铝制穹顶储罐火灾事故分析及防控研究

李晓东

(中石化石油销售有限责任公司,北京 102500)

0 前言

大型油气储运基地关乎国家能源战略安全,在国家石油战略布局下,我国石油储备基地总容量达千万立方米等级。作为储存原油的最主要设备,大型外浮顶储罐直径达60～100 m,单体容量国内最大为15×104m3,危险源能量集中,发生事故具有多米诺骨牌效应特征,一旦发生全面积火灾,易引发罐区群罐火灾,风险防控难度高。由于铝制穹顶具有耐蚀性优异、高度轻量化等特点,可有效解决大型外浮顶储罐油品损耗量大、受极端天气影响等问题[1],国外从20世纪50年代起,在石化储运系统和大型公共性建筑、仓储、煤矿等领域,已开始大量使用各种形式的铝制穹顶。在荷兰鹿特丹港、新加坡布星岛、美国洛杉矶和休斯顿等地区的炼油厂和油品罐区,铝穹顶储罐广泛应用,并针对铝制穹顶技术形成了相关标准规范[2]。

国内方面,由于随着储罐直径的增大,钢制拱顶重量相应大幅增加,进而对罐顶自身结构、罐壁以及罐基础的承重都提出了更高要求,因此我国建造容积超过5×104m3(直径60 m)的储罐目前仍主要采用外浮顶结构。但考虑到铝穹顶自重轻、耐腐蚀性强以及加装铝制穹顶之后可以大幅提升外浮顶可靠性等优势,铝制穹顶技术在我国也逐步得到少量使用,如广东惠州某石化企业建造了5台10×104m3铝制穹顶储罐,海南洋浦某石化企业建造了3台10×104m3铝制穹顶储罐,辽宁大连某企业建造了3台2×104m3和11台10×104m3的铝制穹顶储罐。

但是,近年国外铝制穹顶储罐已经发生了多起雷击火灾事故,其安全问题逐步受到重视。如2002年波兰某铝制穹顶储罐发生雷击火灾事故,火灾持续5 h;2018年新加坡某铝制穹顶储罐发生雷击火灾事故,火灾持续6 h;2022年古巴石油储备基地雷击火灾事故,火灾持续5天以上。

因此,本文以外浮顶储罐铝制穹顶安全防控为研究内容,通过对古巴马坦萨斯湾储油基地火灾事故进行剖析,提出安全防控措施,旨在提升我国大型油气储存基地铝制穹顶储罐安全管控水平,预防事故发生。

1 典型事故案例分析

1.1 古巴马坦萨斯湾油库基本情况

马坦萨斯湾储油基地位于古巴马坦萨斯省马坦萨斯湾,总库容40×104m3,油库主要为附近发电厂提供燃料。油库共分为2个罐组,每个罐组分别有4台储罐,单罐容积为5×104m3,事故发生之前的马坦萨斯湾油库布置,如图1所示。

图1 事故之前的马坦萨斯湾油库布置

图1中的储罐类型为“外浮顶+铝穹顶”的结构型式,网壳穹顶外表面设有避雷网,存储介质为用于发电的重质燃料油。

1.2 事故过程

2022年8月5日19时左右,该地区出现雷暴天气,闪电击中图1储油基地中的罐1后起火,并酿成全面积火灾。发生事故时,罐1内的存储介质共约2.6×104m3。8月6日5时左右,在强风与热辐射的综合影响下,大火引燃南侧相邻的罐2,之后该储罐共发生了4次爆炸,罐2在着火之前罐内共存有约5×104m3柴油。8月8日凌晨3时左右,罐2持续燃烧近40 h后发生坍塌,燃料溢出后形成池火,波及南侧的罐3,继而引发爆炸。8月8日下午,罐4起火。

1.3 事故结果

事故处置过程中,共造成17名消防员失踪,132人受伤。在储罐1发生全面积火灾时,虽然消防员在防火堤内对罐2的罐体进行人工水喷淋降温,但之后储罐2在高温烘烤下发生爆炸,这可能是造成17名消防员失踪的主要原因。此次事故最终导致储油基地南侧防火堤内的4台5×104m3的储罐全部烧毁,如图2所示。

图2 事故之后的马坦萨斯湾油库

1.4 事故原因分析

本次事故由1台储罐遭雷击引发火灾,并扩大至4台储罐的全面积群罐火灾,主要有6个方面原因。

a) 罐顶中央通气孔未设阻火器或阻火器失效。储罐遭雷击之后,引燃了中央通气孔排出的油气,中央通气孔回火并引燃了罐内油气,进而导致储罐发生全面积火灾。但该原因的可能性较低,因为储罐遭雷击的时间为傍晚19时,此时环境温度下降,储罐处于“小呼吸”的吸气阶段。

b) 罐顶避雷网失效,穹顶铝蒙皮板材料被雷电击穿,引燃罐内油气。根据API 650—2021《Welded Tanks for Oil Storage》要求,铝制穹顶所用的铝合金蒙皮板材料厚度通常为1.2 mm,而铝合金材料预防直击雷的最小厚度达到7 mm时才不会被击穿[2]。

