石油储罐的安全问题与防护策略.pdf

综述 石 油 化 工 设 备 技 术 ， 2 0 1 2 ， 3 3 4 5 1 P e t r o Che m i c a l Equ i p me nt Te c h nol o gy 石油储 罐 的安全 问题 与 防护策略 王菁辉 中 国 石 化 集 团洛 阳石 油 化 工 工 程 有 限公 司 ， 河 南 洛 阳 4 7 1 0 0 3 摘 要 石 油储罐 的危 险性 源于所储存 的油品本身的危 险性和外界施 加 于油罐 的危险性特 别是 雷电的 危 险性 。油品的危险性主要是汽油的危险性 ， 包括对人体 的危害 以及 易燃、 易爆 、 易蒸发、 易产生静 电、 易受 热膨胀 、 易被氧化和具有腐蚀 性等。文章介绍 了雷 电的起 因、 种类和各 种雷 电的防护措施 ， 以及各 种油罐 的 防雷设计 ， 特别介绍 了防雷电接地要 求等。 关 键 词 危 险性 雷 电 接 地 油罐 石 油储 罐 的危 险性 来 源 于 两个 方 面 一个 是 所 储存 的油 品本 身 的危 险 ， 包 括 油 品 的 危 险性 以 及产生的静电和腐蚀等危害； 另一个 是来 自于外 部的危害， 包括外力机械损伤、 雷电的袭击和腐蚀 的危 害 。本 文就 油罐 内部 油 品的危 险性 和外 部雷 电的危 险性 进行论 述 。 1 油罐 的 内部危 险 即油 品的危 险性 在 油罐 储存 的各 种油 品 中 ， 以汽 油为 数最 多 ， 而 这些 油 品中 以汽油 的危 险性 最大 ， 柴油 、 航 媒和 燃 料油 ， 以及 润 滑油 的危 险性相 对较 小 ， 因此 主要 就 汽油 的有关 性质 搞 清楚最 为 重要 。 1 ． 1 油 品 的性质 汽 油是 C ～ C 。 各 族 烃 类 复 杂 的混 合 物 ， 是 由石 油炼 制 得 到 的 馏 分 或 重 质 馏 分 通 过 裂 解 制 得。石油的一次加工和二次加工过程都产生汽油 组分。而从原油蒸馏装置直接生产 的直馏汽油 ， 不能单独作为发动机燃料， 而是将其精制、 调配， 有 时还 加入 添加 剂 以制得商 品汽油 。 根 据加工 工 艺 的不 同可 分 为 直 馏 汽 油 、 催 化 裂 化汽 油 、 重 整汽 油 、 焦化 汽油 、 加氢裂 化 汽油 、 合 成 汽油 等 。 1 ． 2油 品对健 康 的危 害 常用 的 工 业 油 品 中 以 汽 油 对 人 体 的危 害性 最 大 。 汽 油通 过呼 吸 、 口腔 以及 皮 肤 毛 细 血 管 渗 透 等 途径进 入 人体 ， 引发 中枢 神 经 系统 的急 性 中毒 并 伴有 肝 、 肾损 害 ； 或 出 现 头晕 、 恶 心 等 的轻 度 中 毒症状 ； 大量吸人人体会 出现中毒性脑病甚至意 识 突然 丧失 、 反射 性 呼吸停 止 ； 有 些 患者 可能 出现 中毒 性精 神病 ； 呼 吸道进 入 引起 肺 炎 ； 溅入 眼内引 起角 膜溃 疡 、 穿 孔甚 至失 明 ； 皮 肤接 触致 急性接 触 性皮 炎 ， 甚 至灼 伤 ； 吞 咽引起 急性 胃肠 炎 ； 慢 性 中 毒会引起神经衰弱综合征、 植物神经功 能症状类 似精 神分 裂症 。 1 ． 3油 品的危 险性 轻质 油品极 易 燃 烧 ， 其 蒸 汽 与空 气 可 形 成爆 炸性混合物， 遇明火等易燃烧爆炸 ， 与氧化剂能发 生强烈反应。其蒸汽比空气重 ， 能在较低处扩散 到相 当远 的地 方 ， 遇 明火 会引着 回燃 。 