一種實時在線監測的雙底結構儲油罐研究

楊金林　何　旺　杜明忠　周　林

1.中國人民解放軍76167部隊,　廣東　韶關　512000;2.解放軍后勤工程學院管理科學與工程系,　重慶　401311

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一種實時在線監測的雙底結構儲油罐研究

楊金林1何旺2杜明忠1周林1

1.中國人民解放軍76167部隊,廣東韶關512000;2.解放軍后勤工程學院管理科學與工程系,重慶401311

摘要：通過單底板儲油罐罐底的特殊性分析,發現儲油罐底板兩面腐蝕易穿孔引發滲(泄)漏事故,因罐底腐蝕隱蔽性強,且無有效的實時在線檢漏設備和技術,罐底實時在線監測已成為行業研究的重點和難點。針對單底板儲油罐固有缺點,在分析儲油罐基礎檢漏層結構設計和復合罐底結構設計不足后,總結出將底板結構設計和滲(泄)漏監測技術有機結合起來破解難題的方法；提出一種配備有油氣在線探測儀和真空系統或壓力系統的雙底結構儲油罐設計,能夠實現對儲油罐底板的實時在線監漏,有效保障儲油罐的安全運行。

關鍵詞：雙底結構；儲油罐；底板滲(泄)漏;在線監測

0前言

2008年底我國石油戰略儲備一期工程順利完成,總儲備能力高達1 400×104t,但戰略儲備天數少,與日本、美國等國的戰略石油儲備天數差距較大,為此我國加快石油儲備建設進度,力求2020年實現90 d 目標。戰略儲備主要是原油儲備,以大型浮頂儲油罐為主要儲存設備,由于原油具有高含硫、高含水和雜質等特性,加上微生物侵蝕,長期在惡劣環境下運作的儲罐不可避免地出現腐蝕、開裂、穿孔等劣化缺陷,而罐底極易引起儲液滲(泄)漏,導致經濟損失和生態環境破壞,甚至引發火災爆炸事故，因此罐底是檢測的重點和難點[1-2]。如何有效防范儲油罐的滲(泄)漏事故和快速檢測罐底板的劣化程度是當務之急,解決辦法之一就是采用雙層罐底板結構,配備有效的在線監測技術,保證至少一層罐底板完好,確保不發生油料滲(泄)漏事故。對保護生態環境、減少油料和經濟損失,保證油料安全儲存,消除安全隱患，提高能源保障能力具有重要的現實意義。

1單底板儲油罐罐底的特殊性

統計資料表明,所有儲油罐滲(泄)漏事故中,罐底的滲(泄)漏比例最高,且最難發現。單底板儲油罐罐底滲(泄)漏事故常發生在儲油罐充水試壓階段、正常使用階段和儲油罐超期服役階段,正常使用階段的罐底滲(泄)漏最值得重視。由于工作條件所處環境復雜惡劣,導致儲油罐滲(泄)漏的因素很多,如腐蝕、裂紋、砂眼、應力集中等諸因素之一或兼而有之,其中腐蝕穿孔引起的罐底滲(泄)漏最多,由于罐底存在積水和雜質,當罐底滲漏時,含雜質的積水會匯集在瀝青砂絕緣層與罐底之間,加速罐底外表面腐蝕,導致罐底穿孔。

