儲罐區(qū)防火堤安全計算及抗浮力分析

儲罐區(qū)防火堤安全計算及抗浮力分析

1防火堤設(shè)計規(guī)范中國gb5077-2011年石油儲層廠的設(shè)計規(guī)范、gb50183-2004年石油天然氣項目的消防規(guī)范、gb50151-2005年儲層區(qū)的設(shè)計規(guī)范、gb50074-2002年石油儲層廠的設(shè)計規(guī)范、gb50160-2008年石油氣田設(shè)計的消防規(guī)范和gb50016-2006年建筑的消防規(guī)范。這些規(guī)范在儲層區(qū)發(fā)揮著非常重要的作用。1.1防火堤內(nèi)最大容積地上儲罐一旦發(fā)生爆炸破裂事故,物料會流出油罐外,如果沒有防火堤,物料就會到處流淌,殃及周圍設(shè)施。日本規(guī)范規(guī)定防火堤有效容積為防火堤內(nèi)最大儲罐容積的110%,美國消防協(xié)會NFPA30規(guī)定為防火堤內(nèi)最大儲罐容積的100%。我國《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》、《石油庫設(shè)計規(guī)范》、《儲油罐區(qū)防火堤設(shè)計規(guī)范》、《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》等規(guī)定防火堤內(nèi)的有效容積不應(yīng)小于罐組內(nèi)1個最大儲罐的容積,當(dāng)浮頂、內(nèi)浮頂罐組不能滿足此要求時,應(yīng)設(shè)置事故存液池儲存剩余部分,但罐組防火堤內(nèi)的有效容積不應(yīng)小于罐組內(nèi)1個最大儲罐容積的一半。同時,要求在防火堤的不同方位上應(yīng)設(shè)置人行臺階或坡道供操作人員進(jìn)出防火堤之用,便于事故時能及時逃生。新實施的《石油儲備庫設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“防火堤內(nèi)的有效容積,不應(yīng)小于油罐組內(nèi)一個最大罐的公稱容積”。以10×104m3外浮頂油罐區(qū)為例,其防火堤有效容積不應(yīng)小于10×104m3。1.2罐組防火堤高度防火堤內(nèi)有效容積對應(yīng)的防火堤高度剛好容易使物料漫溢,故防火堤實際高度應(yīng)高出計算高度0.2m?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》、《石油庫設(shè)計規(guī)范》、《儲油罐區(qū)防火堤設(shè)計規(guī)范》、《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》等出于防火堤內(nèi)可燃液體著火時用泡沫槍滅火易沖擊造成噴濺考慮,要求防火堤高度不低于lm;為方便消防人員手持移動水槍對儲罐進(jìn)行滅火作業(yè),規(guī)定罐組防火堤高度不應(yīng)超過2.2m。此外,《建筑設(shè)計防火規(guī)范》強(qiáng)制條款規(guī)定防火堤有效容積可為最大儲罐容積的一半,高度應(yīng)為1.0～2.2m,并應(yīng)在防火堤適當(dāng)位置設(shè)置滅火時便于消防員進(jìn)出防火堤的踏步。但甲、乙類液體罐區(qū)總儲量往往在5000m3以下,不適合大型浮頂油罐區(qū)。新實施的《石油儲備庫設(shè)計規(guī)范》考慮到現(xiàn)在消防隊撲救油罐火災(zāi)主要依靠消防車作業(yè),增加了防火堤高度,規(guī)定罐組防火堤高出防火堤外側(cè)設(shè)計地坪的高度不宜超過3.2m,相對其他規(guī)范提高了1.0m,提高了防火堤容積,且沒有了設(shè)置事故存液池的要求。