瀕海大型石油儲罐脆弱性分析及其安全保障體系構建

嚴琰 郭健 羅欣玥 劉春雨

[摘要]我國戰略石油儲備基地主要布局在沿海地區，大型石油儲罐是其主要儲油設施，但是由于這種薄殼空腔結構的先天脆弱性，在海洋的極端氣象條件下，很容易被強風、強降水以及鹽霧等破壞，本文對大型油罐的安全脆弱性進行了分析，并確定其安全脆弱性影響因素體系和安全保障體系，對于確保此種類型儲罐的安全穩定運行有著十分積極的意義。

[關鍵詞]大型石油儲罐;脆弱性;安全保障

[中圖分類號] TE972

[文獻標識碼]A

隨著我國經濟的發展，對石油的需求日益增長，但是由于我國石油儲量少，自然稟賦較差，產能遠遠不能滿足國內的需求，為了保障能源安全，國家于2003年正式啟動了石油戰略儲備計劃，分三個階段開展石油儲備基地建設，目前我國已經建成了舟山、大連、鎮海、燕山等大型石油儲備基地，這些石油儲備基地絕大部分建設在濱海地區，石油儲運設施除了個別采用巖穴等儲油方式外，儲油設施的主體是10萬立方米的大型石油儲罐，相對于小型石油儲罐，大型石油儲罐具有投資少、占地面積小、石油損耗小等優點，經濟效益十分顯著。

但是由于大型石油儲罐是金屬焊接而成的薄壁結構（大型石油儲罐的徑厚比可以達到2500以上）且我國濱海地區處于季風區、極端氣象現象頻發。尤其是臺風氣候時，大型石油儲罐很容易受到強風破壞，所以對濱海地區的10萬立方米儲罐的脆弱性進行分析，確定其關鍵影響因素并提出有針對性的應對措施，這對我國濱海地區油儲基地的建設順利發展十分必要。

1 大型石油儲罐安全脆弱性分析

1.1 大型石油儲罐結構組成

大型石油儲罐采用的是立式圓筒形鋼制薄殼結構，儲罐本體由罐底板、簡體壁、頂蓋及其附件（如角鋼、加強件、板梯、平臺、防雷、靜電接地裝置等）組成，油罐頂部采用雙盤浮頂浮頂結構，其中雙盤浮頂有上下兩個蓋板。兩塊板之間有邊緣環板，徑向和周向隔板將浮頂劃分為許多無滲漏隔室。單盤浮頂的周長為環形浮船，環形浮船被分隔成幾個不漏水的隔間，石油儲罐內介質的重量直接作用于地基。在負荷下處于三維應力狀態。大型石油儲罐如圖1。

1.2 大型石油儲罐風致脆弱性分析

沿海地區極端氣候頻發，尤其是臺風、強降雨以及地質災害對大型油罐的破壞尤其顯著，以強風為例，由于大型油罐是巨大的空腔結構，當風以一定的速度向前移動遇到障礙物時，它會對障礙物施加壓力，即風壓。風壓與障礙物等受力面積呈現正相關關系，本研究采用有限元分析軟件ANYSY分析了強風對大型有關的破壞作用，大型石油儲罐模型如下圖2所示。

在加載風載之后，石油儲罐在受風面上會發生內凹陷，同時左右風壓較小的位置向外凸出形式的變形，其中變形總位移最大的位置是受風的正面罐體的頂部，給罐體造成了巨大的破壞。大型石油儲罐風致屈曲如圖3所示，實際的破壞案例如圖4所示。

由此可見，在沿海極端氣象條件下，大型石油儲罐的安全脆弱性十分明顯，產生脆弱性的原因固然與罐體本體的特性有關，更是包涵技術、管理等方面多因素。

2 大型石油儲罐風險因素體系構建

影響大型石油儲罐的安全脆弱性的因素除了外來的強風、腐蝕、強降水、地質結構外，維護管理等因素和設備本身的維護使用情況也會影響油罐的脆弱性，會給儲罐的安全穩定帶來巨大的負面影響。本文參照國家和行業標準，以及國內外事故數據，構建了大型石油儲罐安全影響因素體系。主要依據人、機、環、管等四個方面來確定影響因素體系。