石化储 罐 区 的储存 物 质主要 是 油品及 液化 气 等可 燃 、 易燃 液 体 ， 遇 火 源 易起 火 燃烧 ， 且 具 有 流 淌性 ， 储罐、 管道一旦发生泄漏 ， 特别是泄漏挥发 性 很 强 的可燃物 质 ， 随着泄 漏继 续 ， 挥 发 出的易然 易爆 的量增 大 ， 周 围环 境 中危 险性 物 质 的蒸 汽含 量 增 加 ， 达 到最 小 燃 烧爆 炸 极 限 以上 ， 接 触 火源 ， 即使是极其微小 的火花， 都有燃烧爆炸的危险性 。 石油产 品 特别是 汽油 的燃烧 爆 炸危 险性主要 有 下 列几个 方 面l 1 ] 1 易 燃 性 易 燃性 按 其 闪点 分 ， 一 般 闪点 小 于 4 5 C的属 于易燃液体 ， 闪点大 于或 等于4 5℃ 的属 于可燃 液体 。闪点 越低 ， 燃烧 危 险性越 大 。 2 易 爆性油 品 的蒸 汽 在 空气 中的含 量到 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 2 9 。 作者简介 王菁辉 ， 1 9 8 9年 7月毕 业于西安 交通大学 高分子 材料专业 ， 获工学硕士学位 ， 长期从事石 油化工腐 蚀 与防护 研究工作 ， 近年主要从 事石 油储灌 的腐蚀 与安 全工作 ， 教 授 级高级工程师。 E ma i l wa n g j i n g h l p e c ． c o m． c n 石油化工设备技术 一 定 比例时 ， 遇火 即爆炸 。爆 炸极 限范 围越大 、 下 限越低 的油 品， 发生爆炸 的危险性越大 。汽油就 是遇火 爆炸 的极危 险油 品 。 3 易 蒸 发性 轻 质 油 品具 有 易 蒸 发性 ， 闪 点越 低蒸 发越 快 ， 危 险 性 越 大 。石 油 产 品无 论 在 静止状态还是流动状态都会蒸发 ， 蒸发速度与温 度、 蒸发面积、 液体表面等 因素有关 ； 蒸发速度较 快 的油 品 ， 其 蒸 发油 气 在 空 气 中 的浓 度超 过 爆 炸 下 限而形成 爆 炸性混 合物 时间越 短 。 4 易产生静电性 油品在运动中其烃分子 之 间 以及 烃分 子 与器 壁 等磨 檫 产 生 静 电 ， 而 且 产 生 的静 电电位很 高 。而静 电放 电产生 的火花 能量 足 以达 到或超 过 油 品蒸 汽 的 最小 点 火 能量 时 ， 会 立 刻引起 燃烧 或爆 炸 。 5 易受热膨胀性 石油产品受热后体积膨 胀 ， 同时蒸汽压增高 ， 储罐容易膨胀 ， 甚至爆裂 。 另外 ， 当储罐 内热油 冷却 时 ， 又会造 成油 品体积 收 缩而形成负压 ， 损坏储油容器 ， 增加火灾危险性 。 6 易 被氧 化性 油 品 中的烯烃 等 极 易被 氧 化 ， 当遇到 强氧 化剂 或 强 酸 能迅 速 发 生反 应 且 放 出大量 的热而引起燃烧或爆炸。 7 毒 害 性 、 腐蚀 性 绝 大 多 数 易燃 液 体 及 其蒸 汽都具 有一 定 的毒 性 ， 会 通 过 与 皮 肤 的接 触 或 口鼻吸人人体， 产生 中度 中毒或重度 中毒 ， 对人 体造成各种各样 的伤害。 另外 ， 重质油品还有易沸腾突溢性 。 1 ． 4 各种 油 品的爆炸 极 限 各种 油 品的爆 炸 极 限相 差 很 大 ， 其 中重柴 油 和 润滑油 几乎 不 发生 爆 炸 ， 而 汽 油 的爆 炸 下 限为 1 ． 0 ， 上 限为 8 ． 0 ； 煤 油 的爆 炸 下 限 为 0 ． 8 ， 上 限 为 6 ． 5 ； 轻 质柴 油 的爆 炸下 限为 0 ． 6 ， 上 限为 6 ． 5 。