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摘 要：通过两起拱顶罐爆裂事故，分析此类事故发生的共同点，对事故发生机理从油罐设计到收油过程中的受力分析加以推敲，找出事故发生的核心原因，从而制订相关的防护措施，提出拱顶罐防护的新技术。
关键词：拱顶罐；热油；爆裂；原因；对策；
中图分类号：TL38+3 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-09-00-02
钢制拱顶油罐被广泛应用于炼油厂，主要储存常减压装置熘出的减压蜡油和减压渣油，设计温度在，设计压力。目前拱顶罐因收油造成的罐顶圈板与罐壁板爆裂的事故时有发生，现通过分析荆门石化1008#罐和金陵石化803#罐两起油罐爆裂事故的经过，找出预防拱顶罐发生爆裂事故的防护措施。
一、事故经过概述
事故一：2012年 3月8日1：00，荆门石化油品储运部1008罐（高温罐）温度升至120℃。操作工在巡检时发现1008#罐半自动检尺导管底部积聚有少量水滴，罐内液位7.53米。操作工随后进行了脱水，有极少量的水并排净。1：20，给总调作了汇报，调度安排装置进行降温操作调整。凌晨2时检查时发现检尺导管底部积聚的水滴比上次有所增加，但油温无变化，罐内液位7.476米。凌晨2时45分巡检时发现1008罐顶部周围有大量蒸汽冒出，靠进油口一侧地面铺有薄薄一层蜡油，操作工立即向班长进行了汇报，1008罐出现了突沸现象，请示厂调后，3：00将加氢蜡油改入1007#罐，1008罐恢复了正常，期间1008罐付二催化原料一切正常。事后经检查发现1008#罐罐顶靠进油线一侧罐顶板与壁板焊缝撕裂，部分顶板变形，一段护栏脱焊掉到罐下，罐基础散水沿有一定损坏。罐区防火堤内有少量蜡油。
事故二：2012年9月22日凌晨，金陵石化油品储运部803#罐一边收取Ⅳ常减压热蜡油、Ⅲ常减压重蜡油，一边向通过原料泵向蜡油加氢装置付减压蜡油原料，由于来油温度均在100℃以上，收油作业系采用经热油线从油罐顶部进罐。4：15，操作人员发现该罐液位表出现异常变化，液位显示由3.40米突变至14.22米。4：30，原料泵出现抽空现象，260万蜡油加氢装置蜡油原料中断，操作人员与调度讲明情况后，将原料改至806#罐，对原料泵进行排空后重启机泵，使供料恢复正常。5：00操作人员检查803#罐时，发现803#罐罐顶有大量气体外溢，罐顶圈板出现两处裂缝，大量蒸汽携带着油气通过裂缝向外飘散。情况汇报至调度后，操作人员将收油切换至液位较低的804#罐进行，情况恢复正常。油罐附件检查情况：泡沫发生器玻璃盲板破碎；呼吸阀（DN250，2台）阻火网畅通，阀片启闭正常；罐顶巡检走道轻度倾斜，立柱底部稍弯曲；人孔和排污孔的法兰、垫片等未发现异常。
下图为803#罐事故现场：
二、事故原因分析
（一）1008#罐罐顶损坏直接原因是加氢蜡油进罐温度高（150℃），罐内温度超过100℃，进油管线中有一定量水，水进罐后突然汽化，体积迅速膨胀使内压迅速升高，超过罐顶板与罐壁板焊接点耐压强度从而破裂。
（二）803#罐罐顶撕裂是因为大量明水（液态水蒸气）随馏出油进入罐内，罐内气相空间压力急遽升高，罐顶呼吸孔泄压不及时，引起罐内正压超限，导致消防泡沫线玻璃挡板破裂，罐顶与罐壁上缘弱焊连接处撕裂。
（三）通过两起事故的对比分析，总结出以下几项共同点：
