陜北地區外浮頂原油儲罐油氣揮發規律實驗研究

袁瑞華

陜西延長石油（集團）管道運輸公司

陜西延長石油已有120 年歷史，原油產量穩定在1 200×104t/a 以上，油田公司、煉化公司、管道運輸公司共有外浮頂原油儲罐約200 座，容量最大的有6×104m3，最小的有2×104m3，大罐和小罐油氣揮發規律趨勢是相同的。但是，至今為止，陜西延長石油的外浮頂原油儲罐從未做過對油氣揮發規律的研究，國內其他油田、煉化、管輸、儲運等公司文獻上也未查到做過外浮頂原油儲罐油氣揮發規律的詳細研究情況，未做更多深入研究[1-2]。主要原因有五個方面：①該實驗研究周期長，至少1 年內要做52 天，而且要選環境溫度高、風速高的每月每周內的某一天；②該實驗研究非常復雜，因為油氣揮發濃度是個非穩態變量，影響其變化因素較多，例如原油物性、流變性、密度、含水率、含雜質、原油溫度、環境溫度、風速、油面靜或動、進油及出油流速、液位、光照時間、密封圈質量或老化情況等；③科研單位、設計單位、高校等單位無法長時間赴儲罐現場做研究；④企業技術人員在重大危險源儲罐頂長期做此項實驗研究有非常大的安全隱患，上罐頂實驗無絕對安全控制保障措施，一旦出現意外將對人身安全造成重大威脅；⑤罐頂實驗環境惡劣，每次上罐頂約40 m 梯程，在罐頂6 個點做實驗，每周選做1 天，每座罐每年要做2 304次實驗，工作量較大。

由此可見，該實驗研究工作非常危險、復雜和困難。目前外浮頂原油儲罐油氣揮發安全隱患的風險管控沒有做到理論指導實踐、實踐驗證理論、事先預防和管控，這個問題長期得不到實質性解決，其危害不可估量。例如，人員日常上外浮頂原油儲罐罐頂作業、巡檢、打掃衛生、維修維護附件、取樣等，隨時可能發生意外情況，存在安全隱患。另外，響雷打閃也能引起外浮頂原油儲罐罐頂密封圈起火、爆炸、油品泄漏等事件，國內已有案例，危害相當嚴重。外浮頂原油儲罐的油氣揮發也會對環境造成嚴重污染、對資源造成嚴重浪費。

針對上述問題，通過實驗法、比較法、圖示法、篩選法、歸納法等方法探索研究陜北地區外浮頂原油儲罐油氣揮發規律，根據油氣揮發規律給出儲罐安全隱患風險管控建議，指導上罐人員安全作業；給大型外浮頂原油儲罐應用主動安全防護系統（給儲罐一、二次密封圈注氮氣，稀釋油氣濃度或氧氣濃度）及油氣回收裝置，實現儲罐雷擊爆炸、起火、燃燒、污染環境、危害人身安全與健康等風險管控，人員也可隨時上罐安全工作，減少儲罐油氣揮發濃度，保護了周邊環境。可見，研究外浮頂原油儲罐油氣揮發的規律對國內外浮頂原油儲罐隱患風險管控起到了很重要的作用。

1 實驗研究目的

利用實驗得出陜北地區外浮頂原油儲罐油氣揮發的最大濃度，判斷其是否滿足標準要求，是否影響和危害周邊環境。通過對陜西延長石油（集團）有限責任公司管道運輸公司（以下簡稱延長石油）洛川末站6 座容量為5×104m3外浮頂原油儲罐（圖1）一、二次密封裝置之間的氣相空間進行采樣分析，獲取在不同時間段、不同環境溫度、不同風速下油氣的揮發規律，為儲罐安全運行提供技術保障。找出陜北地區外浮頂原油儲罐油氣揮規律，為今后儲罐安全管理、運行、技術研究做依據，避免油氣中毒、窒息、靜電起火、雷擊起火等意外事件發生。

圖1 洛川末站6 座外浮頂原油儲罐外觀Fig.1 Appearance of 6 external floating roof crude oil storage tanks at Luochuan Terminal Station

