大型油罐破裂泄漏特征研究
2022-11-30
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第44卷第3期 2015年3月 当 代 化 工 Contemporary Chemical Industry V0].44.N0.3 March,201 5 大型油罐破裂泄漏特征研究 刘强 ,王建华 ,赵泽霖 ,蒲家琦 ,余东城 ,罗朔。 (1.后勤工程学院军事供油工程系,重庆401311; 2.78356部队,云南昆明650000; 3.95172部队,湖南长沙410111) 摘 要:统计了多起油罐破裂事故,并对油罐破裂特征及油品泄漏流场进行分析。通过事故案例统计,总 结了三种典型的油罐破裂形式,得到了油罐易发生破裂的位置及原因。对事故案例后果进行分析,将油罐破裂 泄漏过程分为两个阶段,并分别对其流场特性进行研究。以平板流动临界雷诺数为判定准则,对油库常见油品 泄漏流动雷诺数进行计算,得出泄漏油品的流态绝大多数为完全发展的湍流。 关键词:油罐破裂;液池扩展;油品泄漏 文献标识码: A 文章编号: 1671—0460(2015)03—0570—04 中图分类号:TE 88 Study on Characteristics of Cracking Leakage of Large Oil Storage Tanks LIUQiang ,WANGJian—hua ,ZHAOZe.1in ,PUJia—qi ,YuDong.cheng 2 LUOShuo (1.Dept.ofPetroleum Supply Engineering,LEU,Chongqing 401311,China; 2.Unit 78356,Yunnan Kunming 650000,China; 3.Unit 95172,Hunan Changsha 410111,China) Abstract:Based on the statistics of the tank rupture accidents.the tank cracking characteristics and oil leakage flow distribution were analyzed.According to the statistics of accidents,three typical forms of tank rupture were summarized,the location and reason of the oil tank crack were established.Conseauences of the accident were analyzed,and the tank cracking leakage process was divided into two stages,their flow field characteristics were researched respectively.With nat low criftica1 Reynolds number as the criterion.several Reynolds numbers of common oil for oil farm were calculated.It was concluded that the flow field of majority oil leakage was fully developed turbulence flow. Key words:Tank crack;Pool spread;Oil leakage 化工过程中大型的储罐发生破裂事故的几率较 小,基于历史记录和一些其他考虑,英国安全与健 康执行局(HSE)进行风险评估时认为,每年每个 储罐灾难性破裂的概率为10 ” 。油罐作为储存易燃 易爆油品的容器,一旦发生破裂事故,不但造成重 成的宝贵的经验和财富,对历年来油罐破裂事故案 例进行统计分析,有助于了解油罐破裂的不同形式, 找到易导致破裂发生的因素,对后续研究及从根源 上预防事故的发生有指导意义。 大的经济损失,危害比一般的化学品泄漏要大得多。 2005年比利时某炼油厂储运罐区内原油罐D2 发生了破裂泄漏,位于炼油厂中心控制室的控制系 统的液位记录显示,在一段快速泄漏时间之后,储 罐内几乎所有原油在15 rain之内全部泄漏掉口 。 1988年美国宾夕法尼亚州某石油公司一座柴油罐 1大型油罐破裂泄漏事故案例统计 国内外大型油罐因罐体破裂导致泄漏的事故 较少,因此专门针对油罐破裂泄漏事故的统计研究 较少,绝大部分集中于危险化学品储罐事故研究或 油库安全事故研究。