存在如下问题。

a)管道阻火器缺失现象严重。部分储罐气相支线未按要求安装管道爆轰性阻火器，已经施工和投入运行的项目中，共有399台储罐气相支线上未设阻火器，缺失占比达到36%。

b)管道爆轰型阻火器质量存在严重问题。已经施工和投入运行的罐顶油气连通项目中，共安装管道爆轰型阻火器759台，其中595台未经过实验认证或未知，只有126台经过认证。阻火器能否有效阻火存疑。

c)阻火器安装与检测维护缺乏技术指导标准。管道阻火器的安装缺乏统一标准。对于管道爆轰型阻火器的安装应避开非稳态爆轰区域，防止在管道内爆炸时管道阻火器失效。通常储罐油气支线上阻火器宜靠近罐顶气相出口。对于部分储罐，储罐强度达不到罐上安装要求，可安装在罐下。罐下安装需要考虑非稳态爆轰位置。由于无技术标准，导致现有罐下安装阻火器位置不满足“避开非稳态爆轰临界处”的安全要求。

ISO16852[6]及NFPA67等要求在役阻火器必须定期维护，但目前国内尚无在役阻火器的检定及维护技术，阻火器安装后，很少进行检维修，通常仅在堵塞时进行清洗及吹扫。NFPA67指导意见颁布之前实施的项目，阻火器前后多数未安装阀门，无法切出维修；应用于易聚合、结晶、腐蚀、冷凝堵塞等条件下阻火器，未选用可拆卸式，导致阻火器难以维护。

4 结论和建议

通过现场调研与评估、结合企业生产运行情况，对气相连通罐组存在的安全风险进行了分析。增加气相连通管线和VOCs治理装置后，安全风险防控的重点是防止重大群罐火灾。

a)加强罐区VOCs治理源头控制。挥发性石油或石油化学品储罐应在符合安全等相关规范的前提下，采用压力罐、低温罐、高效密封的浮顶罐等措施。当采取源头控制措施能够满足国家和地方的VOCs排放标准时，不建议采用罐顶气连通收集及集中处理方案，从而降低罐顶连通的安全风险。

b)严禁污水池等高含氧、高风险设施与罐区共用 VOCs收集系统；对气相连通罐组收集的VOCs通往加热炉、焚烧炉、工艺炉、TO、RTO等明火设备和全厂性低压瓦斯系统的工艺应明确要求开展系统风险分析，并开展专项评估，制定安全控制方案。

c)建议从系统安全控制出发，结合后续VOCs处理设施综合的特点设计安全措施。通过爆炸性气体控制(分类连通收集、设置高安全性氮封、分布式氧含量检测)、控制直接连通数量、大型储罐增加远程切断阀、管道可靠阻火与管网爆炸防护等技术提升罐顶气连通本质安全，从而降低风险。

d)严把管道爆轰型阻火器的质量关，严格执行ISO16852的测试技术标准，降低罐顶油气连通的安全风险。