油库储罐浮盘落底的风险及应对措施

杨佳豪，王北福，朱根民，聂立宏

（浙江海洋大学石油化工与环境学院，浙江舟山 316022）

0 引言

在石油化工行业中，安全一直是不容忽视的话题[1-4]。随着能源需求的增大，石油化工产业储存易燃、易爆产品的规模也越来越大，一个大型油库容量就能达到几百万立方米。根据对近40年来的242起工业设备储罐事故分析，74%的事故发生在炼油厂、油码头或储油库，而火灾和爆炸占事故的85%[5]。由于储存的轻质原油易燃、易爆、易挥发，火灾和爆炸事故是造成大型油库风险性高的主要原因之一[6]。自1923年芝加哥桥铁公司（CB&I）首次示范以来，浮顶储罐一直是最广泛使用的挥发性石油产品的储存方法[7]。浮顶罐内有一个紧贴油品液面的浮顶，浮顶随着收发油作业而上升或下降。采用这种浮顶覆盖在液体表面，能够将油品与空气有效隔离，减少油品的蒸发损耗，降低发生火灾爆炸的危险和物料损耗[8]。因其降低油品蒸发损耗和提高油品储存安全性等优点在全球油库得到普及。

在日常的浮顶储罐管理工作中，同样存在着众多安全隐患。浮顶储罐的一大特点就是浮盘可随油品液面自由上下活动，使得油品液面上方不存在油气混合空间[8]。浮盘到其高液位时受液位报警装置的限制不会继续上升，到其低液位时可支承在浮盘本身的立柱上不会继续下降，但是此时当油品液面再次下降，浮盘与油品液面之间，将存在一个油气混合空间。若是不做好监管措施，当油气浓度处于爆炸极限范围内时，储罐就存在爆炸危险。

现大部分商业油库在实际运转过程中几乎无法避免地会面临浮盘落底这一问题，主要体现在因业务要求需要整罐更换油品介质时，必须排空罐内介质并进行冲洗。在排空过程中，浮盘落底，液面继续下降，就存在上述的油气空间。这部分油气空间目前尚无任何数据证实其具有爆炸隐患，缺少成熟的监测与管控手段，存在安全隐患。

本文采用日本新宇宙XP-3140可燃气体检测仪从浮盘上计量口对浮盘落底后油气空间的油气浓度进行实时检测，使用福立GC 9720气相色谱仪对油气空间内油气采样进行分析，计算其爆炸极限。同时以风力、蒸发空间和温度为影响因素，对浮盘落底后油气的浓度变化进行定点定时监测，分析浮盘落底后油气浓度的变化规律，最后提出针对浮盘落底的安全管控措施建议。

1 实验部分

在浙江舟山某商业油库5 万m3原油外浮顶储罐TK107浮盘落底后，对其油气空间内油气进行采样，使用日本新宇宙XP-3140便携式气体检测仪检测油气浓度，结合福立GC 9720气相色谱仪进行成分分析。

1.1 仪器工作条件及标准气体分析

福立GC 9720气相色谱仪工作条件：柱箱温度为100℃，极限温度为400 ℃，进样口温度为120 ℃，分流比为40∶1，FID检测器温度为180 ℃，氢气流量为30 mL/min，空气流量为300 mL/min，氮气流量为30 mL/min。

标准气体（Standard Gas）购自中国计量科学研究院，其成分与气相色谱谱图（最小峰高300）如图1所示。

图1 标准气体气相色谱图

1.2 样品检测、分析及计算

取监测到的最高浓度约16%的油气样品进行气相色谱分析和爆炸极限的计算，样品记为TK107-16%。其气相色谱图如图2所示。

将图2与标准气体作比对，确定其成分与浓度如表1所示，表1中的排列顺序即为出峰的顺序。

表1 样品成分及浓度

图2 样品TK107-16%的色谱图

因浮盘落底后，浮盘上的自动通气阀被顶开，油气空间直接与大气相通，所以此混合气的爆炸极限采用含有氧气的混合气体爆炸极限计算方法计算。需要扣除氧含量及按空气的氧氮比例求得的氮含量，重新调整混合气体中各组分的体积分数，得到该混合气的无空气基组成后使用Le Chatelier法则进行计算，其计算公式为

式中：L为混合气体的爆炸下（上）限，%；y1、y2、…、yn为混合气体中各可燃组分的体积分数；L1、L2、…、Ln为混合气体中各可燃组分的爆炸下（上）限体积，%。计算得出爆炸下限为13.54%，爆炸上限为64.53%。此样品油气浓度16%处于爆炸极限范围内，存在爆炸的安全隐患。

爆炸极限不是一个固定范围，而是受油气成分和浓度变化所影响的一个动态范围。油品在与大气相交换的过程中，不同条件下存在不同的饱和蒸气压，油气的成分和浓度随温度、蒸发空间和风力的变化而变化，不同条件下的油气样品可能存在不同的爆炸极限。而处在爆炸极限范围内的油气已被实验证实，这说明浮盘落底后存在爆炸的风险，而目前没有任何的监管措施是针对浮盘落底的，这将给石油化工企业带来重大的安全隐患，后续必须拿出针对性的安全措施，保障企业安全生产。