1.1罐底內表面

罐底內表面是儲油罐腐蝕最嚴重部位,主要的腐蝕是電化學腐蝕。電化學腐蝕是金屬表面與離子導電介質(電解質)發生電化學反應而引起的破壞,是儲油罐內部最主要、最嚴重、危害最大的一種腐蝕,主要發生在罐底、罐壁。例如,部分涂料采用比鐵活性高的金屬作填料(如鋅),起到犧牲陽極保護作用,以減緩腐蝕。但防腐層因施工、老化等原因,難免存在缺陷(如針孔),影響保護層的保護效果,而缺陷等處暴露出的金屬與防腐層敷蓋的部分,形成了小陽極和大陰極的局部腐蝕電池,加速暴露金屬的腐蝕速度。由于油品儲運過程中水分積存和水氣冷凝形成底水層,加上水中的一些雜質和無機鹽,造成罐底內表面電化學腐蝕。如果底水層中含有硫酸鹽還原菌(SRB)和Cl-,腐蝕性則更強。出于應力強度的需要,罐底存在向外的坡度,因此積水主要在罐壁和罐底結合處,故該處腐蝕最嚴重,是防腐重點區域。除了均勻腐蝕罐底內表面還有許多局部腐蝕,例如點腐蝕和坑腐蝕,其危害不容忽視,很多局部腐蝕造成了罐底穿孔。罐底表面的坑腐蝕見圖1。

圖1　坑腐蝕原理

1.2罐底外表面

罐底外表面主要為氧濃差電池腐蝕和雜散電流腐蝕。罐底氧濃差主要表現在罐底與砂基礎接觸不良,如滿載和空載比較,空載時接觸不良；罐周和罐中心的透氣性差別較大,引起氧濃差電池,這時罐底外表面的中心成為陽極而被腐蝕。雨水或冷凝水沿罐壁進入邊緣板下,使邊緣板下表面腐蝕加劇[3],瀝青砂絕緣層有裂紋使地基的水分上升至罐底，腐蝕罐底外表面。

儲油罐腐蝕較嚴重部位是罐底,主要是罐底邊緣板,重點是罐底和罐壁結合處。罐底邊緣板比中幅板稍厚,一是因為應力的需要；二是增加儲油罐使用壽命。典型的罐底腐蝕穿孔見圖2。

圖2　罐底腐蝕穿孔

2單底板儲油罐的固有缺點

1)罐底板受雙面腐蝕,極大增加了腐蝕穿孔的概率。

2)能實現罐底板滲(泄)漏儲油狀況下實時監測的方法或手段有限。單層罐底滲(泄)漏監測難點在于罐底外表面的情況看不見摸不著,只能利用間接方法或手段來推測和判斷罐底外表面的情況,微小的滲(泄)漏很難發現,較大的滲漏和較小的泄漏也要等罐基礎滲(泄)滿油后滲油出來才能發現。可實現儲油罐底板實時在線監測的方法只有罐基礎預埋檢測元件探漏法[6],但該方法成本高、防爆要求高、維護費用高,實際應用還有待時日。

3)罐底板滲(泄)漏后無防護措施。油庫現有監漏方法(監測罐內油位變化和感官查庫)存在不能發現微小泄漏、發現滲漏不及時以及對收發頻繁的儲油罐即使較小的泄漏也不能發現的主要缺陷,等發現儲油罐滲(泄)漏時,罐基礎內已侵滿油料,不僅經濟受損,而且可能污染環境,還給補漏、換底和置換砂墊層帶來困難和風險,甚至引起火災、爆炸事故。

3雙底板結構儲油罐的發展現狀

隨著單底板儲油罐的固有缺點越來越突出,全球石化行業逐漸把目光轉向罐底板的實時在線監測和研發新型罐底板結構上[7]。新型罐底板結構的研發就是向雙層或多層底板方向拓展,雙層底板結構的雛形是在儲油罐基礎下設計檢漏層結構，見圖3。

陳薇[8]、譚小川等人[9]設計了儲油罐基礎檢漏層結構,即在平底罐和錐底罐罐基礎砂墊層下設計基礎檢漏層。該檢漏層結構設計土石方量少,操作施工簡單,簡易實用,能及時檢出較小的泄漏和長期積累的滲漏。近來年檢漏層結構設計已應用于新建的儲油罐[10-11]。

圖3　儲油罐基礎檢漏層結構

圖4　復合罐底構造

無論是單底板儲油罐基礎檢漏層結構設計還是復合罐底技術的雙底板結構設計都不能實現儲油罐底板的實時在線監漏,只有把底板結構設計和滲(泄)漏監測技術有機結合起來,才能有效實現儲油罐底板的實時在線監漏。