对 人 体 危 害 的 空 气 中 最 高 含 量 汽 油 为 3 0 0 mg ／ m。 ； 煤 油 为 3 0 0 mg ／ m。 ， 而 重 柴 油 和润 滑 油 挥 发 性 太小 。石 油蒸 气 与 空气 混 合 ， 当达 到一 定 混合 比范 围时 ， 遇到火 即发 生爆炸 。上 述混合 比范 围 ， 称为爆炸极 限。爆炸最低 的混合 比， 称为爆炸下 限 低限 ； 爆炸最高的混合比， 称为爆炸上限 或 高限 。即当汽油蒸气在空气中的含量达到上述 范 围 ， 遇火 将引 起爆 炸 。低 于下 限时 ， 遇火不 会爆 炸， 也不会燃烧 ， 高于爆炸上限时 ， 遇火则会燃烧。 但在石油火灾过程 中， 随着石油蒸气浓度的增减 变化 ， 爆 炸和燃 烧也 是交替 出现 的 。某 些油 品 ， 除 了按石油蒸气浓度测定爆炸极 限外 ， 还有一个按 温度 ℃ 来 测定 爆 炸极 限 ， 也 同样 区分 为下 限 和 上 限 。 油品是 易燃 易爆 物 质 ， 遇 到火 源 可 能发 生 燃 烧爆 炸 。油 料 的 危 险 性 是 以 油 品 的 闪点 来 表 示 的 ， 常见 油品 闪点见表 1 。 表 1 油品的闪点 。C 从表 1 可 知 ， 大多 数 轻 质油 品闪 点在 常 温 或 常温 以下 ， 接 近火源 ， 油 品即可能 发生着 火燃烧 或 者 爆炸 。闪 点是 油 品安 全性 的指 标 ， 能够 表 征 油 品着火燃烧的危险程度 ， 习惯上也正是根据 闪点 对危险品进行分级 。显然闪点愈低愈危 险， 愈高 愈 安全 。 2油 罐的 雷 电危 害 2 ． 1 雷 电的产 生 雷电是 由带电韵 云层对地面建筑物及大地的 自然放电引起的， 它会对人、 建筑物以及大地上的 生命体形成严重的危害。在天气 闷热潮湿 的时 候 ， 地面上 的水受 热变 为蒸汽 ， 并且 随受热 的空 气 上升 ， 在空中与冷空气相遇， 使上升的水蒸汽凝结 成小 水滴 ， 形成积 云 。云 中水 滴受强 烈气 流吹袭 ， 分 裂为一 些小 水滴 和 大 水滴 ， 较大 的水 滴带 正 电 荷 ， 小水滴带负电荷 。细微的水滴随风聚集形成 了带负 电的雷 云 ； 带正 电 的较 大水 滴 常 常 向地 面 降落而形成雨 ， 或悬浮在空中。由于静电感应 ， 带 负电的雷云 ， 在大地表面感应有正电荷。这样雷 云与大 地 间形 成 了一 个大 的 电容 器 。当 电场 强度 很 大 ， 超过 大气 的击 穿强 度时 ， 即发生 了雷 云与大 地 间的放 电 ， 就是 一般所 说 的雷击 。 2 ． 2雷 电的特点 和种 类 2 ． 2 ． 1 雷 电的特 点 冲击 电流大 ， 雷 电流变化梯 度 大 ； 时 间短一般 在 6 0“ m 以内； 冲击 电压高可达上亿伏 ； 强大的 交变磁场， 从几赫兹到上百个千兆赫兹 。 2 ． 2 ． 2雷 电的种类 雷 电包括 直击雷 和感 应雷两 种 。 1 直 击雷是 带 电的云层 与 大地 上某 一 点之 间发生 迅 猛 的放 电现 象 。雷 电 直 接 击 中地 面 物 体 ， 并通过该物体泄放入地的雷击称为直接雷击 ， 俗称直 接雷 。 2 由雷 闪电流产 生 的强 大 电磁 场 变化 与导 第 3 3 卷第 4 期 王菁辉．石 油储 罐的安全问题与防护策略 体感 应 出 的过 电压 、 过 电流 形 成 的 雷击 称 为 感 应 雷 。感应 雷 可 由静 电感 应 产 生 ， 也 可 由电磁 感 应 产生 ， 形成感应雷电压几率非常高 。