本章搜集了国内外历年发生的 大型油罐破裂泄漏事故,数据来源为: 英国健康与安全执行局(HSE)从1999年开始开 发生灾难性破裂事故,全部油品瞬时从罐内流淌出 来,储罐完全坍塌,约290m 柴油溢出防火堤,经 应急排水沟流人俄亥俄河,所幸未造成人员伤亡[1]。 从上述两起破裂事故可以看出,油罐破裂泄漏 存在多种形式,破裂产生的位置、原因及产生的后 果不尽相同。储罐事故案例是以巨大损失为代价形 始实施《重大事故危险控制条例》(COMAH),每年 都会统计欧洲所发生的重大化T事故 。美国化学 品安全委员会(Chemical Safety Board)、美国国家环 境保护局(Environmental Protection Agency)等机构 针对美国化工过程中发生的重大事故的调查报告 收稿日期:201 4一l2—3O 作者简介: 刘强(1989一),男,重庆人,硕士研究生,研究方向:油气储运。E-mail:wlkqn@vip.qq.com。 化 工 201 5年3月 (3)与罐体相连管道破裂 与发生在阀门等部位的破裂事故类似,管道破 泥石流等自然灾害造成储罐破裂,进而导致泄漏事故。 裂引起大型油罐破裂的事故也较少,其它化学品储 罐破裂事故共2起,其原因与(2)中相同。 3泄漏过程分析 大型油罐破裂泄漏流场不同于其它形式泄漏情 (4)罐体上部罐壁 发生于罐体上部罐壁破裂的事故共2起,均为 其它危险化学品储罐破裂事故。主要的原因在在罐 顶部往往存在水蒸气、氧气、二氧化碳、挥发的蒸 形,油品泄漏速度快,泄漏规模大,持续时间长。 且因为防火堤的存在,多数情况下泄漏的油品大部 分都留在堤内,但仍有可能会导致部分油品溢出防 火堤。例如部分事故中,油库建在河流或海岸边, 汽等混合气体,水蒸气达到一定程度会冷凝在罐顶 溢出的油品流入河流中,随水和风的运动迁移扩散, 及罐壁上,形成一层水膜。部分化学品挥发的蒸汽 对周围环境造成了极大的污染。对泄漏油品流场进 具有较强的腐蚀性,溶于水后形成电解质溶液,对 罐壁及筋板腐蚀较重,甚至出现顶板穿孔。而大型 油罐中除了少数拱顶轻质油罐之外,其他浮顶罐及 重质油储罐很少发生罐顶腐蚀问题。 2.3破裂原因 一起事故中导致破裂的原因往往是多方面的, 不能一概而论,通过对事故案例进行分析,总结出 以下主要原因: (1)罐体局部腐蚀,强度降低 石油化工类物质往往具有较强腐蚀性,极易对 储罐造成腐蚀,腐蚀的形式多样,一般有化学腐蚀、 氧浓差腐蚀、无机盐腐蚀、应力腐蚀等几种形式。 化学腐蚀一般发生在罐顶及罐壁液面之上部分;氧 浓差腐蚀和无机盐腐蚀一般造成罐壁与罐底连接焊 缝处腐蚀;应力腐蚀主要在底板靠近与罐壁相交节 点的边缘区域,少量分布在油罐底板钢板拼接搭接 焊接区域。 (2)罐基础不均匀沉降 储罐地基发生不均匀沉降会使罐壁应力分布不 均,造成储罐变形。若变形较大,很容易导致罐体 破裂。 (3)误操作、违章操作等人为因素 人为因素是导致化工事故重要的一个方面,主 要表现在作业人员缺乏专业知识,不熟悉流程引起 误操作。以及故意违反操作规定,违章操作,例如 在油气浓度超标情况下进行焊缝焊接等动火作业。 (4)老化导致储罐强度降低 一般发生于使用多年的油罐,受多方面因素影 响,导致材料性能下降,是一种不可逆的过程。 (5)施工检修方面问题 主要存在设计、施工、验收过程中不符合规范, 留下安全隐患。例如施工过程焊缝存在缺陷而验收 时并未发现,导致投入使用后焊缝开裂。 (6)其它外界因素 .外界因素主要是突发自然灾害,如洪水、滑坡、 行分析,得到油品流动基本规律,对后续研究有指 导意义。油品从油罐流出后,按其流动状态大致可 分为两个阶段。 3.1 第一阶段 在到达防火堤前,以液池的自由扩展及液池蒸 发为主。其作用机理如图2所示。 图2液池扩展蒸发示意 Fig.2 The spreading and evaporation of oil 本阶段主要包含两个主要的方面: (1)液池的自由扩展 油品在重力和惯性力作用下迅速向四周扩展, 形成液池。罐体不同破裂形式,液池的形状也略有 不同。罐体灾难性破裂情形,液体瞬时释放,在重 力作用下以较快速度向四周流动;罐体发生局部破 裂时液池扩展情形,泄漏的液体主要集中于破裂孔 一侧,泄漏的速率比灾难性破裂要小,过程更长。 (2)油品液池蒸发 由于油品的强挥发性,油蒸汽会迅速在液池表 面聚集,在风的作用下漂移扩散。尤其在泄漏初期, 油品中轻质组分较多,更容易挥发。 3.2第二阶段 油品到达防火堤或者堤内其它储罐时,液池自 由扩展被限制。本阶段相比第一阶段,其变化为: (1)液池自由扩展结束,防火堤阻限制了其扩 展方向,此时存在两个风险。一是泄漏油品质量较 大,速度较快,对防火堤造成较大冲击。