美國消防協(xié)會NFPA30規(guī)定,在設(shè)有正常通道和應(yīng)急通道接近油罐、閥門和其他設(shè)備的地方以及防火堤內(nèi)設(shè)置有安全出口時,防火堤的平均高度可以比內(nèi)部地面高出1.8m。同時,要求裝有I級液體的防火堤平均高度大于3.6m(從內(nèi)部地面量起),或任何儲罐與防火堤內(nèi)緣頂部之間的距離小于防火堤高度,應(yīng)采取措施使操作人員能正常操作閥門,并且能夠直接登上罐頂,而無須從防火堤頂部以下進(jìn)入。為此,增大了防火堤高度應(yīng)相應(yīng)提高人員安全操作和疏散逃生的措施。2浮起儲罐防火堤內(nèi)浮起的浸液高度防火堤內(nèi)儲罐在遭到破壞物料外泄時或在暴雨洪水期間,由于儲罐底板與基礎(chǔ)不可能做到完全密封,且儲罐基礎(chǔ)上設(shè)置有罐底泄漏信號管,防火堤積聚的液體可能浮起儲罐,破壞罐體及其所連接的管道等。儲罐浸液時,作用于罐體的浮力如式(1)所示。F=πD2LsgρF4F=πD2LsgρF4(1)式中:F為作用于罐體的浮力,N;D為儲罐外徑,m;Ls為罐體浸液高度,m;g為重力加速度,m/s2;ρF為浸液密度,kg/m3。依據(jù)浮力原理,儲罐不被浮起的條件如式(2)、式(3)所示。F≤GT+GL(2)GL=14π(D?2t)2HLgρLGL=14π(D-2t)2ΗLgρL(3)式中:GT為罐體總重力,N;GL為罐體內(nèi)儲液重力,N;t為底圈罐壁厚度,m;HL為罐內(nèi)儲液高度,m;ρL為儲液密度,kg/m3。當(dāng)儲罐實際浸液高度超過浮起儲罐的浸液高度時,罐體可能被浮起。由式(1)～式(3)可得,產(chǎn)生浮起儲罐浮力的罐體浸液高度LF如式(4)所示。同時,浮起儲罐的浸液高度與罐體結(jié)構(gòu)尺寸和自重、罐內(nèi)儲液數(shù)量和密度等因素相關(guān)。可見,最不利的情況是空罐,空罐被浮起的浸液高LF為4GT/(πD2gρF)。LF=4GT+πHLgρL(D?2t)2πD2gρFLF=4GΤ+πΗLgρL(D-2t)2πD2gρF(4)由于t?D,工程上浸液為物料時,產(chǎn)生浮起儲罐浮力的罐體浸液高度可進(jìn)一步簡化為式(5)。LF=4GT+πHLgρLD2πD2gρL=HL+4GTπD2gρLLF=4GΤ+πΗLgρLD2πD2gρL=ΗL+4GΤπD2gρL(5)對于儲罐區(qū),常見液體石油化工產(chǎn)品的密度范圍為(0.65～1.3)×103kg/m3。考慮浸液為物料情況下,固定頂和浮頂儲罐防火堤內(nèi)浮起的浸液高度如表1所示。依據(jù)《儲罐區(qū)防火堤設(shè)計規(guī)范》要求,防火堤頂面應(yīng)比計算液面高出0.2m,防火堤高度計算示意如圖1所示?？芍?對于儲液密度為0.65×103kg/m3的儲罐,固定頂罐基礎(chǔ)高度為0.6m時,其防火堤內(nèi)側(cè)標(biāo)高為1.26～1.51m;基礎(chǔ)高度為1.2m時,其防火堤內(nèi)側(cè)標(biāo)高為1.86～2.11m。浮頂罐基礎(chǔ)高度為0.6m時,其防火堤內(nèi)側(cè)標(biāo)高為1.38～1.50m;基礎(chǔ)高度為1.2m時,防火堤內(nèi)側(cè)標(biāo)高為1.98～2.10m。同時,對于儲液密度為1.3×103kg/m3的儲罐,固定頂罐基礎(chǔ)高度為0.6m時,其防火堤內(nèi)側(cè)標(biāo)高為1.03～1.16m;基礎(chǔ)高度為1.2m時,防火堤內(nèi)側(cè)標(biāo)高為1.63～1.76m。浮頂罐基礎(chǔ)高度為0.6m時,其防火堤內(nèi)側(cè)標(biāo)高為1.09～1.15m;基礎(chǔ)高度為1.2m時,防火堤內(nèi)側(cè)標(biāo)高為1.69～1.75m。