1、1008#罐、803#罐均为钢制拱顶储罐，容积相同（5000m?），设计压力相同；
2、两台油罐发生事故时生产状态基本相同，均为边收边付，而且收油温度均在100度以上；
3、事故后检查确认，两罐呼吸阀均处于完好状态，无堵塞现象；
4、两台罐爆裂位置相同，均为罐顶板与罐壁板焊接处。
三、事故发生的机理
（一）油罐设计中的相关规定
1、油罐正常操作压力下通气量的规定
油罐在正常压力下最大的设计通气量一般取最大物料进入量和环境温度升高时呼出的气体量之和。
2、紧急呼吸量的规定
固定顶储罐的顶与壁多设计为弱连接结构，即当油罐内不能满足紧急状态下的气体量通过时，为了保护罐体及防止罐内物料溢流，罐顶壁连接处会先于其他链接部位发生爆裂。
3、球壳设计的规定
拱顶罐的球壳需要进行内压作用下产生的薄膜应力强度校核减二外载荷作用下的稳定校核。多数情况下，外载荷作用为主要，一般只校核外载荷作用。
综合以上三项设计规定，在拱顶罐的罐顶设计中，忽略了蒸汽由罐顶进罐这种特殊情况，也为拱顶罐发生爆裂事故留下了隐患。
（二）拱顶罐收取热油过程中的受力分析
1、罐顶爆裂时罐内蒸汽分压和流量的计算
拱顶罐的罐顶发生爆裂时，罐内最大正压力为油罐内部油气空间的蒸汽分压力与油气分压之和。由于此时蒸汽产生的压力远大于油气分压，因此油气产生的压力可以忽略。此时罐内总压（P）为以下条件：
（1）
式中 ——爆裂罐内蒸汽总压
——大气压力
根据理想气体状态方程，可以推算在罐顶爆裂时通过罐顶呼吸阀的流量（）：
（2）
——罐頂爆裂时呼吸阀排气量；
——罐顶爆裂时的蒸汽温度；
——罐内最大正压力下饱和蒸汽的温度；
——罐顶爆裂时罐内蒸汽压力。
2、蒸汽溢出至罐顶爆裂间隔时间（t）的计算
同样根据理想气体状态方程：
（3）
——收油线内的蒸汽流量；
——罐内油气空间的体积；
——罐顶溢出蒸汽至爆裂事故发生的间隔时间。 （2）式代入（3）式可得：
（4）
将（1）代入（4）可得：
（5）
由（5）式来看，进罐管线内含有大量蒸汽时，蒸汽流量、油罐内部油气空间的体积和蒸汽压力下罐顶呼吸阀的气体流量的变化，都会引起罐顶溢出蒸汽至爆裂事故发生的间隔时间的变化。在拱顶罐上线收油过程中，只要管线内含有水蒸气，油罐内的正压力会随着罐内油气空间中蒸汽压力的集聚升高而不断增大，当蒸汽从罐顶溢出的时间大于（5）式的最大值时，油罐的承压值就会超过设计允许的最大值，导致罐顶板和罐底板弱项焊缝的破裂。因此蒸汽进罐的时间长短直接决定拱顶罐爆裂事故是否发生，即发现收油管线进罐带汽后必须在t时间内及时将蒸汽转移出油罐才能杜绝事故的出现。
四、防止此类事故发生的预防措施
（一）生产管理方面
1、加强储运岗位与炼化装置之间的交流与沟通
油品储运罐区是炼化装置的下游单位，但不意味着可以全盘接收装置的所有熘出产品，中间产品罐区的油品质量也直接影响着下游生产装置的平稳运行，油品储运岗位人员不仅要了解辖区内油罐的运行状态，更要对上下游生产装置的运行状态有所掌握，以便随时应对装置波动带来的危害。
2、加强岗位人员处理紧急事故的预案演练
岗位人员处理紧急事故的效率直接决定事故引起的损失的大小，完善的应急机制是杜绝事故发生的最有效方式，加强岗位人员对事故发生机理的了解显得尤其必要，通过制订行之有效的临时措施，将事故带来的危害降到最低。
3、进一步确定热油上线进罐的必要性
