陕北地区外浮顶原油储罐油气挥发规律实验研究

袁瑞华

陕西延长石油（集团）管道运输公司

陕西延长石油已有120 年历史，原油产量稳定在1 200×104t/a 以上，油田公司、炼化公司、管道运输公司共有外浮顶原油储罐约200 座，容量最大的有6×104m3，最小的有2×104m3，大罐和小罐油气挥发规律趋势是相同的。但是，至今为止，陕西延长石油的外浮顶原油储罐从未做过对油气挥发规律的研究，国内其他油田、炼化、管输、储运等公司文献上也未查到做过外浮顶原油储罐油气挥发规律的详细研究情况，未做更多深入研究[1-2]。主要原因有五个方面：①该实验研究周期长，至少1 年内要做52 天，而且要选环境温度高、风速高的每月每周内的某一天；②该实验研究非常复杂，因为油气挥发浓度是个非稳态变量，影响其变化因素较多，例如原油物性、流变性、密度、含水率、含杂质、原油温度、环境温度、风速、油面静或动、进油及出油流速、液位、光照时间、密封圈质量或老化情况等；③科研单位、设计单位、高校等单位无法长时间赴储罐现场做研究；④企业技术人员在重大危险源储罐顶长期做此项实验研究有非常大的安全隐患，上罐顶实验无绝对安全控制保障措施，一旦出现意外将对人身安全造成重大威胁；⑤罐顶实验环境恶劣，每次上罐顶约40 m 梯程，在罐顶6 个点做实验，每周选做1 天，每座罐每年要做2 304次实验，工作量较大。

由此可见，该实验研究工作非常危险、复杂和困难。目前外浮顶原油储罐油气挥发安全隐患的风险管控没有做到理论指导实践、实践验证理论、事先预防和管控，这个问题长期得不到实质性解决，其危害不可估量。例如，人员日常上外浮顶原油储罐罐顶作业、巡检、打扫卫生、维修维护附件、取样等，随时可能发生意外情况，存在安全隐患。另外，响雷打闪也能引起外浮顶原油储罐罐顶密封圈起火、爆炸、油品泄漏等事件，国内已有案例，危害相当严重。外浮顶原油储罐的油气挥发也会对环境造成严重污染、对资源造成严重浪费。

针对上述问题，通过实验法、比较法、图示法、筛选法、归纳法等方法探索研究陕北地区外浮顶原油储罐油气挥发规律，根据油气挥发规律给出储罐安全隐患风险管控建议，指导上罐人员安全作业；给大型外浮顶原油储罐应用主动安全防护系统（给储罐一、二次密封圈注氮气，稀释油气浓度或氧气浓度）及油气回收装置，实现储罐雷击爆炸、起火、燃烧、污染环境、危害人身安全与健康等风险管控，人员也可随时上罐安全工作，减少储罐油气挥发浓度，保护了周边环境。可见，研究外浮顶原油储罐油气挥发的规律对国内外浮顶原油储罐隐患风险管控起到了很重要的作用。

1 实验研究目的

利用实验得出陕北地区外浮顶原油储罐油气挥发的最大浓度，判断其是否满足标准要求，是否影响和危害周边环境。通过对陕西延长石油（集团）有限责任公司管道运输公司（以下简称延长石油）洛川末站6 座容量为5×104m3外浮顶原油储罐（图1）一、二次密封装置之间的气相空间进行采样分析，获取在不同时间段、不同环境温度、不同风速下油气的挥发规律，为储罐安全运行提供技术保障。找出陕北地区外浮顶原油储罐油气挥规律，为今后储罐安全管理、运行、技术研究做依据，避免油气中毒、窒息、静电起火、雷击起火等意外事件发生。

图1 洛川末站6 座外浮顶原油储罐外观Fig.1 Appearance of 6 external floating roof crude oil storage tanks at Luochuan Terminal Station