2 實驗研究條件

主要設備：溫度計、便攜式可燃氣體檢測儀（絕對防爆型）、便攜式可燃氣體報警儀（絕對防爆型）、風速測試儀、專用罐頂作業工作服、應急設備（包括提前系在罐頂防護欄上的逃離防火繩，繩長度大于罐頂距地面高度）等；選取標準滿罐外浮頂原油儲罐進行實驗，原油液位不低于17 m，因為最高液位相對油氣揮發濃度最高，風險最大；原油溫度在30～45 ℃之間；原油含水率不大于1%；儲罐的一、二次密封圈無老化間隙變大、刮油不凈的情況；此外，不滿足以上條件的另做研究實驗。在儲罐不進油或出油基本靜態的情況下，進行日間10 h 數據測試，上罐實驗時，必須保證上罐人員作業的安全，防爆措施、應急預案等需滿足標準、規范、制度的要求。

3 實驗結果

3.1 篩選出油氣揮發濃度最高的儲罐

對洛川末站6 座儲罐的密封圈內油氣氣體濃度進行檢測，選出油氣揮發濃度最高的儲罐作為實驗研究對象，檢測結果如表1 所示。

表1 6 座儲罐的密封圈內油氣氣體濃度測試情況Tab.1 Measurement of oil and gas concentration in sealing rings of 6 storage tanks

由表1 可知，G02 儲罐油氣濃度最高，主要原因是液位最高，日照時間相對最長；其余儲罐油氣濃度都較低。故選取G02 儲罐作為本項目的研究對象，進行全年的油氣濃度檢測研究。

3.2 G02 儲罐全年實驗數據

采樣點為罐頂均勻分布的6 個點，互成60°角，將6 個點或6 個小孔（DN8）布置在罐頂二次密封圈上，委托專業安全消防設計施工甲級單位，采用絕對防爆工藝，按照標準要求在罐頂二次密封圈上開孔，6 個小孔采樣后用絕對防爆銅制螺栓或螺釘封孔；檢測時間為期1 年，從2020 年6 月3 日開始至2021 年5 月31 日。檢測間隔周期為1 周選做1 次，累計1 年內共52 周選做52 次；技術員持便攜式可燃氣體檢測儀按照規定時間在采樣孔處感應儲罐一、二次密封圈處揮發出的油氣濃度，待可燃氣體檢測儀讀數穩定后，拍照數據圖片并立即在實驗表上記錄對應數值，52 次實驗數據全部收集錄入到《油氣揮發規律試驗研究報告》，該數據原始照片、記錄和報告永久保存，為后期儲罐生產運行提供參考。本次節選其中12 周每月1 次的實驗數據（表2～表13）。

表2 第1 周6 個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.2 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 1st week

表3 第5 周6 個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.3 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 5th week

表4 第9 周6 個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.4 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 9th week

表5 第13 周6 個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.5 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 13th week

表6 第18 周6 個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tal.6 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 18th week

表7 第23 周6 個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tal.7 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 23rd week

表8 第27 周6 個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.8 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 27th week

表9 第31 周6 個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.9 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 31st week

表10 第35周6個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.10 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 35th week

表11 第39周6個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.11 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 39th week

表12 第44周6個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.12 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 44th week

表13 第48周6個采樣點油氣揮發濃度測試情況Tab.13 Measurement of oil and gas volatilization concentration at 6 sampling points in the 48th week

根據上述數據，可得出G02 儲罐全年在08:00～18:00 時段每小時各采樣點的油氣揮發曲線圖572個，選出最能反映問題的2 個圖進行分析。從圖2、圖3 可以看出G02 號儲罐油氣揮發的規律。

圖2 G02 儲罐全年在12:00 時段各采樣點的油氣揮發曲線Fig.2 Oil and gas volatilization curve of each sampling point at 12:00 in the whole year of G02 storage tank

圖3 G02 儲罐全年在13:00 時段各采樣點的油氣揮發曲線Fig.3 Oil and gas volatilization curve of each sampling point at 13:00 in the whole year of G02 storage tank

4 儲罐油氣揮發規律

（1）儲罐每季度油氣揮發規律（特殊天氣除外）：4 季度＜1 季度＜3 季度＜2 季度，儲罐在冬季夜間處于靜止狀態。

（2）儲罐每月油氣揮發規律（特殊天氣除外）：根據G02 號儲罐全年油氣濃度分析，1～6 月隨環境溫度（-10～33 ℃）逐漸升高，油氣揮發濃度總體上升。6 月份油罐的油氣揮發濃度最高，最高達到102%LEL，油氣濃度已達到爆炸極限；在6～9月期間且環境溫度在25～33 ℃之間，油氣揮發濃度整體降低；9～10 月期間且環境溫度在25 ℃左右，油氣揮發濃度整體保持不變；10～12 月期間且環境溫度在10～25 ℃，油氣揮發濃度整體降低，最低達到0 LEL。