2.1 環境因素

環境因素主要是地質構造，風速、溫度、濕度等，其中地質構造主要指的是大型油罐本身的地質狀況和地質構造的堅固程度，這些因素對油罐的穩定性，以及強風和強降雨條件下儲罐的災害抵抗能力有著很大的影響，在實際的事故中，也發生過由于地質結構不穩固導致的空罐被強風吹翻傾覆的嚴重事故。對于大型石油儲罐來是說強風、降雨也是主要的致害因素，本文已經強風的制害能力進行了深入的分析，此處不再做過多闡述，在降雨這一方面，如果瞬時降雨過大，或者降雨不能及時排出造成嚴重的內澇，會造成罐體被浮起，而對罐體本體及地基也會產生巨大的破壞。另外氣溫的高低也影響著大型石油儲罐的安全脆弱性，夏季的高溫和冬季的低溫都會對罐體和附屬設備造成破壞。

2.2 設備方面的因素

主要是設備設計，設備維護情況、設備檢測情況，設備使用時長等因素，其中設備設計，主要是罐體設計是否符合國內外的設計標準，是否能夠適應工作區域的強度需要。設備維護情況，包含日常的除銹防腐作業和檢查維修情況，由于濱海地區設備腐蝕情況非常嚴重，如果罐體的防腐作業不及時或者除銹作業不及時，罐體的結構強度會迅速降低，從而降低承受強風和強降雨的能力。設備監測，通過自動化的監測設備可以及時了解設備的運行情況，一旦發現危險情況可以及時的報警，并啟動相應等級的應急預案。設備使用時長，是設備實際使用的時間跨度，由于金屬疲勞和設備本身固有的使用年限，因此使用年限越久，設備出現故障和失能的可能性也越大。

2.3 管理因素

主要包括：安全管理制度、安全應急預案、安全檢查、安全管理人員匹配、安全管理人員合格情況。其中安全管理制度主要是與儲罐安全運行相關的安全崗位責任制，設備運行維護制度等相關的管理制度，這些制度是指導罐區安全維護的重要制度基礎。安全應急預案是安全管理“一案三制”的核心，是處理緊急突發事件和災害的重要的方案和實施路徑，相關的預案設計合理、行之有效，且經過充分訓練，有助于化解罐體在強風情況的風險程度，降低事故災害。安全檢查包括：年度安全檢查、季度檢查、月度檢查和日常檢查，通過這些檢查可以及時發現問題、解決問題，從而提高應對效率，降低風險度。安全管理人員匹配情況：主要是指安全管理與實際安全需要的匹配情況，能不能滿足實際工作的需要，以及工作人員的專業水平是否符合實際的需要。安全管理人員合格情況主要是安全管理人員的上崗培訓及其相關證書的考核情況，由于大型石油儲罐本身的工藝與技術的特殊性，所以其維護有著特殊的要求，要求管理人員必須經過專業的培訓并考試合格。

2.4 人員安全影響因素

人員安全影響因素主要包括了：年齡因素、崗位技能匹配度等。首先是年齡因素，因為在通常情況下，由于罐體維護作業需要耗費大量的體力和智力，研究統計表明：年齡層次在30歲到45歲之間的工作人員由于身體條件較好，技術技能較為豐富，所以在工作中能夠及時發現問題、解決問題。技術培訓年限主要是指安全作業人員培訓的總時限，這是反映安全作業人員能力的一個重要標準?！叭`率”是指違章作業、違章指揮、違章操作情況， “三違率”是反映人員作業整體合格率的重要指標，集中反映了作業人員是不是能夠按照作業標準來操作，是不是能夠嚴格的遵守勞動紀律。崗位技能匹配度是指作業人員自身的技能與實際工作需要的契合度?？己顺煽?，是對作業人員進行的技能與安全考核，通過考核可以清楚的了解作業人員的技能掌握情況和技能水平。員工出勤是反映員工到崗情況的重要因素，通過出勤情況可以掌握員工巡檢情況，員工工作的積極性。大型石油儲罐安全風險因素體系如圖5所示。

