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石油储罐火灾案例与安全现状调查

 tgE中国城市燃气协会

  近几年石油化工行业安全形势十分严峻,尤其是石油储罐火灾爆炸事故频发,引起社会对石化企业的生产安全、环境保护、职业健康等状况的过分关注和担扰。作者统计了1962年至2013年期间,包括国内54起和国外29起共83起的石油储罐火灾爆炸事故,其中发生人员死亡有26起,3人以上死亡的有16起,100人以上死亡的有2起,共造成445人死亡以及巨额财产损失、环境污染、生态破坏的惨重教训,社会影响极大。例2005年英国伦敦邦斯菲尔德油库火灾爆炸事故1,烧毁20台储罐,造成43人受伤和高达8.94亿英镑(相当于101亿人民币)的经济损失,是英国和欧洲迄今为止遭遇的最大火灾事故。
  为从根本上防止储罐火灾爆炸的恶性事故发生,要深入系统地研究、梳理储罐火灾事故发生的原因,从储罐设计、工艺控制、罐区布局、风险评估、检修控制等多方面着手分析,并在储罐本质安全上实施改进措施,以防范事故发生。
2 储罐火灾案例分析
2.1 不同储罐类型火灾分析
  石油储罐常见类型有固定顶罐、外浮顶罐、内浮顶罐、球罐及卧罐等5种类型,在此对国内外83起储罐火灾典型案例进行分类统计,得出不同类型储罐发生火灾事故所占比例,具体如下表:
1 储罐类型的火灾统计

储罐类型
火灾起数
比例
内浮顶罐
30
36.2%
固定顶罐
25
30.1%
外浮顶罐
23
27.7%
球罐
3
3.6%
卧罐
2
2.4%
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  从表1得出,内浮顶罐火灾事故比例最高,约占36.2%,应予以重视。这是由于内浮顶罐通常储存汽油、石脑油等易挥发、闪点较低的轻质油品,其浮盘上部易积聚挥发的可燃气体,在本身结构相对封闭的内浮顶罐中,易形成爆炸空间。据统计10起静电为主因的事故,内浮顶罐占6起,一方面是因内浮顶罐的铜制静电导线接触不良或易腐蚀断裂;另一方面操作不当人体带电或低液位状态下流速过快产生静电等导致火灾事故发生;溢油为主因的9起事故,内浮顶罐占8起,主要是液位计失灵或充装过量引起;硫化氢铁自燃为主因的5起事故,内浮顶罐占4起,因生产运行中罐内的钢壁板或导向管等处硫腐蚀难以发现无法清除所致。固定顶罐火灾事故主要储存柴油、重质油等油品,受工艺系统制约易串入轻组分油气,从而形成爆炸空间;其中主因是未彻底处理的7起事故,5起为固定顶罐,且基本是污水、污油罐。外浮顶罐火灾事故则主要是由于雷击、满罐油品溢出或浮盘沉没等引起,其中因雷击为主要原因有13起火灾事故,占57%
2.2 按储存介质分析
2 储存介质的火灾统计

储存介质
火灾起数
比例
汽油
25
30.1%
原油
15
18.1%
石脑油
9
10.8%
污油、污水
9
10.8%
柴油
8
9.6%
液态烃
4
4.8%
其它油品
13
15.7%
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  从表2得出,汽油、原油、石脑油、柴油、污油等介质发生的储罐火灾事故占绝大多数,其中汽油储罐因过量充装溢油引发火灾事故发生较多有9起,涉及罐顶采样检尺等作业因静电引起火灾事故的有4起;原油储罐的15起火灾事故中有10起因雷击引起,这主要是由于原油储罐大型化,在雷雨季节,直径较大的浮盘上会快速产生大量的静电荷且未及时导走,引起浮盘与罐壁放电,或是高液位情况下大面积的金属面受直接雷击引燃储罐;石脑油储罐的9起火灾事故有2起是由于硫化亚铁自燃引起,须高度重视与防范。污油、污水等储罐事故中有6起是检修施工期间造成的,主要原因是对该类储罐检修安全识别不到位,施工管理未引起足够重视。柴油储罐火灾事故中有3起是由于轻组分进罐致火灾事故发生,应加强上游装置工艺控制,杜绝轻组分进入储罐。液态烃储罐火灾爆炸虽只有4起,但液态烃一旦发生泄漏扩散将难以控制,会发生空间爆炸,破坏力极强易造成群死群伤,安全风险巨大。