（3）儲罐每天油氣揮發規律（特殊天氣除外）：從G02 油氣揮發曲線可以看出，除個別采樣點異常外，大多數由于白天溫度高，油氣揮發濃度比晚上高。從8:00 開始，隨著氣溫的升高，油氣揮發濃度逐漸升高，10:30～15:30 油氣揮發濃度達到最高102%LEL，15:30 后隨著氣溫的降低，油氣揮發濃度逐漸降低。

（4）儲罐每時油氣揮發規律（特殊天氣除外）：根據表1～表7 可看出，油氣揮發濃度受氣溫的影響較為明顯。隨著氣溫的升高，油氣揮發濃度逐漸升高：8:00 油氣揮發濃度為0～25%LEL；9:00油氣揮發濃度為0～26%LEL；10:00 油氣揮發濃度為0～31%LEL；11:00 油氣揮發濃度為1%～55%LEL；12:00 油氣揮發濃度為2%～78%LEL；13:00 油氣揮發濃度為0～102%LEL；14:00 油氣揮發濃度為0～90%LEL；15:00 油氣揮發濃度為0～91%LEL；16:00 油氣揮發濃度為0～81%LEL；17:00 油氣揮發濃度為0～64%LEL；18:00 油氣揮發濃度為0～52%LEL。在08:00～13:00 之間氣溫逐漸升高達到最高，此時段的油氣揮發濃度也遞增到最大值，到13:00時油氣揮發濃度最高達到102%LEL，已達到爆炸的臨界條件，此時一旦遇到火源即刻發生爆炸。而在13:00～18:00 之間氣溫逐漸降低，此時段的油氣揮發濃度整體下降，但在15:00 出現拐點，油氣揮發濃度又略微升高，大于14:00 的油氣揮發濃度。

5 結論

（1）應按照外浮頂原油儲罐油氣揮發規律上罐頂工作。在儲罐頂打掃衛生、巡檢、維修維護儲罐附件及取油樣等工作時，盡量選在8:00 以前或18:00 以后進行，11:00 至15:00 不宜上罐頂工作，特別是在2 季度6 月及3 季度7～9 月每天12:00～13:00 更不要輕易上罐頂工作，避免油氣中毒、窒息、靜電起火等意外事件發生。

（2）針對外浮頂原油儲罐在6 月份的油氣揮發濃度最高達到102%LEL 的爆炸極限，需提前做好3項應急措施：①輸油站模擬啟動應急處置程序，站控崗人員及時查看SCADA 系統監控情況，若發現儲罐液位在17 m 以上，立即通知外輸崗人員切換倒灌流程或外輸流程，將該儲罐原油及時倒出一部分或外輸一部分，抑制或減少油氣揮發；②輸油站模擬啟動重大危險源專項應急預案或模擬啟動儲罐著火一級預案，即先啟動儲罐噴淋冷卻水系統給儲罐降溫，抑制油氣揮發，同時，檢查消防泵、泡沫液等是否完好，一旦著火立即停止一切倒油或輸油流程，啟動泡沫滅火系統滅火；③模擬啟動分公司級綜合應急預案，出動消防車參與應急救援。另外，6 月份降低油氣揮發濃度的辦法是頻繁切換站內倒灌流程，降低油罐液位。

（3）給大型外浮頂原油儲罐推廣應用主動安全防護系統[3-10]。不進行主動防護時油氣揮發濃度最高能達到102%LEL，研究表明當采用主動防護系統后，濃度被控制在10%LEL，主動防護系統既減少了油氣揮發對環境的污染程度，又降低了儲罐雷擊可能引起爆炸、起火、燃燒等的風險，也降低了人員上罐工作的風險，人員可以隨時上罐頂工作。

（4）企業可以考慮給外浮頂原油儲罐改造安裝先進油氣回收裝置，或者結合實際研發設計出專用的外浮頂原油儲罐先進油氣回收裝置，充分回收外浮頂原油儲罐揮發的油氣[11]，保護環境，預防工作人員油氣中毒或患慢性職業病的風險。