最常见的 电 子设 备危 害并 不 是 由于 直接 雷 引 起 的 ， 大 多 数 情 况是 由感 应 雷感应 出雷 电过 电压 引起 的。 感应 雷 击 又 分 为 电 磁 感 应 雷 和 静 电感 应 雷 两种 1 电磁感应 雷。雷击发生在避雷针或供 电 线路上会产生强大的交变电磁场 ， 其能量最终作 用到设备上 。避雷针使感应雷击 的可能性增加 ， 对带 电设备有极大危 害。所以， 整个避雷体系要 有很好的导电性 ， 接地体电阻一定要足够的低 。 2 静 电感 应 雷 。雷 云 所 带 负 电荷 所 产 生 的 电场能 在金 属导线 上 感应 出正 电荷 。当雷云 放 电 时 ， 负电荷在一瞬间消失 ， 而在线路上感应的正电 荷也 在 电势 能 的作 用 下沿着 线 路产 生很 大 电流 冲 击 。对储 存 易燃 易爆 危险 品 的场所 防静 电应该 引 起重 视 。 2 ． 3各 种雷 电的 预防措 施 主要 包 括 采 用 接 闪 、 分 流 、 屏 蔽 、 均 压 、 等 电 位、 接地等技术措施 ， 接地的种类除防雷接地外 ， 还有 交 流 工 作接 地 、 保 护 接 地 、 直 流接 地 、 过 电压 保护接地 、 防静 电接地 、 屏蔽接地等等 。 2 ． 3 ． 1防直 击雷口 主要 措施 是在 被保 护设 备或 构筑 物上 安装 防 雷或 避 雷 装 置 。一 套 完 整 的 防 雷 装 置 包 括 接 闪 器 、 引下线和接地装 置。平常知道 的避雷针 、 线、 网、 带都只是接闪器。它是利用其高出被保护物 的突 出地 位 ， 把雷 电引 向 自身 ， 然 后通 过 引下线 和 接地装置把雷 电流引入大地 ， 从 而减少雷击对设 备等产生 的危害。接闪器所用材料应能满足机械 强度和耐腐蚀的要求 ， 还应有足够的热稳定性 ， 以 能承 受雷 电流 的热 破坏 作用 。 防雷 体系失 去 作 用 还 可 能 吸 引雷 电 ， 增 加 遭 雷击 的机会 。因此 ， 尽量 避免 弯 曲 ， 而且 忌用 铝线 做 防雷 引 下线 。 防雷装 置遭 遇 雷 击 时 ， 接 闪 器 引下 线 和接 地 装 置 瞬间呈 现 的 冲击 电压 都 很 高 ， 有 可 能击 穿 与 邻近导体之间的绝缘 ， 发生剧烈的放 电， 可能引发 火灾或爆炸事故 。防雷装置与邻近的导体之间必 须要 有足 够 的安 全 距 离 。因此 ， 为 了防 止放 电危 害 ， 一 般 接地装 置 距 建 筑 物 的 出入 口和 人 行 道 的 距离 不应 小于 3 m。 2 ． 3 ． 2防雷 电感应 防雷 电感应 的主要措 施如 下 1 建筑物的设备、 管道、 构架 、 电缆金属外 皮等所有金属物均应接到防雷电感应接地上； 2 平行敷设 以及跨接的管道、 构架等金属 物应 根据距 离大 小及 相关规 定采 用金 属跨 接线 ； 3 防雷 电感 应 与 防 电气 设 备 接 地应 共 用 ， 并 与 室 内接 地 干线多 处相 连 。 4 当电力线路或管道与防雷接地系统不相 连时 ， 其间距应符合相关规定。 2 ． 4油罐 雷 电预 防 2 ． 4 ． 1 金 属油 罐在 防直 击雷方 面 的要求 按照有 关规 定 ， 当油 罐壁厚 度小 于 4 mm 时 ， 应 安 装 防雷装 置 ； 当罐壁 厚度 小于 4 mm 时 ， 可 不 装避雷设施 ， 但是这实际上是不安全的， 特别是在 多雷 区也可 考 虑装 设 防直 击 雷设 施 ， 在 罐 壁 上 焊 接 1 iT l 高的金属避雷带也不十分可靠。