2.3 按点火源分析
3 点火源的火灾统计

点火源
火灾起数
比例
雷电
19
22.9%
施工明火
16
19.3%
静电火花
16
19.3%
非防爆器具
7
8.4%
汽车火星
7
8.4%
硫化亚铁自燃
5
6.0%
高温物料
3
3.6%
物料反应发热
2
2.4%
其它火源
8
9.6%
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从表3得出,静电、雷电、施工明火等为点火源所发生的储罐火灾事故占60.4%,是发生火灾事故的重要因素,需要重点防范控制。对静电和雷电,很大程度是由于管理上认识不足,从员工技能培训到防静电、防雷设施的配置上未予以足够重视;施工明火所引发的火灾事故,主要由于部分企业注重生产管理,而忽视检修施工方面的安全风险,用火作业前相应的安全措施未落实到位所致;非防爆器具、汽车火星等点火源的存在主要由于现场施工未严格防爆施工器具使用,安全检查不到位引起;高温物料、硫化亚铁自燃、物料反应发热等则主要在工艺控制、操作管理、设备本体等方面存在系统性安全隐患导致。
2.4 按事故主要原因分析
4 事故主要原因的火灾统计

事故主要原因
火灾起数
比例
雷击
19
22.9%
储罐溢油或泄漏
16
19.3%
检修安全措施不到位
13
15.7%
静电
10
12.0%
轻组分或高温油进罐
8
9.6%
硫化亚铁自燃
5
6.0%
违章操作
4
4.8%
储罐浮盘沉没
2
2.4%
其它:使用非防爆器具等
6
7.2%
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从表4中得出,火灾事故的主要原因除雷击外,储罐溢油或泄漏的火灾占比最大。溢油和泄漏主要是人的不安全行为及设备存在缺陷造成,一旦发生大量溢油和泄漏将很难避免发生火灾事故;因检修的安全措施不到位的而发生火灾事故的有13起,主要原因为清罐、动火等检修作业的安全措施未落实到位,如储罐未处理干净或系统管线未隔离等因素;轻组分或高温油进罐而造成的火灾事故则均是由于上游装置退料不当影响储罐的安全运行,最终酿成事故;硫化亚铁自燃也是火灾事故发生的主要因素,主要是安全管理上对防硫化物认识上存在误区,未能从储罐本质安全上防范到位;因违章操作造成火灾,主因是员工直接作业人员存在惰性思想、麻痹侥幸心理、责任心欠缺等综合因素导致。
3 储罐运行安全现状调查
  从各类储罐火灾案例中可得出,在储罐现行设计建造、运行管理和风险控制领域均存在部分问题,涉及到储罐本质安全、安全仪表系统(SIS)、工艺控制系统、现场检修管理等方面,对此,从现阶段储罐运行安全方面作如下调查。
3.1 储罐本质安全方面
  (1) 储罐运行存在爆炸性环境
  储罐火灾事故中,汽油、石脑油、原油等介质发生事故比例较大,占了56%。因汽油、石脑油等轻质油储罐大多为内浮顶罐,浮盘与罐壁处接触面有微小间隙无法完全隔离,且浮盘有开孔,如导向管、检尺口等处存在油气挥发,当储罐运行一段时间其浮盘上部空间可燃气积聚至爆炸极限范围;或在低液位时浮盘落床状态下,油品液面脱离浮顶后,增大了蒸发面积,形成爆炸性空间。原油等外浮顶储罐基本采用二次密封结构,在一次密封与二次密封之间易形成爆炸性环境。2007年,某国储油库10m³原油罐连续两次火灾,均是由于外浮顶储罐的浮盘密封处被雷击而发生火灾事故。
