重質油罐突沸的原因分析及防范措施
發布時間：2019-06-14 發布作者：
摘 要：闡述了突沸現象的發生原理及可能導致的安全危害，分析了導致重質油罐突沸的有關危害因素，并結合重質油品儲運的客觀規律和生產管理實際，重點在工藝設計、生產操作、運行管理和技改措施等五個方面提出了一系列針對性防范突沸的有效應對措施，這對石油化工、煤化工行業降低重質油罐突沸事故的發生風險、減小可能帶來的損失等都具有參考意義。
重質油罐，作為儲運裝置直供、轉運和銷售寄存的重要設備，不僅能暫存物料、節省設備投資，也有利于調節運行負荷、降低物料能耗[1]。近年來，無論是新建的石油化工，還是煤化工裝置，一般都設置數量不等的重質油罐。由于重質油具有比重大、黏度高、沸點高、凝固點高等特點，為便于轉運和輸送，在生產、儲運等環節一般需要設置較高的作業溫度，操作條件也較為嚴苛。一旦重質油罐的安全防護措施設置不嚴密或者操作不當，油品突沸現象是比較容易發生的，甚至是著火、爆炸事故[2]。這些對油品罐區的安全、穩定、清潔運行，以及操作人員的人身健康都具有非常大的威脅。
本文對重質油罐突沸事故的發生進行系統、科學的分析，查找造成突沸的有關因素，并結合重質油品儲運的客觀規律和生產實際，提出了針對性的預防建議措施，防患于未然，這些對有效防范重質油罐區的突沸事故發生具有十分重要的理論參考意義和現實指導價值。
1 突沸的原理
1.1 突沸的概念
客觀上說，突沸在重質油品儲運的生產操作和日常管理過程中是比較常見的現象。突沸的基本原理是指油品在儲存過程中，由于質量上的差異或生產過程水的意外竄入，當遇高低溫油品混合或油料溫升時，產生的大量能量集聚和釋放[1]。具體表現為，聚集了大量能量的高溫油品將熱量傳遞給了低沸點物料（主要指竄入的水或其它輕質油品），低沸點物料處于過熱狀態并達到一定程度后，在罐內劇烈汽化。特別當遇到黏度大、表面張力大的重質油時，產生大量的高溫油氣泡沫，體積迅速劇增，較終造成油罐的憋壓。如不能及時卸壓，極易導致油罐內重質油料、水汽混合物出現爆炸式擴散，發生油罐突沸、撕裂或者冒罐等事故，嚴重時甚至發生著火、爆炸事故。
1.2 有關突沸的膨脹倍數估算
重質油品突沸過程的水汽膨脹是異常劇烈的，以 1 kg冷凝水進入重質油罐汽化后的體積擴大倍數進行估算[3]：
（1）為使計算簡化，假設竄入的冷凝水處于標準狀態下，即溫度：273.15 K（0 ℃），壓力：101.325 kPa。在該標準狀態下，水的摩爾質量為 18 g/mol, 1 kg 的冷凝水體積約等于 1 L。同時，設定發生突沸事故的重質油罐中油料溫度為 383.15 K（110 ℃）。1 kg 的冷凝水完全汽化成水蒸汽的物質的量為：n=1 000/18=55.56 mol。
（2）假設冷凝水在高溫重質油中汽化到383.15 K（110 ℃）時的蒸汽狀態，符合理想氣體狀態方程：PV=nRT。其中，重質油罐為常壓罐，蒸汽壓強取 1 個標準大氣壓，P=101.325 kPa，水蒸氣溫度 T=383.15 K（110 ℃），1 kg 水蒸氣所具有的物質的量 n=55.6 mol。
（3）將上述數據代入理想氣體狀態方程，得出 1 kg 冷凝水在高溫重質油罐中汽化后，所具有的體積為：V=55.6×8.31×383.15 /101 325 =1 747.98 L。
（4）由以上式估算可以得出，進入高溫重質油罐的冷凝水汽化后，體積可巨增至少 1 700 多倍。
2 重質油罐突沸的原因分析
2.1 油罐存水
2.1.1 上游加工裝置送料中夾帶水
由于自上游油品加工裝置輸送來的重質油中不可避免會夾帶少量水汽，加之目前重質油罐多采用液下進料的方式，開工初期的管線、儲罐中也可能存有少量水汽[4]。這些夾帶入罐的水份，如不能及時從油罐頂部揮發，常常會導致在罐底的積聚。