有时虽 然 罐壁 接地 良好 能 及 时 放 电 ， 但是 罐 顶浮 盘 在 雷 电 的强 大 电 压 作 用 下 也 可 能 产 生 火 花 而 引 起 火 灾 。对 于 固定顶 金 属 油 罐 的 呼 吸 阀 、 安 全 阀必 须 装设阻火器 ； 金属油罐必须作环形防雷接地 ， 接地 点不少于两处 ， 其间弧形距离不大于 3 0 n 3 _ ， 为了 安 全也 可 以多加 几 个 接 地 ， 为 了 经济 则 选 择合 理 的接地 数量 。接 地 体 与 罐 壁 的距 离 应 大 于 3 m； 罐体装有避雷针或罐体作接闪器时 ， 接地冲击 电 阻不大于 1 o Q， 接地体本身的状态也是影响接地 效 果 的一个 非 常重要 的 因素 。 2 ． 4 ． 2油罐 区的防 雷设计口 依据有关规范防雷的要求进行设计 ， 对 于罐 区来说 主要 是引 下线 的设计 和地 网的设 计 。 1 引下线 的设 计 。油罐 区避 雷 针 的引下 线 必须接地良好， 避雷针与引下线有 良好的电气连 接 ， 连接 处 做防腐 处理 ， 引下 线与 地极 或地 网同样 要 有很好 的 电气连 接 ， 连 接处 也要进 行 防腐处 理 。 引下 线接 头数 要尽 量少 ， 接头 应卡 紧无 断裂松 动 ， 最好 用搭 接焊 接方 式 。 2 地 网 的设 计 。加油 站储 罐 区 地 网的接 地 包括直击雷保护接地 其接地 电阻要求小于等于 1 0 Q 、 防静 电接地 其 接地 电阻要 求小 于等 于 1 O Q 、 电源工作接地 其接地电阻要求小于等于 l o Q 和信号线路直流工作接地 其接地电阻要求小 于等于 4 Q 4 个部分 。依据 GB 5 0 0 5 7 --1 9 9 4 建 筑 物 防雷 设 计 规 范 和 G B 5 0 0 7 4 -- 2 0 0 2 石 油 库 石油化工设备技术 设计规范 的要求， 加油站的接地应采用统一的形 式 ， 并在各处做等电位连接， 即油罐的罐体及罐的 金属构件 以及呼吸阀、 量油孑 L 等金属附件除了与 接地系统做可靠的电气连接， 其统一接地电阻要 求 小于 等于 4 Q。 ． 2 ． 4 ． 3 储 油罐 不 同 。 防 雷措施 不 同 对 于密封 金 属油 罐 ， 一 般认 为直 击 雷 对壁 厚 大 于或 等 于 4 r D _ m 的油 罐几 乎 没 有威 胁 ， 可 以不 装避雷针， 仅作 防感应雷接地 ， 只要其接地电阻不 大于 3 Q即可安全解决雷击的问题 ， 但实际上 问 题并不十分简单 ， 对此类储罐最好还是 既考虑直 击雷也 考虑感 应 雷的危 害 。 对于带有阻火器 呼吸阀 ， 且液压安全 阀密封 密闭 的金属 油罐 ， 罐 壁 厚度 和罐 顶 板厚 度 大 于 或 等于 4 mm时 ， 可不装避雷针 ， 但是接地装置必须 牢 固 、 导 电性 好 ， 呼吸 阀 与阻 火 器 、 阻火 器 与连 接 短管 之 间的螺栓 螺帽 应无锈 蚀或 松脱 。对于 外浮 顶油罐， 由于储罐的罐顶随液面的升降而浮动 ， 罐 内形成 不 了爆炸 性 的混合 物 ， 而且 浮 顶 和罐 壁 之 间是密封的， 一般 只接地可靠 即可。对浮动的金 属罐顶 ， 要用可绕的跨接线与金属罐体相连 ， 并通 过罐体接地 ， 其接地电阻不应大于 1 Q。 浮顶罐采用两根截面不小于 2 5 mm 的软铜 复绞线将浮顶与罐体进行 电气连接 ， 是为 了导走 浮盘上的感应雷电荷和油 品传到浮盘 上的静电 荷 。