现行的规范中对于拱顶罐是否可以采用上线进油仍无定论，上线进油的优点在于可以防止热油进罐，冲击罐底垫水层从而引起突沸事故。缺点是油品上线进罐向下滑落过程中存在产生静电的隐患，由于拱顶罐储存多为蜡油、渣油等丙类油品，其闪点均在60℃以上，相对于甲类、乙类油品，静电带来的危害程度较低。
《石油化工企业设计防火规范 GB50160-2008》中6.2.20条：常压固定顶罐顶板与包边角钢间的连接应采用弱顶结构。以使发生爆炸或突沸等突发事故中，顶部先行炸开，保证罐体不被破坏。若突沸发生在油罐底部，爆裂压力超过罐底板耐压值，罐底板或罐壁板破损带来的危险性远远高于罐顶弱项焊接的破损。
（二）设备管理方面
1、选择合适的泄压设备
拱顶罐爆裂带来的最直接伤害是储罐的破损，在这两起事件中，储罐的呼吸阀均未起到保护油罐的作用，主要原因系呼吸阀位置距液体汽化位置较远，压力集中在进罐处排放，无法达到呼吸阀位置，此论点在受力分析中已有说明。
为了解决此现象的出现，可考虑在拱顶罐的壳体上增设紧急泄压阀即安全阀，位置选在收油管线进罐顶旁，紧急泄压阀的耐压范围要小于罐顶板与罐壁板的弱项焊接耐压值，这样即使装置馏出油携带有大量水分，罐内急剧汽化后产生的压力首先通过紧急泄压阀释放，超过泄压阀耐压值后泄压阀开启泄压，将罐内压力引入大气，避免对罐体的伤害。
拱顶罐罐顶透光孔系作为检修时使用，在日常生产中均用螺栓封死，也可考虑将收油线附近的透光孔加以利用，将透光孔上法兰片改造与泄压阀相连，可减少施工量，也可避免改造工作与油罐运转发生冲突。
目前泄压阀尚未普遍应用于拱顶储罐，而多数出现在压力容器中，广泛的推广使用泄压阀尚不现实，可以考虑针对事故高发罐区的油罐加以试用，泄压阀的安装和维护费用远低于整台油罐的停运检修费用。
2、建立油罐压力传送和监控机制
为新增的泄压阀增设回讯系统，将阀门所承受压力大小，阀门开关状态传送至操作室内PLC或DCS系统中，同时增设报警设备，一旦泄压阀承受的压力超过耐压范围，即在操作室时发送报警信号，可尽早做好准备应对储罐爆裂事故。
3、建立完善的设备管理制度
再好的设备也需要由人来使用，再优秀的管理理念最终都要由人来执行，人的主观能动性与先进的生产技术相结合才能创造出最佳效益，只有针对设备自身特点建立完善的管理制度才能使设备的先进性得到充分发挥。
从油罐设计开始，对比设计规范对施工方案、设计图纸逐条审查，尤其对事故多发环节重点审查。在施工中严把质量关，薄弱顶结构一定要按要求施工，不得随意增加焊缝腰高。
日常管理中，将设备的日常检查责任落实到具体人，建立日巡检、周巡检和月巡检制度，将巡检内容制作成卡片分配到责任人，使设备检查成为操作规程中的一项，完善奖惩制度，才是保证设备长久安全运转的核心原则。
以上就是对高温拱顶油罐爆裂事故的一些探讨，对预防措施的一种设想，时间才是检验真理的唯一标准，最佳的防范措施只有在使用中不断探索、不断改进才能不断完善，望有志于研究拱顶罐安全防护的同志，不断提出更好的解决方案。
参考文献：
[1]《石油库设计规范》GB 50074-2002，中華人民共和国建设部/中华人民共和国质量监督检验检疫总局2003-03-01实施
[2]《工程力学》吴宝瀛 2008年12月1日 清华大学出版社
[3]《油气储运》2002，2002，21（8），贾磊