2 实验研究条件

主要设备：温度计、便携式可燃气体检测仪（绝对防爆型）、便携式可燃气体报警仪（绝对防爆型）、风速测试仪、专用罐顶作业工作服、应急设备（包括提前系在罐顶防护栏上的逃离防火绳，绳长度大于罐顶距地面高度）等；选取标准满罐外浮顶原油储罐进行实验，原油液位不低于17 m，因为最高液位相对油气挥发浓度最高，风险最大；原油温度在30～45 ℃之间；原油含水率不大于1%；储罐的一、二次密封圈无老化间隙变大、刮油不净的情况；此外，不满足以上条件的另做研究实验。在储罐不进油或出油基本静态的情况下，进行日间10 h 数据测试，上罐实验时，必须保证上罐人员作业的安全，防爆措施、应急预案等需满足标准、规范、制度的要求。

3 实验结果

3.1 筛选出油气挥发浓度最高的储罐

对洛川末站6 座储罐的密封圈内油气气体浓度进行检测，选出油气挥发浓度最高的储罐作为实验研究对象，检测结果如表1 所示。

表1 6 座储罐的密封圈内油气气体浓度测试情况Tab.1 Measurement of oil and gas concentration in sealing rings of 6 storage tanks

由表1 可知，G02 储罐油气浓度最高，主要原因是液位最高，日照时间相对最长；其余储罐油气浓度都较低。故选取G02 储罐作为本项目的研究对象，进行全年的油气浓度检测研究。

3.2 G02 储罐全年实验数据

采样点为罐顶均匀分布的6 个点，互成60°角，将6 个点或6 个小孔（DN8）布置在罐顶二次密封圈上，委托专业安全消防设计施工甲级单位，采用绝对防爆工艺，按照标准要求在罐顶二次密封圈上开孔，6 个小孔采样后用绝对防爆铜制螺栓或螺钉封孔；检测时间为期1 年，从2020 年6 月3 日开始至2021 年5 月31 日。检测间隔周期为1 周选做1 次，累计1 年内共52 周选做52 次；技术员持便携式可燃气体检测仪按照规定时间在采样孔处感应储罐一、二次密封圈处挥发出的油气浓度，待可燃气体检测仪读数稳定后，拍照数据图片并立即在实验表上记录对应数值，52 次实验数据全部收集录入到《油气挥发规律试验研究报告》，该数据原始照片、记录和报告永久保存，为后期储罐生产运行提供参考。本次节选其中12 周每月1 次的实验数据（表2～表13）。

表2 第1 周6 个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.2 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 1st week

表3 第5 周6 个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.3 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 5th week

表4 第9 周6 个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.4 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 9th week

表5 第13 周6 个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.5 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 13th week

表6 第18 周6 个采样点油气挥发浓度测试情况Tal.6 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 18th week

表7 第23 周6 个采样点油气挥发浓度测试情况Tal.7 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 23rd week

表8 第27 周6 个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.8 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 27th week

表9 第31 周6 个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.9 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 31st week

表10 第35周6个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.10 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 35th week

表11 第39周6个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.11 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 39th week

表12 第44周6个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.12 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 44th week

表13 第48周6个采样点油气挥发浓度测试情况Tab.13 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 48th week

根据上述数据，可得出G02 储罐全年在08:00～18:00 时段每小时各采样点的油气挥发曲线图572个，选出最能反映问题的2 个图进行分析。从图2、图3 可以看出G02 号储罐油气挥发的规律。

图2 G02 储罐全年在12:00 时段各采样点的油气挥发曲线Fig.2 Oil and gas volatilization curve of each sampling point at 12:00 in the whole year of G02 storage tank

图3 G02 储罐全年在13:00 时段各采样点的油气挥发曲线Fig.3 Oil and gas volatilization curve of each sampling point at 13:00 in the whole year of G02 storage tank

4 储罐油气挥发规律

（1）储罐每季度油气挥发规律（特殊天气除外）：4 季度＜1 季度＜3 季度＜2 季度，储罐在冬季夜间处于静止状态。

（2）储罐每月油气挥发规律（特殊天气除外）：根据G02 号储罐全年油气浓度分析，1～6 月随环境温度（-10～33 ℃）逐渐升高，油气挥发浓度总体上升。6 月份油罐的油气挥发浓度最高，最高达到102%LEL，油气浓度已达到爆炸极限；在6～9月期间且环境温度在25～33 ℃之间，油气挥发浓度整体降低；9～10 月期间且环境温度在25 ℃左右，油气挥发浓度整体保持不变；10～12 月期间且环境温度在10～25 ℃，油气挥发浓度整体降低，最低达到0 LEL。