油品冲击 造成的动压力远远高于其静压力,防火堤有被冲垮 的风险,例如表1中事故2。二是随着泄漏时间的 延长,积聚在防火堤处的油品越来越厚,在冲及作 第44卷第3期 刘 强,等:大型油罐破裂泄漏特征研究 p+ ‘+p t p+pu +pgh=const l573 用下有漫出防火堤的风险。 (2)油品液面面积持续增大,油层变厚,油气 蒸发的速率也相应加快。更多的轻质组分蒸发出来, 可得到油品流动特征速度为: 油气分布不仅仅局限于防火堤内。 (3)当防火堤内存在多个油罐时,泄漏的油品 还会对临近罐造成冲击,对临近罐的安全造成威胁, U=√2 表3常用油品物性 Table 3 Common oil physical properties 发生二次泄漏。 4流动状态分析 4.1流态判别标准 流体的流动状态主要分层流、过渡流和湍流三 种,不同流态的流体流动特性差别较大。判断流体 流态一般采用计算流体力学中雷诺数的方法。雷诺 数较小时为层流,较大时为湍流,流态转变时的雷 诺数成为临界雷诺数,用Rec来表示。临界雷诺数 有时会分为上临界雷诺数与下临界雷诺数,可认为 在下临界雷诺数以下为稳定的层流,在上临界雷诺 数之上雷诺数以上为完全发展的湍流。雷诺数计算 公式为: Re—pUL “ 其中:D一油品密度,kg/m ; 油品流动速度,m/s; 三一流动特征尺度,m; 油品动力粘度,k (m s); v一油品运动粘度,m2/s。 油罐破裂泄漏可近似看成平板流动,平板流动 流态示意图如图4所示: :/ 二 层流层 过渡层l湍流层 图3平板流动边界层 Fig.3 Flat flow boundary layer 从图3可以看出,在油罐破裂泄漏前半段流动 状态为层流,之后发展为湍流。在平板流动中,层 流与湍流的下临界雷诺数为32 000,上临界雷诺数 为500000。 4。2油品物性选取 石油类产品密度一般为800 1 000 kg/m。,粘 度范围较宽,受温度影响很大。依据规范[11]及 文献[12],几种常用油品物性如表3所示。 4.3油罐破裂泄漏流态分析 泄漏油品流动速度用伯努利方程大致算出,根 据方程: 一般大型油罐高度都在10~20 m左右,计算其 破裂出口处速度为14~19 m/s,流动过程中因地面阻 力影响会略小一些,但也在10 m/s数量级左右。 根据雷诺数表达式,可推算出层流转为湍流的 临界长度为: Lc- 针对表3中几种常见油品的物性,计算其储罐 破裂泄漏后,不同流态转变的临界特征长度见表4。 表4临界特征长度 Table 4 The critical characteristic length 油品 距离破裂孔位置/m 面 面而 泻聂 大型油罐区内,罐壁边沿距离防火堤最近距离 为10~20 m,结合表4可以看出,大型油罐破裂泄 漏多数为湍流流动。除少数粘度较大的高粘原油外, 大部分油品流动为完全发展的湍流流动,成品油泄 漏流动则均为完全发展湍流。 5结语 (1)通过对国内外石油化工系统发生的大型油 罐破裂泄漏事故进行统计分析,总结了管壁局部破 裂、罐体灾难性破裂及二次事故引发破裂三种油罐 破裂形式,得出油罐容易发生破裂的部位及原因。 (2)结合案例后果分析,油品泄漏过程可分为 两个阶段,前期液池自由扩展,后期可能会发生防 火堤漫溢及冲毁相邻油罐事故。 (下转第576页) 化 工 201 5年3月 对泥浆产生挤压,从而对地层产生压力,所以回拖 性问题并进行严格的操作即可避免穿越失败情况的 发生㈣。 的速度不应太大。管道回拖为连续作业,需要控制 回拖速度,使管道回拖速度为匀速。如果回拖速度 过陕,过大的压力可能会损坏孔壁,致使孔壁坍塌 等情况的发生。同时,还应根据地层的变化随时调 整回拖拉力,保证回拖过程的顺利进行 。 4结束语 将同孔回拖技术运用在定向钻穿越中是一次大 胆并且具有创新性的尝试。事实证明,相比于传统 二次穿越方式,同孔回拖技术确实具有优越性,它 不仅可以节约成本、缩短工期,还可以避免部分工 程风险,这在长输管道的大型穿越、工期与投资紧 张、地质情况复杂多变的地带中施工的优势更为明 显。同孔回拖技术特别适用于DN<600的小口径管 道。在济南一青岛输气管道二线工程的部分穿越工 程中,多处穿越使用了同孑L回拖技术并取得了成功, 具有明显的经济效益和社会效益p 。 参考文献: [1]胡成洲,冯东,王本明.光缆与管道同孔回拖技术在定向钻穿越施工中 的应用[J】.石油规划设计,2008,9(1):44—46. 3同孔回拖施工的优势 光缆套管和管道同孔回拖技术适用于大型穿 越、地质情况复杂、征地面积有限、工期和投资紧 张的管道工程,与光缆和管道分别回拖方式相比有 一下几点优势。 