作者简介：刘晨曦，男，1987年生人，本科学历，毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，2009年起于金陵石化参加工作，从事生产工艺管理工作，参与了金陵石化油品质量升级改造储运配套系统的建设工作。
关键词：拱顶罐；热油；爆裂；原因；对策；
中图分类号：TL38+3 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-09-00-02
钢制拱顶油罐被广泛应用于炼油厂，主要储存常减压装置熘出的减压蜡油和减压渣油，设计温度在，设计压力。目前拱顶罐因收油造成的罐顶圈板与罐壁板爆裂的事故时有发生，现通过分析荆门石化1008#罐和金陵石化803#罐两起油罐爆裂事故的经过，找出预防拱顶罐发生爆裂事故的防护措施。
一、事故经过概述
事故一：2012年 3月8日1：00，荆门石化油品储运部1008罐（高温罐）温度升至120℃。操作工在巡检时发现1008#罐半自动检尺导管底部积聚有少量水滴，罐内液位7.53米。操作工随后进行了脱水，有极少量的水并排净。1：20，给总调作了汇报，调度安排装置进行降温操作调整。凌晨2时检查时发现检尺导管底部积聚的水滴比上次有所增加，但油温无变化，罐内液位7.476米。凌晨2时45分巡检时发现1008罐顶部周围有大量蒸汽冒出，靠进油口一侧地面铺有薄薄一层蜡油，操作工立即向班长进行了汇报，1008罐出现了突沸现象，请示厂调后，3：00将加氢蜡油改入1007#罐，1008罐恢复了正常，期间1008罐付二催化原料一切正常。事后经检查发现1008#罐罐顶靠进油线一侧罐顶板与壁板焊缝撕裂，部分顶板变形，一段护栏脱焊掉到罐下，罐基础散水沿有一定损坏。罐区防火堤内有少量蜡油。
事故二：2012年9月22日凌晨，金陵石化油品储运部803#罐一边收取Ⅳ常减压热蜡油、Ⅲ常减压重蜡油，一边向通过原料泵向蜡油加氢装置付减压蜡油原料，由于来油温度均在100℃以上，收油作业系采用经热油线从油罐顶部进罐。4：15，操作人员发现该罐液位表出现异常变化，液位显示由3.40米突变至14.22米。4：30，原料泵出现抽空现象，260万蜡油加氢装置蜡油原料中断，操作人员与调度讲明情况后，将原料改至806#罐，对原料泵进行排空后重启机泵，使供料恢复正常。5：00操作人员检查803#罐时，发现803#罐罐顶有大量气体外溢，罐顶圈板出现两处裂缝，大量蒸汽携带着油气通过裂缝向外飘散。情况汇报至调度后，操作人员将收油切换至液位较低的804#罐进行，情况恢复正常。油罐附件检查情况：泡沫发生器玻璃盲板破碎；呼吸阀（DN250，2台）阻火网畅通，阀片启闭正常；罐顶巡检走道轻度倾斜，立柱底部稍弯曲；人孔和排污孔的法兰、垫片等未发现异常。
下图为803#罐事故现场：
二、事故原因分析
（一）1008#罐罐顶损坏直接原因是加氢蜡油进罐温度高（150℃），罐内温度超过100℃，进油管线中有一定量水，水进罐后突然汽化，体积迅速膨胀使内压迅速升高，超过罐顶板与罐壁板焊接点耐压强度从而破裂。
（二）803#罐罐顶撕裂是因为大量明水（液态水蒸气）随馏出油进入罐内，罐内气相空间压力急遽升高，罐顶呼吸孔泄压不及时，引起罐内正压超限，导致消防泡沫线玻璃挡板破裂，罐顶与罐壁上缘弱焊连接处撕裂。
（三）通过两起事故的对比分析，总结出以下几项共同点：
1、1008#罐、803#罐均为钢制拱顶储罐，容积相同（5000m?），设计压力相同；
2、两台油罐发生事故时生产状态基本相同，均为边收边付，而且收油温度均在100度以上；