c) 避雷针接闪并泄放雷电流时,铝穹顶上的金属构件产生火花放电,进而引燃储罐内的油气,导致储罐火灾。

d) 罐1爆炸后,浮盘可能发生了沉没或倾覆,进而引发全面积火灾。罐1发生爆炸前,储罐液位处于中间位置,浮顶上方有较大的油气空间,爆炸强度高。由于铝穹顶与罐壁通常采用螺栓连接,而不是钢制顶所采用的弱连接,导致爆炸时罐内的压力得不到及时释放,从而导致浮盘沉没或倾覆。

e) 罐1发生全面积火灾之后,火灾未能及时得到控制,导致罐2在长达10 h的高温热辐射作用下发生火灾和爆炸。

f) 隔堤密封不严,导致罐2的池火蔓延至罐3和罐4的隔堤内。发生事故时,罐2为满液位,罐2在全面积火灾作用下,罐体发生坍塌进而引发池火。由于隔堤失效,池火进一步蔓延至相邻储罐的隔堤内,导致事故扩大。隔堤失效的可能原因,包括隔堤穿墙管道未设密封措施或密封不严、穿越隔堤的排水系统未设水封、混凝土隔堤不具备耐火性以及隔堤伸缩缝未采取密封措施等。

2 对策措施

2.1 提升安全防护技术

a) 开展铝制穹顶抗雷技术攻关,提升铝制穹顶储罐的抗雷击能力。根据此次事故暴露出来的问题,重点研究铝穹顶抗雷技术,深入分析国外铝穹顶储罐事故案例和标准规范,从设计、安装、运行和维护等方面系统开展抗雷型铝穹顶技术攻关,形成成套技术及装备,并在有条件时进行应用。

b) 加强罐区安全风险监测能力建设,以便及时发现事故征兆。在位于多雷区域的罐区配置雷电预警系统;应用储罐状态监测系统,提升罐体失稳监测能力;组建罐区溢油监测系统,及时防控溢油事故;开展企业和危险源端双重预防体系和风险监测预警系统建设,充分运用信息化、智能化管控技术,持续提升罐区安全管理水平;大力推动“工业互联网+危化安全生产”融合创新应用,开展特殊作业、智能巡检、人员定位系统试点建设。

c) 治理大型外浮顶储罐密封不严问题。在一、二次密封间增设油气空间消除措施,解决浮盘边缘一、二次密封间油气空间大的问题;提升浮盘整体密封性,包括加装浮顶支柱密封、导向管(量油)密封装置,消除附件VOCs泄漏。

2.2 加强安全管理

a) 排查储罐防雷设施缺陷问题,提升储罐防雷能力。外浮顶储罐导向柱增设绝缘装置;排查储罐防雷、防静电隐患,评估设有避雷针的储罐的雷击闪爆风险,检查罐顶中央通气孔和呼吸阀是否设有阻火设施,排查罐体与浮顶的接地、量油口和自动通气孔等附件的等电位连接情况。

b) 排查浮顶边缘一、二次密封的结构完整性情况。确保边缘板与罐壁之间的环形密封间距偏差在±100 mm条件下,一次密封应与罐壁保持良好接触;定期检测外浮顶储罐二次密封内部、外部可燃气体浓度,对可燃气检测浓度超过25%爆炸下限的储罐应及时查找原因,对无法整改的储罐应加强雷雨天的消防监护。

c) 重视罐区漏油及事故污水收集系统的完好性,防范池火、流淌火造成群罐火灾事故。完善罐区漏油及事故污水收集系统(防火堤、堤式消防车道与防火堤之间的低洼地带、雨水收集系统和漏油及事故污水收集池),是预防罐区发生群罐火灾事故和环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积不足的情况,整改防火堤有效容积小于最大油罐公称容量的油罐组,容积为2×104m3及以上的储罐应单独设置隔堤,以将可能泄漏的大量油品控制在防火堤内,防止事故扩大化;排查罐区事故池容积、排水系统导流以及围墙的密封性等问题,最大程度将大面积泄漏的油品限制在油库以内;推进地上双壁储罐等新技术的研发和应用,解决部分老旧储罐防火间距不足、防火堤容积不达标等问题。

2.3 提高应急处置水平

a) 加强储罐区高效灭火设施配置。提升罐区初期泄漏火灾事故处置能力。针对风险较高的雷击密封燃爆事故,配置固定管网式压缩空气泡沫自动灭火系统,实现秒级灭火,避免人员上罐灭火作业风险,防范储罐事故升级。

b) 加强企业工艺应急处置能力建设。健全一线应急处置队伍的专用应急装备配置,提升罐区事故初期处置能力;以扑救大型储罐全面积火灾为目标,以片区为单位配置抗复燃型高效泡沫灭火剂、大流量液氮泡沫消防车、远程供水系统等成套灭火装备,提升处置片区储罐全面积火灾的能力。

c) 保障应急处置队伍能力。针对储罐消防应急作战特性,建立一套消防队员体能考核标准,如拎灭火器爬到罐顶所需时间、接警后到达最远端储罐现场的时间等,保障库区消防队伍的作战能力。

3 结语

相较钢制穹顶结构,铝制穹顶具有良好的耐蚀性、稳定性以及经济性等特点,使其在国外石化企业常压储罐上得到应用。但近年国外发生的多起雷击铝制穹顶储罐火灾事故,也暴露出铝制穹顶在雷击防护、罐顶弱连接设计、罐内油气浓度控制及罐区漏油收集系统等方面存在的不足和问题,本文提出了针对性措施,以期对铝制穹顶储罐未来在我国进一步的推广和安全使用提供借鉴和指导。