近几年石化企业的重质油、污油、污水等罐的火灾事故时有发生,说明储存重质油、污油、污水等储罐内气相同样存高浓度的油气空间,在对某石化企业的重质油、污油、污水储罐抽样检测中发现重污油罐其闪点在3050℃左右,闪点远低于工艺指标,罐内气相空间的可燃气也超100%LEL(爆炸下限百分比),详见表5
5  某石化企业的固定顶储罐的可燃气浓度

罐号
介质
罐体结构
可燃气浓度%LEL
闪点℃
101
渣油
拱顶
29%
201
渣油
拱顶
24%
206
商品燃料油
拱顶
>100%
251
油浆
拱顶
>100%
253
重污油
拱顶
50%
43
254
重污油
拱顶
>100%
32
255
重污油
拱顶
>100%
41
505
蜡油
拱顶
>100%
506
蜡油
拱顶
20%
934
重污油
拱顶
>100%
室温
936
重污油
拱顶
>100%
30
1#
污水
拱顶
>18%
4#
污水
拱顶
>34%
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  因重质油等油品中基本会掺杂着其它轻组分油品,易在加温过程中析出或上游装置操作不当轻组分混入物料产品一同进入储罐导致可燃气严重超标。在事故分析中发现,部分污油、污水罐在设计之初并未考虑到该类罐内易形成爆炸空间的危险因素,例如气相管线直接从罐体引至地面直通大气,无呼吸阀、阻火器等安全附件,现场无可燃气报警设施等报警装置,无喷淋、泡沫等消防应急设施,一旦发生异常就很难控制事故风险,且在污水、污油罐的生产运行、施工检修管理上未评估出其存在极大的安全风险。如2006521日某厂在重油罐顶上动火发生储罐爆炸事故、2007116日某厂在污水罐罐顶实施动火导致储罐爆炸事故发生等。
  (2)硫铁化合物的存在
  随着国内高含硫原油加工能力的逐渐提升,其加工过程中必定会产生硫化亚铁等硫铁化合物以及硫化氢,其中硫化氢会使人中毒身亡,硫化亚铁则会自燃引发火灾。对储罐而言,储存污油、焦化汽柴油、石脑油等介质含硫化氢浓度较高,易在导向管(或量油管)、扩散管、通气孔、气相线、罐顶罐壁等处腐蚀反应生成硫化亚铁,一旦硫化亚铁积聚自燃发热,就会危及储罐安全。如201059日,某石化公司5000m³石脑油内浮顶罐,由于在导向管处发生硫化亚铁自燃,引燃浮盘与罐顶之间爆炸性混合气体发生爆炸。
  (3)静电的存在
  从事故原因分析数据看,因静电火花导致的储罐火灾事故占19.3%,包含管道湍流静电、罐体积累静电等,以及在采样、计量过程中产生的静电。如200163日某储运厂2000m³汽油罐在检尺过程中发生着火;200347日美国俄克拉荷马州Glenpool油库储罐因装油作业装油管道高流速和集油池区域产生的湍流导致静电电荷的产生、累积和释放火花导致火灾事故等。
3.2 安全仪表系统方面
  目前石化企业的生产运行很大程序上依赖仪表系统,储罐的压力、液位、温度等参数以及阀门的开关都要靠仪表来完成。仪表自动化水平直接反映出罐区监测与控制系统的先进程度,以及日常运行安全管理的受控程度。据不完全统计,某大型石化企业的储运车间在一年间发现的仪表类故障有183起,对于生产运行的监控手段,安全仪表系统在特定情况下失效可能引发重大火灾事故。如2005年英国伦敦邦斯菲尔德油库火灾爆炸事故,其主要原因就是储罐液位监控系统失效,报警系统未能正常启动,导致储罐溢油,进而引发大规模的火灾事故。