3、事故后检查确认，两罐呼吸阀均处于完好状态，无堵塞现象；
4、两台罐爆裂位置相同，均为罐顶板与罐壁板焊接处。
三、事故发生的机理
（一）油罐设计中的相关规定
1、油罐正常操作压力下通气量的规定
油罐在正常压力下最大的设计通气量一般取最大物料进入量和环境温度升高时呼出的气体量之和。
2、紧急呼吸量的规定
固定顶储罐的顶与壁多设计为弱连接结构，即当油罐内不能满足紧急状态下的气体量通过时，为了保护罐体及防止罐内物料溢流，罐顶壁连接处会先于其他链接部位发生爆裂。
3、球壳设计的规定
拱顶罐的球壳需要进行内压作用下产生的薄膜应力强度校核减二外载荷作用下的稳定校核。多数情况下，外载荷作用为主要，一般只校核外载荷作用。
综合以上三项设计规定，在拱顶罐的罐顶设计中，忽略了蒸汽由罐顶进罐这种特殊情况，也为拱顶罐发生爆裂事故留下了隐患。
（二）拱顶罐收取热油过程中的受力分析
1、罐顶爆裂时罐内蒸汽分压和流量的计算
拱顶罐的罐顶发生爆裂时，罐内最大正压力为油罐内部油气空间的蒸汽分压力与油气分压之和。由于此时蒸汽产生的压力远大于油气分压，因此油气产生的压力可以忽略。此时罐内总压（P）为以下条件：
（1）
式中 ——爆裂罐内蒸汽总压
——大气压力
根据理想气体状态方程，可以推算在罐顶爆裂时通过罐顶呼吸阀的流量（）：
（2）
——罐頂爆裂时呼吸阀排气量；
——罐顶爆裂时的蒸汽温度；
——罐内最大正压力下饱和蒸汽的温度；
——罐顶爆裂时罐内蒸汽压力。
2、蒸汽溢出至罐顶爆裂间隔时间（t）的计算
同样根据理想气体状态方程：
（3）
——收油线内的蒸汽流量；
——罐内油气空间的体积；
——罐顶溢出蒸汽至爆裂事故发生的间隔时间。 （2）式代入（3）式可得：
（4）
将（1）代入（4）可得：
（5）
由（5）式来看，进罐管线内含有大量蒸汽时，蒸汽流量、油罐内部油气空间的体积和蒸汽压力下罐顶呼吸阀的气体流量的变化，都会引起罐顶溢出蒸汽至爆裂事故发生的间隔时间的变化。在拱顶罐上线收油过程中，只要管线内含有水蒸气，油罐内的正压力会随着罐内油气空间中蒸汽压力的集聚升高而不断增大，当蒸汽从罐顶溢出的时间大于（5）式的最大值时，油罐的承压值就会超过设计允许的最大值，导致罐顶板和罐底板弱项焊缝的破裂。因此蒸汽进罐的时间长短直接决定拱顶罐爆裂事故是否发生，即发现收油管线进罐带汽后必须在t时间内及时将蒸汽转移出油罐才能杜绝事故的出现。
四、防止此类事故发生的预防措施
（一）生产管理方面
1、加强储运岗位与炼化装置之间的交流与沟通
油品储运罐区是炼化装置的下游单位，但不意味着可以全盘接收装置的所有熘出产品，中间产品罐区的油品质量也直接影响着下游生产装置的平稳运行，油品储运岗位人员不仅要了解辖区内油罐的运行状态，更要对上下游生产装置的运行状态有所掌握，以便随时应对装置波动带来的危害。
2、加强岗位人员处理紧急事故的预案演练
岗位人员处理紧急事故的效率直接决定事故引起的损失的大小，完善的应急机制是杜绝事故发生的最有效方式，加强岗位人员对事故发生机理的了解显得尤其必要，通过制订行之有效的临时措施，将事故带来的危害降到最低。
3、进一步确定热油上线进罐的必要性
现行的规范中对于拱顶罐是否可以采用上线进油仍无定论，上线进油的优点在于可以防止热油进罐，冲击罐底垫水层从而引起突沸事故。缺点是油品上线进罐向下滑落过程中存在产生静电的隐患，由于拱顶罐储存多为蜡油、渣油等丙类油品，其闪点均在60℃以上，相对于甲类、乙类油品，静电带来的危害程度较低。