2.1.2 油罐內加熱器泄漏
油罐加熱器一般為列管式或盤管式加熱器，多使用飽和蒸汽作為熱媒進行交換加熱。油罐加熱器一旦泄漏，熱源蒸汽可通過油路竄入罐內。特別當罐內溫度較低時，加熱器泄漏出的飽和蒸汽會大量
凝結成液態水，停留在油罐底部。
2.1.3 油罐呼吸凝聚水
重質油罐向外發油時，罐壓會相應降低。當罐頂呼吸閥控制的真空度大于罐壓時，油罐會通過呼吸閥吸入外部新鮮空氣。由于新鮮空氣的吸入，可能造成外部水汽的侵入和凝聚。同時，隨著外界氣溫、壓力等周期性變化，油罐中的油汽溫度、壓力、濃度和蒸發速率也會相應改變，油罐也會相應吸入濕潤空氣或者排出過多油氣，這些影響都會造成油罐內的水汽凝聚[5]。
2.1.4 油罐頂部封蓋不嚴
油罐頂部采光孔、量油孔等封蓋不嚴，雨雪水進入罐內,特別當罐內溫度較低時，雨雪水就會從油面沉降至罐底部。
2.1.5 脫水口設置過高
重質油罐脫水口高度距罐底的距離不宜過高，脫水口高度以下的罐底存水一般是無法切除的，而這些存水也是完全足夠引發突沸事故的。
2.2 溫度異常變化
2.2.1 加熱器控溫過高
由于加熱器工況操作不當，導致重質油罐溫度過高，接近甚至超過突沸得臨界狀態。
2.2.2 切、付料操作不當
在送付料或者切換送付料過程中操作不當，或上游油品加工裝置工況發生異常波動，部分高溫油品竄入重質油罐，導致罐內油品組分發生擾動，引發突沸事故的發生。
2.3 油罐液位變化
油罐液位是會產生靜壓的。尤其在重質油罐底存有積水的情況下，隨著罐內油位的升降，積水的沸點也會相應發生變化。一般油位升高，罐底的壓強會增大，水蒸氣的飽和溫度也會增加，相應狀態下水的沸點也會提高[6]。
（1）以某重質油罐為例，假設該罐液位的安全高度為 16 m，抽空高度為 4 m，重質油密度 ρ 為1 000 kg/m3。根據有關公式計算得，罐內液體靜壓強 Pj=ρgh=1 000 ×9.8×16=0.157 MPa；油罐底部壓強 P=Pj+ Patm =0.157+0.101 =0.258 MPa。
（2）當重質油罐底部壓強為 0.258 MPa 時，計算得到相應水的沸點為 135 ℃。
（3）參照以上計算過程，當重質油罐液位降低至 4 m 時，可計算得到罐底壓強為 0.136 MPa，此時水的沸點則降低至 108 ℃。
（4）由此可見，在同等儲存工況和環境溫度下，重質油罐液位降低，罐底存水的沸點也會降低，也會導致突沸事故的發生。
3 有效防范措施
防范重質油罐突沸的有效措施，根本上是要嚴控罐內物料溫度，減少罐內存水，堅決避免形成能量突然釋放的前提條件。具體可有以下五項措施：
3.1 減少罐內存水
（1）改為罐頂部進料。將重質油罐進料改為罐頂部進入，進料管進罐后可沿罐壁再向下延伸 2 m 左右。這樣的好處是，即使油料中夾帶少量水汽也不容易在底部積聚，而是可以通過罐頂呼吸閥排出罐外。
（2）降低脫水口高度。將重質油罐脫水口高度盡可能改至較低點，一旦積水，這樣也有利于較大程度切水排出。同時定期做好脫水工作，避免罐內明水積存。
（3）確保設備完好性。重點檢查重質油罐加熱器是否內漏，如果油罐加熱器內漏，將嚴重導致油品帶水。檢測的簡易方法，可采取先關閉加熱器熱媒入口，再打開加熱器熱媒出口，目測是否伴有油料逸出。若有油料逸出，則證明加熱器內漏，應立即停用，切出檢修。同時，罐頂呼吸閥等開口處使用完畢后，也應及時關閉。
（4）調合用的蠟油及重柴油的水份，必須控制在 0.5%（質量分數）以下，否則應采取適度升溫、沉降、切水等脫水措施。實踐證明，含水小于 0.5%（質量分數）的油品進入重質油罐，一般不會發生突沸[7]。
（5）嚴格禁止各類油品的罐底油向重質油罐中進行調合。因為通常罐底含水和各類雜質都比較多。