  (1)液位仪表设施故障失效
  液位仪表设施故障,会对储罐液位失去监控,易导致储罐冒罐溢油,遇点火源形成火灾,或是浮顶罐液位过低使浮盘脱离液面形成爆炸空间,浮盘、管路等产生静电火花会导致储罐爆炸事故。对某大型石化企业储运车间现场设施失效故障进行分析,发现半年内操作人员发现31次的液位仪表故障,包括浮子卡涩、DCS死机、信号传输故障等因素,约占储罐仪表故障总次数的41.3%,其中浮子卡涩的主要原因是检尺立管内腐蚀产生较多铁锈引起。每一次的液位仪表的故障失效,若作业人员未能通过DCS系统中液位趋势图或报警及时发现,就是一起危险事故的源头。如1972925日美国田纳西州考里奇戴尔市一座直径为16.8米的21号汽油储罐在输油时未发出过量充装的报警,致大量油品溢出后发生火灾。
  (2)超限液位报警失效与检测
  储罐安全仪表系统中设有高高液位、高液位、低低液位、低液位报警以及独立安装于储罐本体的硬高液位报警检测装置。其中液位报警为DCS系统内可按日常运行要求进行设置,同时可输入模拟量来进行测试,其缺点是一旦液位仪表设施或计算机系统出现故障,则该层保护也相应失去作用。硬高液位报警检测装置则是不受计算机DCS系统及液位仪表设施局限的双重保护,故障率较低,其缺点是无法在线校验,在油罐切出检修时方可进行检验,运行过程中难以确认是否完好。
3.3 工艺控制管理方面
  储罐的安全运行也受制于上游装置的平稳操作与指标控制,当上游装置因误操作、设施故障等因素引起异常波动时,不合格的物料退至储罐,会给储罐运行带来不可估量的安全风险。
  (1)轻组分进罐风险
  石化企业中有常减压、加氢裂化、催化重整、延迟焦化等装置,原油经过一系列装置的密闭加工产出的汽油、柴油、重整料等成品或半成品,再经换热、空冷等降温措施后管输直接送至储罐,最终在储存环节与大气接触。当上游装置出现生产异常时,尤其在装置开停工期间,含瓦斯气、氢气、硫化氢、液态烃C3C4等轻组分物料可能会随污油或产品进入储罐。储罐内气相空间则会充满大量易燃易爆气体,形成封闭的爆炸空间,本质上存在潜在的安全风险,且大量可燃气会直接从罐顶排放至大气中,造成罐区周边内形成爆炸性环境,一旦接触火源,其后果不堪设想。如2011510日某石化公司催化裂化装置开工过程中粗汽油进储罐G203,油气从罐顶呼吸阀处溢出并飘出,遇到非防爆电器引发闪燃导致储罐着火;2011829日,某储运车间875号柴油罐处低液位状态,柴油中氢气串入储罐,引发闪爆着火。
  (2)高温油进罐风险
  当装置因换热器、空冷、水冷等冷却设施出现故障或停用时,超过自燃点的高温介质未经有效冷却直接进入储罐,在储罐内瞬间自燃导致储罐着火爆炸。如2010724日某炼油厂常减压装置紧急停工,因换热器、水冷器未投用,造成300℃的热渣油直接进到罐区,造成渣油罐发生爆燃起火。
3.4 检修施工管理方面
  (1)清罐作业安全风险
  通过对83起火灾事故储罐作业工况分类统计,发现有16起约占19.3%的火灾事故是在储罐建设和检修期间造成的。在储罐清罐初期,特别是汽油、石脑油等极易挥发的轻质油储罐,倒空后罐内就会形成爆炸性环境,此时若进人清罐,其人体产生的静电或使用非防爆器具均有可能成为储罐爆炸的点火源。对内浮顶罐其浮盘以及密封胶带拆卸作业,因少数浮筒内有油品渗入,密封胶带内的海绵含有大量油品,在作业过程中出现泄漏,并快速挥发在罐内也会形成爆炸性空间。如20021026日,某石化供销公司组织清理油罐罐底污油时,在罐内使用非防爆电器,发生火灾事故,造成1人死亡。
  (2)用火作业安全风险