《石油化工企业设计防火规范 GB50160-2008》中6.2.20条：常压固定顶罐顶板与包边角钢间的连接应采用弱顶结构。以使发生爆炸或突沸等突发事故中，顶部先行炸开，保证罐体不被破坏。若突沸发生在油罐底部，爆裂压力超过罐底板耐压值，罐底板或罐壁板破损带来的危险性远远高于罐顶弱项焊接的破损。
（二）设备管理方面
1、选择合适的泄压设备
拱顶罐爆裂带来的最直接伤害是储罐的破损，在这两起事件中，储罐的呼吸阀均未起到保护油罐的作用，主要原因系呼吸阀位置距液体汽化位置较远，压力集中在进罐处排放，无法达到呼吸阀位置，此论点在受力分析中已有说明。
为了解决此现象的出现，可考虑在拱顶罐的壳体上增设紧急泄压阀即安全阀，位置选在收油管线进罐顶旁，紧急泄压阀的耐压范围要小于罐顶板与罐壁板的弱项焊接耐压值，这样即使装置馏出油携带有大量水分，罐内急剧汽化后产生的压力首先通过紧急泄压阀释放，超过泄压阀耐压值后泄压阀开启泄压，将罐内压力引入大气，避免对罐体的伤害。
拱顶罐罐顶透光孔系作为检修时使用，在日常生产中均用螺栓封死，也可考虑将收油线附近的透光孔加以利用，将透光孔上法兰片改造与泄压阀相连，可减少施工量，也可避免改造工作与油罐运转发生冲突。
目前泄压阀尚未普遍应用于拱顶储罐，而多数出现在压力容器中，广泛的推广使用泄压阀尚不现实，可以考虑针对事故高发罐区的油罐加以试用，泄压阀的安装和维护费用远低于整台油罐的停运检修费用。
2、建立油罐压力传送和监控机制
为新增的泄压阀增设回讯系统，将阀门所承受压力大小，阀门开关状态传送至操作室内PLC或DCS系统中，同时增设报警设备，一旦泄压阀承受的压力超过耐压范围，即在操作室时发送报警信号，可尽早做好准备应对储罐爆裂事故。
3、建立完善的设备管理制度
再好的设备也需要由人来使用，再优秀的管理理念最终都要由人来执行，人的主观能动性与先进的生产技术相结合才能创造出最佳效益，只有针对设备自身特点建立完善的管理制度才能使设备的先进性得到充分发挥。
从油罐设计开始，对比设计规范对施工方案、设计图纸逐条审查，尤其对事故多发环节重点审查。在施工中严把质量关，薄弱顶结构一定要按要求施工，不得随意增加焊缝腰高。
日常管理中，将设备的日常检查责任落实到具体人，建立日巡检、周巡检和月巡检制度，将巡检内容制作成卡片分配到责任人，使设备检查成为操作规程中的一项，完善奖惩制度，才是保证设备长久安全运转的核心原则。
以上就是对高温拱顶油罐爆裂事故的一些探讨，对预防措施的一种设想，时间才是检验真理的唯一标准，最佳的防范措施只有在使用中不断探索、不断改进才能不断完善，望有志于研究拱顶罐安全防护的同志，不断提出更好的解决方案。
参考文献：
[1]《石油库设计规范》GB 50074-2002，中華人民共和国建设部/中华人民共和国质量监督检验检疫总局2003-03-01实施
[2]《工程力学》吴宝瀛 2008年12月1日 清华大学出版社
[3]《油气储运》2002，2002，21（8），贾磊
作者简介：刘晨曦，男，1987年生人，本科学历，毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，2009年起于金陵石化参加工作，从事生产工艺管理工作，参与了金陵石化油品质量升级改造储运配套系统的建设工作。