一種可實現罐底實時在線監測的雙層底板結構設計見圖5。該結構在雙底板的夾層空間設置正交放置的開槽開孔支撐方鋼,在保證上層罐底板受力均勻的同時，也保證了一旦有油料滲(泄)漏,油氣會在夾層內向水平方向360°無障礙擴散,配備油氣在線探測儀后可實現罐底板實時在線監測,該結構設計較適合大型儲油罐。雙底板夾層所用的滲(泄)漏監測技術可采用真空或壓力系統加油氣在線探測儀設備。真空系統是用真空泵將夾層內氣體抽成真空,用真空檢漏器(Vacuum Leak Detector)來監測夾層的密閉性能,下罐底板漏氣或上罐底板滲(泄)漏時,雙層間隙內壓力增大,真空檢漏器發出警報；壓力系統是將夾層充入氮氣或空氣,并用壓力檢漏器(Pressure Leak Detector)監測夾層的密閉性能,下罐底板漏氣或上罐底板滲(泄)漏發生時,雙層間隙壓力減小而觸發報警器；油氣在線探測儀主要用來在線監測上罐底板的滲(泄)漏,譬如紅外線可燃氣體探測器(THY-FDM-IRHC-K),其分辨率為10-4L/m3,壽命長,響應速度快,探測到10-4L/m3以上濃度的油氣后能及時發出聲光警報[14]。雖然真空系統和壓力系統都有保持恒定壓力難的缺點,但可以采取定期監測的方式來克服,只要定期檢查未見異常,保證下罐底板的完好就行,上罐底板的實時在線監測由油氣在線探測儀來完成。定期檢查的間隔是每周或每半月。

圖5　雙底板儲油罐結構

4結論

傳統單底板儲油罐底板由于受雙面腐蝕,劣化程度難以掌握,又無有效的實時監測技術,因而罐底板腐蝕穿孔事故頻發,給石油儲存造成極大的安全隱患,已成為石化行業研究的難點和熱點。針對單底板儲油罐的固有缺點,分析儲油罐基礎檢漏層結構設計和復合罐底技術的雙底板結構設計的不足,提出只有把底板結構設計和滲(泄)漏監測技術有機結合起來破解難題的方法。一種可實現罐底板實時在線監測的雙底板結構設計被提出,由于雙底板夾層空間由開槽開孔的方鋼正交排布支撐,在保證上層罐底板受力均勻的同時，也保障了可能滲(泄)漏的油料蒸氣能夠在夾層內自由迅速擴散,給油氣探測儀的及時報警創造了條件。由于在線真空系統或壓力系統都有很難保持恒定壓力的固有缺點,為克服該缺點,把真空系統或壓力系統的在線監測改為定期檢測,同時引入油氣在線探測儀。油氣在線探測儀可實時在線監測上層罐底板的滲(泄)漏,而定期檢漏的真空系統或壓力系統用以保證下層罐底板的完好。由于兩層罐底板幾乎同時穿孔為小概率事件,因此,雙底板結構設計對上層罐底板的滲(泄)漏是“雙保險”：其一,保證上層罐底板滲(泄)漏能及時報警,贏得騰空油料時間；其二,即使上層油料滲(泄)漏也不會跑出雙層罐底的夾層空間,不會造成環境污染和重大經濟損失。因此配備油氣在線探測儀和真空系統或壓力系統的雙底結構設計的儲油罐能夠實現對儲油罐底板的實時在線監測,保障儲油罐的安全運營。

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收稿日期：2015-11-05

基金項目：中國人民解放軍總后勤部重點科研項目“儲油狀況下油罐檢測技術研究”(油20080208)

作者簡介：楊金林(1977-)，男，湖北鐘祥人，工程師，博士，現主要從事油料的儲存與加注和油罐檢測工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.021