1.3 油气浓度监测

根据一日温度变化情况，因21点后到日出前温度变化较小，故选取了每日的6时、9时、12时、15时、18时和21时6个时间节点进行监测。油品的蒸发空间以浮盘落底后油品的液位为根据，以浮盘下端至罐体底部垂直高度为基准，在罐内油品液位达到3/4、1/2、1/4液位时分别进行检测，每个液面高度停留48 h，对应3个不同大小的油气空间，结合企业实际工作情况进行了为期6天的定点定时检测，期间检测数据有风力、温度和浮盘下方油气浓度。

图3展示了油气浓度的监测结果。对比图3（a）、图3（c）、图3（e），图3（b）、图3（d）、图3（f）可以对油气蒸发空间大小影响进行分析。观察发现，在各个液位数据中的温度与风速比较接近的时间节点，油气浓度也十分接近，从整体上看，油气浓度波动范围也较为均衡，除去较大风力影响导致的油气浓度极低的数据点，其余数据点显示的油气浓度都处于同一范围内。

图3 油气浓度监测数据结果

对比图3（a）、图3（c）、图3（e）可以发现，温度影响较为显著。油气浓度的变化曲线与温度的变化曲线在变化趋势上有很大的同向性。总体来看，温度升高时油气浓度升高，温度降低时油气浓度降低。这是因为外界温度的变化对油品的挥发有重要影响。温度升高时，油品内轻组分的饱和蒸气压会提高，更多的轻烃会有蒸发汽化的趋势，以确保油液面上方的汽相压力与新的饱和蒸气压达成一个新的动态平衡，从而使得油气浓度上升。另一方面，随着温度的增加，原油内部液相迁移的阻力减弱，挥发分子的环境扩散速度增加，同样导致了油气浓度的上升。

对比图3（b）、图3（d）、图3（f）可以发现，风力大小对油气浓度变化的影响较为显著。因为浮盘落底后浮盘上方自动通气阀被顶开，整个浮盘下方油气空间直接与大气相通，所以外部风力的变化会直接影响到浮盘下方油气空间。当风力达到强风级，风速达到10 m/s以上时，油气浓度出现了明显的下降。当风力未达到强风级，风速处于10 m/s以下时，风力对油气浓度变化的影响并不显著。

综上所述，若要控制油气空间内的油气浓度，从温度与风力两点入手进行控制可取得较好成效。

1.4 管控措施

因浮盘落底作业是企业无法避免的，而落底后又存在爆炸的危险，如何进行管控显得尤为重要。管控措施主要从三方面入手：1）控制油气浓度，使其低于爆炸下限或不满足燃烧条件；2）对助燃剂进行人为干预，使其无法达到燃烧条件；3）严格管控着火源。

1.4.1 控制油气浓度

当浮盘落底后，企业可设置可燃气体检测探头对油气进行实时监测，一旦浓度过高，必须采取管控措施。管控措施可从温度与风力入手：1）应尽量避免浮盘在高温无风天气落底，相比之下，在低温、大风天落底作业的安全性更高；2）可对罐壁进行喷淋降温，使得内部油气空间的温度下降，使油气浓度降低。

1.4.2 控制助燃剂氧气浓度

因浮盘落底，浮盘上的自动通气阀被顶开，下方油气与大气相通，油品挥发增多，与外界产生强烈的气体交换，油气空间内涌入大量的空气，这其中便包含了助燃剂氧气。控制氧气的浓度使其无法达到燃烧条件，即可阻止燃烧。企业可在浮盘落底后安装氧含量检测探头，配合惰性气体置换系统，实时监测氧气浓度，当氧气浓度达到燃烧条件时，往该油气空间内冲入惰性气体（如氮气），从而达到降低氧气浓度、阻止油气燃烧的目的。

1.4.3 严格管控着火源

若可燃物与助燃剂均达到燃烧与爆炸条件，着火源便是最后一道保险。在着火源管控上应严格落实企业各项安全制度，密切管控各项火源，特别是要按照企业操作规程采取措施以降低静电积聚和加速静电消散，如浮盘落底后油品进出的流速不得大于1 m/s、油品禁止搅拌、各种罐上作业需在收发油结束1 h后进行等。

2 结论

目前对储油罐浮盘落底的研究非常有限，没有规范的管控措施,而落底又是无法避免的，这就存在较大的安全隐患。本文以便携式气体检测仪和气相色谱仪证实了浮盘落底后浮盘与油液面之间形成的油气积聚空间存在爆炸的可能性，浮盘落底作业必须重视。针对浮盘落底作业，设置了油气蒸发空间、风力和温度3个影响因素，对油气浓度进行了全天定时定点的监测，结果发现风力和温度对控制此油气空间的油气浓度影响较为显著。为应对浮盘落底作业的安全隐患，提出了控制油气和助燃剂的浓度、严格管控着火源等有效建议。