3.1节省费用 相比于传统的光缆管道分二次穿越,同孔回拖 技术只需要进行一次定向钻穿越施工,减少了二次 定向钻光缆穿越中的施工费用(钻孔、扩孔、回拖 等施工)。同时可减少征地面积,节省了部分费用。 3.2缩短工期 济南一青岛输气管道二线工程途径山东省1 1个 县区,沿途经过的村落较多,会给当地居民带来些 许不便,同时征地问题也错综复杂,经常会有不利 于工程的因素阻碍工程的进展。所以适当地缩短工 期是十分必要的,同孔回拖技术减少了一次光缆套 管的定向钻穿越,明显缩短了工期。 3.3可靠性高 [2]李长春.定向钻穿越设计中要注意的问题[ 油气田地面工 程.2008(7):78. [3]GB 50423—2007《油气输送管道穿越工程设计规范》[s】 [4]GB 50424—2007《油气输送管道穿越工程施工规范》【s]. [5]赵起龙.辽河油田天然气管网设计特点浅析叭石油与天然气化 工,2014(3):266—27 0l [6]朱梅,刘文亮.定向钻穿越中的双管同孔穿越的技术研究【J Jl化工管 理.20140):91—93. [7]李珍,洪启林.光缆套管与主管道同孔回拖穿越l Jll油气储 运 2009(5):71—72. 特别是在地质情况恶劣的地区,同孔回拖技术 减少了光缆单独穿越时的钻孔风险,只需要考虑到 泥浆配置、套管拖头制作和回拖速度的控制等技术 (上接第569页) [2]董泽亮.浅谈状态监测与故障诊断系统在直升机旋翼中的应用l JI l科技论坛,2010,20(1):165—166. [8]赵鑫,耿永华,李瑞波.埕港管道工程中应用的光缆套管与油管道捆 绑式拖管技术[JJ.石油工程建设,2012(6):96—97. [9]赵帅油气管道定向钻穿越技术fJ1.石油工程建设,2009(2):37—40. 2010,38(1 1):46—48. [5]蒋先尧,王维斌.输油泵机组在线监测系统研究}J1.机电信息, 2011f271:179—181. [3]祖楠.离心输油泵在线监测与故障诊断系统 油气田地面工程, 2010,29(10):66—67. [6]孙伟,张军博,谢孝宏.大型旋转设备实时监测及故障诊断系统 [JJ.油气储运,2008,27(3):50—52. [4]游天明,徐荃.输油泵机组在线检测与故障诊断『J1_流体机械, (上接第573页) (3)大型油罐破裂泄漏流动多为完全发展湍 Executive.2OO1, 流,只有部分粘度较高原油罐泄漏时才会是层流或 过渡流流动。 参考文献 [1]Atherton,W.An experimental investigation of bund wall overtopping and dynamic pressures on the bund wall following catastrophic failure of a l 5 J USEPA.Rupture Hazard from Liquid Storage Tanks[R].United States Environmental Protection Agency.2009 EPA 550一F一09—004. 1 6 j USCSB.Seven Key Lessons to Prevent Worker[R].Deaths During Hot Work In and Around Tanks.2010 No.2009—01一SB. 1 7]USCSB.Allied terminals INC—catastrophic tank collapse report[R].NO. 20O9一O3一I—VA. storage vessel[R].Health and Safety Executive Research Report333. 2009. [8]张广华,等.危险化学品重特大事故案例精选【M】.北京:中国劳动 社会保障出版社,2007. [2]高吉峰.一起大型油品储罐破裂泄漏事故lJJ.安全、健康和环 境,2009,9(1 1). 1 3 j UKHSE.COMAH reportable accidents 1999—2000[R].Health Safety Executive.2000 [9]范继义.油库千例事故分析[M].北京:中国石化出版社,2005. 1 lO j Chang,James I,A study of storage tank accidents[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2006,19(1)51-59. 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