3.2 保證合理的儲存溫度
3.2.1 嚴控進罐油品的較低溫度
為保持重質油品的流動性且不發生凝固現象，同時盡可能減少罐內水汽的積聚，必須嚴控進罐油品的較低溫度。此較低溫度應高于重質油罐底水汽的飽和蒸汽壓對應的溫度。保持在這樣一個合適的罐溫情況下，即使罐內存少量水汽，也可以通過不飽和蒸汽等形式逸出罐外，不會在罐內形成明水。對于重質油而言，渣油凝固點較高約 60 ℃[8]。因此，一般重質油罐的進料溫度不低于 75 ℃，就可以滿足儲運要求。
3.2.2 防止儲存溫度過高
在保持一定罐溫下限的基礎上，也要防止過度溫升。特別是達到或超過罐內積水的突沸溫度后，會引發突沸事故發生。重質油品出油品加工裝置的溫度較高，一般在 100 ℃左右，其中減壓渣油甚至達到 150 ℃。綜合考慮能耗的情況下，應盡可能采取措施，嚴格控制一般重質油罐儲存溫度和收料油品溫度低于 95 ℃。這樣即使有液態水存在，也不至于發生突沸事故。
3.3 加裝防突沸油氣分離器
在重質油罐體內縱向固定安裝兩端貫通的油氣分離管 2（具體詳見圖 1）[9]，油氣分離管 2 和進油管 3 通過切線結構聯接。重質油品不直接進入儲罐體 1，而是通過進油管 3 從儲罐底部 4 進入后上行，再由油氣分離管 2 頂部切線進入儲罐體 1。重質油緩慢旋轉向下流動，形成液膜。即使重質油中夾帶水汽，也可通過油氣分離管 2 從液膜中有效脫出，再經分離器后由儲罐體頂部揮發，從而可有效
解決重質油儲罐突沸的問題。
3.4 規范和優化儲運操作
3.4.1 收付料或裝車流程建立雙線
重質油罐停裝期間無需采用蒸汽掃線。同時冬季可使用熱油循環的辦法解決管線凍凝問題，這樣可有效減少裝車、發送料過程掃線蒸汽帶入重質油罐的風險。
3.4.2 建立頂線掃線廢料罐
一般來說，調合重油（或重蠟、重柴）罐的入料管線，使用完畢后必須用蒸汽掃線，這樣管線內必然存積大量冷凝水。因此，可考慮單獨設立頂線掃線罐，下次使用調和管線前，可用無水油品將該管線內的冷凝水進行多次置換，并將置換油頭切入頂線掃線廢料罐中，然后再改流程入調和重油（或重蠟、重柴）罐進行調合作業。
3.5 其他合理應對措施
嚴格日常巡檢，對可能導致突沸事故的各類風險和因素要及時管控。特別是在重質油罐收付油、靜置儲存等過程中要定期巡檢，對重質油罐的進料溫度、罐體儲存溫度、是否有水汽積聚等要重點排查，盡可能避免突沸事故的發生。
（1）定期檢查罐內是否有異常聲響。除加熱器偶爾因水擊會發出聲響外，如重質油罐收油時夾帶水汽，油罐也可能會產生異常聲響。一旦出現此類情況，必須采取果斷處置措施。必要時要對上游油品加工裝置進行減負荷、打內循環等措施，甚至中斷油罐進料，待徹底排除隱患后再收料。
（2）監測液位計的異常變化。
重質油罐液位計一旦發生劇烈波動，這常常是油罐即將發生突沸的前兆。應立即排查原因，并采取針對性的措施進行處置，這樣可有效避免突沸事故的發生。
（3）定期檢查重質油灌頂呼吸閥、檢尺口等部位是否有蒸汽逸出。如果有蒸汽逸出，證明罐內由積水存在。應及時查明異常水汽來源，采取必要的切水處理措施[10]。
（4）一旦突沸事故發生，可往罐內注入冷柴油（因柴油粘度小，表面張力小，一般不會產生突沸現象），能迅速降溫并破壞泡沫層，一定程度上可抑制突沸的發生。
4 結束語
通過對重質油罐突沸發生的原因進行系統分析，科學采取改造進料方式、降低脫水口高度、加裝防突沸油氣分離器、合理確定重質油罐儲存溫度、規范儲運操作和加強日常巡檢等有效措施，能夠有效防范重質油罐突沸事故的發生，避免人身傷害和設備損失，保證重質油罐區的安全、穩定和清潔運行。
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