依據(jù)《石油庫設(shè)計規(guī)范》的要求,儲罐基礎(chǔ)高度不宜小于0.5m。常見的儲罐區(qū)儲罐基礎(chǔ)標(biāo)高在0.6～1.2m之間,故防火堤內(nèi)側(cè)最大高度為2.1m。對于頻繁出現(xiàn)低液位、空罐、清罐狀態(tài)的儲罐區(qū),若儲罐沒有錨固螺栓存在被浮起的可能性,甚至撕裂罐體造成油品泄漏,建議設(shè)計施工時給予關(guān)注。3防火堤內(nèi)側(cè)設(shè)計高度計算以10×104m3浮頂油罐區(qū)為例,目前大型儲備庫采用較多的是“4罐一組”和“6罐一組”兩種罐組布置方式,如圖2所示。結(jié)合實際設(shè)計方案情況,國內(nèi)某罐區(qū)4罐一組,油罐基礎(chǔ)高度1.0m,防火堤內(nèi)側(cè)高為3.2m,外側(cè)高為2.7m;某罐區(qū)6罐一組,油罐基礎(chǔ)高度1.0m,防火堤內(nèi)側(cè)高為3.0m,外側(cè)高為2.5m。罐區(qū)儲存為原油,密度取值為0.81×103kg/m3。依據(jù)規(guī)范要求防火堤頂面比計算液面高出0.2m,由表2可知,對于10×104m3原油儲罐空罐,防火堤內(nèi)浸油高度達(dá)0.456m,即防火堤內(nèi)側(cè)設(shè)計高度1.756m時可浮起油罐;若浸油高度達(dá)2.45m,即防火堤內(nèi)側(cè)設(shè)計高度3.75m時可浮起儲油高度2.0m的儲罐,油水混合物浮起高度應(yīng)在二者之間。對于石油儲備庫在設(shè)計狀態(tài)正常運(yùn)行的大型原油浮頂儲罐,儲罐的最低液位為1.85～2.0m。為此,對于頻繁出現(xiàn)空罐、清罐狀態(tài)的商業(yè)儲備庫、中轉(zhuǎn)庫的大型原油浮頂儲罐,建議油罐區(qū)設(shè)計、施工以及運(yùn)行管理中采取相應(yīng)的抗浮防范措施。4浮頂儲罐區(qū)防火堤設(shè)置及高度設(shè)計對大型浮頂油罐區(qū)防火堤的規(guī)范要求和安全性進(jìn)行探討,計算分析了防火堤內(nèi)儲罐浮起的浸液高度,有利于儲罐抗浮力安全設(shè)計和合理布置。主要結(jié)論如下:(1)在防火堤外側(cè)距設(shè)計地坪的高度不影響消防撲救的情況下,防火堤內(nèi)側(cè)高度可能對儲罐的安全產(chǎn)生直接影響。(2)大型浮頂罐區(qū)發(fā)生事故或洪災(zāi)期間有可能浮起10×104m3空原油儲罐,造成罐體損壞、環(huán)境污染和火災(zāi)危險。建議油罐設(shè)計、施工以及運(yùn)行管理中采取相應(yīng)的抗浮防范措施。(2)以密度為0.81×103kg/m3的原油儲罐為例,按現(xiàn)行規(guī)范要求4罐或6罐一組的布置方式,10×104m3單儲罐儲液全部泄漏至防火堤內(nèi),泄漏過程浸液不能浮起儲罐,浸液高度可達(dá)2.0m以上。儲罐區(qū)容積大、儲量多、儲運(yùn)輸送功能復(fù)雜,一旦發(fā)生重特大泄漏事故其后果往往是災(zāi)難性的。由國際資源保護(hù)組織(RPI)負(fù)責(zé),BP、Shell等16家石油公司組織開展的LASTFIRE項目,調(diào)研統(tǒng)計了188例大型浮頂油罐事故,其中發(fā)生浮盤溢流事故55起,沉盤事故37起,防火堤漏油事故96起。對于儲罐區(qū),地面防火堤是可防止液體外溢流散而使火災(zāi)蔓延擴(kuò)大,減少損失的有效措施,其有效容積和高度的合理設(shè)計至關(guān)重要。防火堤的有效容積可以限制事故影響范圍,把損失降低到最低限度。罐區(qū)防火堤高度根據(jù)堤內(nèi)最大儲罐的容積計算而得,若防火堤內(nèi)液面過高,其浮力有可能抬起罐體,甚至將罐體撕裂造成大規(guī)模油料泄漏事故。由于石油戰(zhàn)略