（3）储罐每天油气挥发规律（特殊天气除外）：从G02 油气挥发曲线可以看出，除个别采样点异常外，大多数由于白天温度高，油气挥发浓度比晚上高。从8:00 开始，随着气温的升高，油气挥发浓度逐渐升高，10:30～15:30 油气挥发浓度达到最高102%LEL，15:30 后随着气温的降低，油气挥发浓度逐渐降低。

（4）储罐每时油气挥发规律（特殊天气除外）：根据表1～表7 可看出，油气挥发浓度受气温的影响较为明显。随着气温的升高，油气挥发浓度逐渐升高：8:00 油气挥发浓度为0～25%LEL；9:00油气挥发浓度为0～26%LEL；10:00 油气挥发浓度为0～31%LEL；11:00 油气挥发浓度为1%～55%LEL；12:00 油气挥发浓度为2%～78%LEL；13:00 油气挥发浓度为0～102%LEL；14:00 油气挥发浓度为0～90%LEL；15:00 油气挥发浓度为0～91%LEL；16:00 油气挥发浓度为0～81%LEL；17:00 油气挥发浓度为0～64%LEL；18:00 油气挥发浓度为0～52%LEL。在08:00～13:00 之间气温逐渐升高达到最高，此时段的油气挥发浓度也递增到最大值，到13:00时油气挥发浓度最高达到102%LEL，已达到爆炸的临界条件，此时一旦遇到火源即刻发生爆炸。而在13:00～18:00 之间气温逐渐降低，此时段的油气挥发浓度整体下降，但在15:00 出现拐点，油气挥发浓度又略微升高，大于14:00 的油气挥发浓度。

5 结论

（1）应按照外浮顶原油储罐油气挥发规律上罐顶工作。在储罐顶打扫卫生、巡检、维修维护储罐附件及取油样等工作时，尽量选在8:00 以前或18:00 以后进行，11:00 至15:00 不宜上罐顶工作，特别是在2 季度6 月及3 季度7～9 月每天12:00～13:00 更不要轻易上罐顶工作，避免油气中毒、窒息、静电起火等意外事件发生。

（2）针对外浮顶原油储罐在6 月份的油气挥发浓度最高达到102%LEL 的爆炸极限，需提前做好3项应急措施：①输油站模拟启动应急处置程序，站控岗人员及时查看SCADA 系统监控情况，若发现储罐液位在17 m 以上，立即通知外输岗人员切换倒灌流程或外输流程，将该储罐原油及时倒出一部分或外输一部分，抑制或减少油气挥发；②输油站模拟启动重大危险源专项应急预案或模拟启动储罐着火一级预案，即先启动储罐喷淋冷却水系统给储罐降温，抑制油气挥发，同时，检查消防泵、泡沫液等是否完好，一旦着火立即停止一切倒油或输油流程，启动泡沫灭火系统灭火；③模拟启动分公司级综合应急预案，出动消防车参与应急救援。另外，6 月份降低油气挥发浓度的办法是频繁切换站内倒灌流程，降低油罐液位。

（3）给大型外浮顶原油储罐推广应用主动安全防护系统[3-10]。不进行主动防护时油气挥发浓度最高能达到102%LEL，研究表明当采用主动防护系统后，浓度被控制在10%LEL，主动防护系统既减少了油气挥发对环境的污染程度，又降低了储罐雷击可能引起爆炸、起火、燃烧等的风险，也降低了人员上罐工作的风险，人员可以随时上罐顶工作。

（4）企业可以考虑给外浮顶原油储罐改造安装先进油气回收装置，或者结合实际研发设计出专用的外浮顶原油储罐先进油气回收装置，充分回收外浮顶原油储罐挥发的油气[11]，保护环境，预防工作人员油气中毒或患慢性职业病的风险。