3 大型石油儲罐安全保障措施

依據大型石油儲罐安全風險因素體系，大型石油儲罐的安全保障措施需要作出有針對性的系統應對，才能適應大型石油儲罐安全管理的需要。

3.1 技術保障

技術保障措施主要包括如下幾個方面：選址技術，由于大型石油儲罐本身薄殼結構的固有脆弱性，容易受到極端氣象條件的影響和破壞，所以對于其選址必須要滿足地質結構穩固度的需要，還需要了解常年風向，并對可能的破壞進行模擬，確定安全選址地點。安全容量技術：通過火災事故模擬，確定大型油罐區的安全容量，確定儲罐間距和最大安全距離。罐體加強技術：通過模擬計算確定加強圈數量經過模擬計算9道抗風圈比較有效的防護臺風，提高壁厚以及設置線纜綁扎等技術提高罐體本身抗拒極端氣候的能力。氣象災害預警技術：基于國家氣象數據，建設區域極端氣象災害預警信息平臺，進行早期精確氣象災害預警。安全監測預警技術：廣泛采用人工智能、5G和工業互聯網、無人機等技術，及時監測罐體形變和泄漏的監測預警技術，實時監控罐體的危險性變化，提高早期預警能力。事故災害應急管理技術：針對突發條件，建設智能化應急決策系統，提高快速應急響應能力，在事故發生第一時間進行應急救援，提高救援的效率和效能。

3.2 管理保障

管理保障是從管理機制層面為大型石油儲罐的安全運行提供管理的制度依據，主要包括以下幾個方面：

管理制度：首先是必須完善相應的設備維護制度、安全崗位責任制等制度體系。應急預案體系是指：建立和完善針對強風、強降雨以及山體滑坡等突發事件的應急預案體系，并對各種應急預案進行完善的培訓和實際訓練。巡檢制度：針對罐體的薄弱環節進行設置巡檢點，定時定點進行安全巡檢，合理科學規劃巡檢路線。管理人員培訓：針對罐區的安全、技術以及應急特性進行集中的管理人員培訓。人員匹配：根據罐區安全的需要配備合適的安全管理人員，提高管理人員的匹配度。

3.3 設備保障

準入制度：建設完善的設備設施準入機制，按照實際安全需要設定設備準入門檻。設備保養：按照設備運行要求，設定設備保養周期，設備保養程序。設備年限：根據設備的腐蝕情況、使用強度需要設定設備的實際工作年限。

3.4 人員保障

人員選擇：根據設備需要選擇合適的人員，包括人員的年齡結構、學歷結構和知識結構等考量因素。技能培訓：對作業人員進行技能培訓，并通過考試，演練確定作業人員實際作業水平。安全培訓：對作業人員進行安全培訓，并通過考試，確定作業人員實際安全技能水平。

4 結語

大型油氣儲罐是我國石油儲運基地建設的核心設備，目前我國的石油儲備基地大部分都建設在沿海地區，由于沿海地區自然條件復雜，極端氣象現象頻發，加之大型石油儲罐的空腔結構，安全脆弱性明顯，被強風等自然災害破壞的可能性極大，本文對大型石油儲罐的脆弱性進行了分析，確定了其主要風險因素，并依據風險因素提出了有針對性的保障措施，可以為大型石油儲罐的安全運行提供一定的借鑒和參考。

[參考文獻]

[1]張超，馬俊，張哲，論我國石油戰略儲備[J].軍事經濟研究，2005 （12）.

[2]何冠明，何國正，我國石油資源和能源可持續發展戰略問題探析[J].能源研究與利用.2006 （06）.

[3]田磊，王閆瀟瀟，李云，等.2019年我國石油市場分析與2020年展望[J].中國能源，2020 （03）.

[4]楊浩.大型石油化工企業儲罐區消防安全對策研究[J]石化技術，2019 （10）.

[5]黨小戈，大型石油儲罐浮頂強度及穩定性分析探討[J].四川水泥，2019 （05）.

[6]林寅，大型鋼儲罐結構的風荷載和風致屈曲[D].浙江大學，2014.

[7]張鄭超.大型鋼儲罐的風荷載和抗風穩定承載力[D].浙江大學，2017.

[8]孫建成.大型原油儲罐建設過程中的設備改進措施[J].石化技術.2018 （02）.

[9]石磊，帥健，王曉霖，等.大型石油儲罐地基沉降研究現狀[J].石油工程建設，2018 （01）.

[10]王寶軒，沈功田，閆河，等，大型石油儲罐健康管理方法應用研究[J].機械工程學報，2017 （16）.