  在罐区内不论储罐大修还是日常的检维修动火作业,其焊接、切割、打磨等产生的大量明火,将直接威胁储罐的运行安全。首先储罐区属高风险区域,其储罐的收发油、静止等不同工况下产生“大小呼吸”长期在罐区排放,特定条件下可能会在罐体附近积聚形成爆炸性环境;其次罐区含油污水系统所连接脱水沟、污水井等潜在的风险点,一旦未封堵严实、未冲洗处理干净或未按要求落实相关动火安全措施,就会形成火灾引爆点。如2003829日日本爱知县名古屋市一油库就因两个相邻油罐,其中一油罐进行焊接用火,另一油罐在清罐处理,大量油气挥发溢出,被电焊火花引燃导致火灾事故的发生。
  (3)防腐作业安全风险
  检修施工中涉及刷油漆防腐作业,因油漆中富含甲苯等易燃易爆溶剂,涂刷过程中会挥发出大量易燃易爆气体,易在罐内积聚会形成爆炸空间,若遇非防爆器具如施工照明、电线裸露等易引发闪爆,造成人员伤亡。如20061028日安徽省防腐工程总公司对新疆独山子在建原油储罐进行防腐作业时,发生闪爆事故,造成现场施工人员13人死亡。
4 防范措施与建议
4.1 日常运行管理措施
  (1)对石化企业而言要从上游装置加强平稳操作管理,重视下游储运系统的安全运行风险,严格装置各项指标控制,杜绝将氢气、轻烃等含轻组分产品退至储罐,影响储罐安全运行。
  (2)高度重视轻质油储罐的运行管理,建立轻质油罐定期检查腐蚀情况、检测可燃气体浓度的有效机制;对有氮封的轻质油罐投用前,需用氮气置换分析后方允许进油。。
  (3)严格控制罐区内的检修施工作业,作业前须风险评估,对风险较大的储罐检修、项目改造、运行管线动火等作业应编制施工方案,并按方案实施具体作业。同时应避免清罐、脱水、采样、拆加在运行设施、拆加法兰盲板等作业与用火同处一个区域进行交叉作业。
  (4)务必重视罐区用火安全措施的落实工作,尤其要控制周边轻质油罐的收付油作业,防止大量可燃气在施工点附近排放,落实罐区脱水沟、含油污水系统的封堵,以及严禁同时进行在运行设施敞开式作业现场有物料释放的交叉作业。对储罐等设施进行动火,务必先做到清扫、置换后对相连的设施进行彻底有效隔离,原则上用盲板进行隔离,分析合格后方可动火。
  (5)石油储罐的防雷、防静电的设置严格规范设计要求进行,对防雷、防静电设施应定期进行检测,务必保证完好。
  (6)规范员工操作行为,加大安全检查与考核力度,消除违章操作。
4.2 储罐本体安全防范建议
  (1)对储存易挥发的汽油、石脑油、苯等轻质油及含硫物料等介质的内浮顶储罐建议增设氮封系统,隔绝空气进入罐内,消除储罐气相的爆炸性环境同时防止硫化亚铁自燃;重新评估重质油、污水罐等安全风险,建议按甲B、乙类的石油储罐标准实施设计与建设。
  (2)存储轻质油及含硫介质的储罐建议对导向管、检尺立管、气相线及其它易腐蚀处因其内部无法进行除锈防腐,建议材质升级为不锈钢,防止生成硫铁化合物等铁锈;若投资允许,可考虑用不锈钢材料建造该类储罐。
  (3)考虑储罐周期性的检修动火风险,不以规范最小值设置储罐,适当增加储罐间距,降低检修用火带来的安全风险;同时建议对平台栏杆、爬梯、转动扶梯等劳动保护设施以及其它易损部件进行材质升级,延长储罐检修的周期,降低因检修施工带来的安全风险。
4)提高液位安全仪表系统的可靠性,建议设置“三取二”的液位监控设施;采用非传统的液位超限检测手段,建议不依赖于系统中元件的安装位置,摆脱传统仪表系统的例行检查、测试、可靠性和维护状态,增加可靠性的液位检测系统,且配置更可靠的传感器可以实现故障自检报警。
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