另 外 ， 将 一次 密封改 为软 密封 ， 可 以有 效地 防 止罐 内油气 溢 出 ， 二 次 密 封可 以采 用 不带 内隔 膜 形式 的不锈 钢板 。 对于 内浮顶 油罐 ， 浮盘 上没有 感应 雷 电荷 ， 只 需导走油品传到浮盘上的静 电荷 。虽然浮顶与罐 底 、 罐壁 有 良好 的 电器连 接 ， 并 接地 可 靠 ， 但 由于 浮顶罐的浮盘与罐顶之间的空间内可能聚集爆炸 性 混合物 ， 还 需采取 有关 防雷措 施 。因此 ， 钢制 浮 盘 的连接 导线 用截 面不小 于 1 6 mm 的软铜 复 绞 线 。为 了 防止接触 点铜 铝之 间发生 电化学 腐蚀 及 接 触不 良造成 火 花 隐 患 ， 铝制 浮 盘 的 连接 导 线 用 直径不小 于 1 8 Ir ll m 的不锈 钢钢 丝绳 。 大型浮顶油罐 的二次密封， 依据规范的要求， 环绕整 个罐 壁每 隔 3 m 设 一处 静 电导触 片 ， 其 作 用 是将 油罐 浮盘 上 的 积 聚静 电荷 导 向罐 壁 ， 再 通 过罐体 导人 大 地 。有 专家 认 为 ， 静 电导触 片 是 发 生二 次 电弧 的诱 因 ， 浮顶密 封上 的静 电导触 片 ， 一 侧与浮盘的连接是 紧固的， 另一侧与罐壁滑接 。 随着浮 顶罐 的浮盘要 随油罐储 油 量的变 化上下 浮 动 ， 浮盘静电导触片与一侧的罐壁紧密压接， 而其 另 一侧则 有可 能联 结 不 实 或虚 假 连 接 ， 这样 就 有 产 生二 次电弧 放 电 的可 能 ， 而浮 顶 罐 浮 盘与 罐 体 的可靠电连接能有效地消除这一隐患。 由于浮 盘表面 的锈蚀 增大 以及罐壁 的附着物 的增厚 ， 金属 静 电导 触 片导 电性 能降低 ， 导 出静 电 荷 的 能力下 降 ， 仅 有 的两 根 截 面 2 5 mm 软 铜 复 绞线 电气连接 ， 由于数量少、 单根长度过长等原 因， 都一定程度影响静电荷的泄露。 2 ． 4 ． 4 油 罐雷 电接地 油罐的接地包括接地线和接地极 。 1 接地线。油 罐、 管 道、 装 卸设备 的接地 线 ， 常使用厚度不小于 4 mm、 截面 积不 小于 4 8 mi l1 ． 的扁 钢 ， 此 接 地 线 必须 进 行 很 好 的 防腐 处 理 ， 以免受外部环境的腐蚀而影响导电性 。 2 接地极 。接 地极 应使 用 直 径 5 0 mm、 长 2 ． 5 m、 管壁厚度不小于 3 mm 的镀锌钢管 ， 清除 管子表面的铁锈和污物 不要作 防腐处理 ， 挖一 个 深 约 0 ． 5 m 的 坑 ， 将 接 地 极 垂 直 打入 坑 底 土 中。接地极应尽量埋在湿度大、 地下水位高的地 方 ， 最好 在接地 极上 接一锌 块对 接地极 进行保 护 。 否则接地极 由于长期在潮湿的土壤中腐蚀而影响 雷电的泄漏效果。接地电阻每年检测两次， 电阻 值不 应 大 于 1 Q， 否则 应 该 进行 处 理 。接 地极 与 接地线 间的所有 接 点 均应 栓 接 或卡 接 ， 确 保 接触 良好 。 避雷针下端 的引下线与接地装置焊接， 该引 下 线如采 用 圆钢 ， 直径 不 得小 于 8 mm， 如采 用 扁 钢 ， 厚度 不得小 于 4 mm， 截面面积不得小于 4 8 lff l_ m ， 其接地电阻值应小于 1 0。 参考 文献 [ 1 ] 张华．浅谈储罐 区泄漏 及监控 系统 的设计 [ J ] ．科 技致富向导 ， 2 0 0 9 ， 4 4 0 4 3 ． [ 2 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