儲罐區(qū)防火堤安全計算及抗浮力分析

1防火堤設計規(guī)范中國gb5077-2011年石油儲層廠的設計規(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)的設計規(guī)范、gb50074-2002年石油儲層廠的設計規(guī)范、gb50160-2008年石油氣田設計的消防規(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,殃及周圍設施。日本規(guī)范規(guī)定防火堤有效容積為防火堤內最大儲罐容積的110%,美國消防協(xié)會NFPA30規(guī)定為防火堤內最大儲罐容積的100%。我國《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》、《石油庫設計規(guī)范》、《儲油罐區(qū)防火堤設計規(guī)范》、《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》等規(guī)定防火堤內的有效容積不應小于罐組內1個最大儲罐的容積,當浮頂、內浮頂罐組不能滿足此要求時,應設置事故存液池儲存剩余部分,但罐組防火堤內的有效容積不應小于罐組內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設置人行臺階或坡道供操作人員進出防火堤之用,便于事故時能及時逃生。新實施的《石油儲備庫設計規(guī)范》規(guī)定“防火堤內的有效容積,不應小于油罐組內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小于10×104m3。1.2罐組防火堤高度防火堤內有效容積對應的防火堤高度剛好容易使物料漫溢,故防火堤實際高度應高出計算高度0.2m。現(xiàn)行國家標準《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》、《石油庫設計規(guī)范》、《儲油罐區(qū)防火堤設計規(guī)范》、《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》等出于防火堤內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行滅火作業(yè),規(guī)定罐組防火堤高度不應超過2.2m。此外,《建筑設計防火規(guī)范》強制條款規(guī)定防火堤有效容積可為最大儲罐容積的一半,高度應為1.0～2.2m,并應在防火堤適當位置設置滅火時便于消防員進出防火堤的踏步。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《石油儲備庫設計規(guī)范》考慮到現(xiàn)在消防隊撲救油罐火災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設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,且沒有了設置事故存液池的要求。美國消防協(xié)會NFPA30規(guī)定,在設有正常通道和應急通道接近油罐、閥門和其他設備的地方以及防火堤內設置有安全出口時,防火堤的平均高度可以比內部地面高出1.8m。同時,要求裝有I級液體的防火堤平均高度大于3.6m(從內部地面量起),或任何儲罐與防火堤內緣頂部之間的距離小于防火堤高度,應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入。為此,增大了防火堤高度應相應提高人員安全操作和疏散逃生的措施。2浮起儲罐防火堤內浮起的浸液高度防火堤內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不可能做到完全密封,且儲罐基礎上設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為罐體內儲液重力,N;t為底圈罐壁厚度,m;HL為罐內儲液高度,m;ρL為儲液密度,kg/m3。當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構尺寸和自重、罐內儲液數(shù)量和密度等因素相關?？梢?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,產生浮起儲罐浮力的罐體浸液高度可進一步簡化為式(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品的密度范圍為(0.65～1.3)×103kg/m3?？紤]浸液為物料情況下,固定頂和浮頂儲罐防火堤內浮起的浸液高度如表1所示。依據(jù)《儲罐區(qū)防火堤設計規(guī)范》要求,防火堤頂面應比計算液面高出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,固定頂罐基礎高度為0.6m時,其防火堤內側標高為1.26～1.51m;基礎高度為1.2m時,其防火堤內側標高為1.86～2.11m。浮頂罐基礎高度為0.6m時,其防火堤內側標高為1.38～1.50m;基礎高度為1.2m時,防火堤內側標高為1.98～2.10m。同時,對于儲液密度為1.3×103kg/m3的儲罐,固定頂罐基礎高度為0.6m時,其防火堤內側標高為1.03～1.16m;基礎高度為1.2m時,防火堤內側標高為1.63～1.76m。浮頂罐基礎高度為0.6m時,其防火堤內側標高為1.09～1.15m;基礎高度為1.2m時,防火堤內側標高為1.69～1.75m。依據(jù)《石油庫設計規(guī)范》的要求,儲罐基礎高度不宜小于0.5m。常見的儲罐區(qū)儲罐基礎標高在0.6～1.2m之間,故防火堤內側最大高度為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,建議設計施工時給予關注。3防火堤內側設計高度計算以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。結合實際設計方案情況,國內某罐區(qū)4罐一組,油罐基礎高度1.0m,防火堤內側高為3.2m,外側高為2.7m;某罐區(qū)6罐一組,油罐基礎高度1.0m,防火堤內側高為3.0m,外側高為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,防火堤內浸油高度達0.456m,即防火堤內側設計高度1.756m時可浮起油罐;若浸油高度達2.45m,即防火堤內側設計高度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在二者之間。對于石油儲備庫在設計狀態(tài)正常運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、中轉庫的大型原油浮頂儲罐,建議油罐區(qū)設計、施工以及運行管理中采取相應的抗浮防范措施。4浮頂儲罐區(qū)防火堤設置及高度設計對大型浮頂油罐區(qū)防火堤的規(guī)范要求和安全性進行探討,計算分析了防火堤內儲罐浮起的浸液高度,有利于儲罐抗浮力安全設計和合理布置。主要結論如下:(1)在防火堤外側距設計地坪的高度不影響消防撲救的情況下,防火堤內側高度可能對儲罐的安全產生直接影響。(2)大型浮頂罐區(qū)發(fā)生事故或洪災期間有可能浮起10×104m3空原油儲罐,造成罐體損壞、環(huán)境污染和火災危險。建議油罐設計、施工以及運行管理中采取相應的抗浮防范措施。(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,泄漏過程浸液不能浮起儲罐,浸液高度可達2.0m以上。儲罐區(qū)容積大、儲量多、儲運輸送功能復雜,一旦發(fā)生重特大泄漏事故其后果往往是災難性的。由國際資源保護組織(RPI)負責,BP、Shell等16家石油公司組織開展的LASTFIRE項目,調研統(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蔓延擴大,減少損失的有效措施,其有效容積和高度的合理設計至關重要。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)堤內最大儲罐的容積計算而得,若防火堤內液面過高,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