重质油罐突沸的原因分析及防范措施
发布时间：2019-06-14 发布作者：
摘 要：阐述了突沸现象的发生原理及可能导致的安全危害，分析了导致重质油罐突沸的有关危害因素，并结合重质油品储运的客观规律和生产管理实际，重点在工艺设计、生产操作、运行管理和技改措施等五个方面提出了一系列针对性防范突沸的有效应对措施，这对石油化工、煤化工行业降低重质油罐突沸事故的发生风险、减小可能带来的损失等都具有参考意义。
重质油罐，作为储运装置直供、转运和销售寄存的重要设备，不仅能暂存物料、节省设备投资，也有利于调节运行负荷、降低物料能耗[1]。近年来，无论是新建的石油化工，还是煤化工装置，一般都设置数量不等的重质油罐。由于重质油具有比重大、黏度高、沸点高、凝固点高等特点，为便于转运和输送，在生产、储运等环节一般需要设置较高的作业温度，操作条件也较为严苛。一旦重质油罐的安全防护措施设置不严密或者操作不当，油品突沸现象是比较容易发生的，甚至是着火、爆炸事故[2]。这些对油品罐区的安全、稳定、清洁运行，以及操作人员的人身健康都具有非常大的威胁。
本文对重质油罐突沸事故的发生进行系统、科学的分析，查找造成突沸的有关因素，并结合重质油品储运的客观规律和生产实际，提出了针对性的预防建议措施，防患于未然，这些对有效防范重质油罐区的突沸事故发生具有十分重要的理论参考意义和现实指导价值。
1 突沸的原理
1.1 突沸的概念
客观上说，突沸在重质油品储运的生产操作和日常管理过程中是比较常见的现象。突沸的基本原理是指油品在储存过程中，由于质量上的差异或生产过程水的意外窜入，当遇高低温油品混合或油料温升时，产生的大量能量集聚和释放[1]。具体表现为，聚集了大量能量的高温油品将热量传递给了低沸点物料（主要指窜入的水或其它轻质油品），低沸点物料处于过热状态并达到一定程度后，在罐内剧烈汽化。特别当遇到黏度大、表面张力大的重质油时，产生大量的高温油气泡沫，体积迅速剧增，较终造成油罐的憋压。如不能及时卸压，极易导致油罐内重质油料、水汽混合物出现爆炸式扩散，发生油罐突沸、撕裂或者冒罐等事故，严重时甚至发生着火、爆炸事故。
1.2 有关突沸的膨胀倍数估算
重质油品突沸过程的水汽膨胀是异常剧烈的，以 1 kg冷凝水进入重质油罐汽化后的体积扩大倍数进行估算[3]：
（1）为使计算简化，假设窜入的冷凝水处于标准状态下，即温度：273.15 K（0 ℃），压力：101.325 kPa。在该标准状态下，水的摩尔质量为 18 g/mol, 1 kg 的冷凝水体积约等于 1 L。同时，设定发生突沸事故的重质油罐中油料温度为 383.15 K（110 ℃）。1 kg 的冷凝水完全汽化成水蒸汽的物质的量为：n=1 000/18=55.56 mol。
（2）假设冷凝水在高温重质油中汽化到383.15 K（110 ℃）时的蒸汽状态，符合理想气体状态方程：PV=nRT。其中，重质油罐为常压罐，蒸汽压强取 1 个标准大气压，P=101.325 kPa，水蒸气温度 T=383.15 K（110 ℃），1 kg 水蒸气所具有的物质的量 n=55.6 mol。
（3）将上述数据代入理想气体状态方程，得出 1 kg 冷凝水在高温重质油罐中汽化后，所具有的体积为：V=55.6×8.31×383.15 /101 325 =1 747.98 L。
（4）由以上式估算可以得出，进入高温重质油罐的冷凝水汽化后，体积可巨增至少 1 700 多倍。
2 重质油罐突沸的原因分析
2.1 油罐存水
2.1.1 上游加工装置送料中夹带水
由于自上游油品加工装置输送来的重质油中不可避免会夹带少量水汽，加之目前重质油罐多采用液下进料的方式，开工初期的管线、储罐中也可能存有少量水汽[4]。这些夹带入罐的水份，如不能及时从油罐顶部挥发，常常会导致在罐底的积聚。
2.1.2 油罐内加热器泄漏
油罐加热器一般为列管式或盘管式加热器，多使用饱和蒸汽作为热媒进行交换加热。油罐加热器一旦泄漏，热源蒸汽可通过油路窜入罐内。特别当罐内温度较低时，加热器泄漏出的饱和蒸汽会大量
凝结成液态水，停留在油罐底部。
2.1.3 油罐呼吸凝聚水
重质油罐向外发油时，罐压会相应降低。当罐顶呼吸阀控制的真空度大于罐压时，油罐会通过呼吸阀吸入外部新鲜空气。由于新鲜空气的吸入，可能造成外部水汽的侵入和凝聚。同时，随着外界气温、压力等周期性变化，油罐中的油汽温度、压力、浓度和蒸发速率也会相应改变，油罐也会相应吸入湿润空气或者排出过多油气，这些影响都会造成油罐内的水汽凝聚[5]。
2.1.4 油罐顶部封盖不严
油罐顶部采光孔、量油孔等封盖不严，雨雪水进入罐内,特别当罐内温度较低时，雨雪水就会从油面沉降至罐底部。
2.1.5 脱水口设置过高
重质油罐脱水口高度距罐底的距离不宜过高，脱水口高度以下的罐底存水一般是无法切除的，而这些存水也是完全足够引发突沸事故的。
2.2 温度异常变化
2.2.1 加热器控温过高
由于加热器工况操作不当，导致重质油罐温度过高，接近甚至超过突沸得临界状态。
2.2.2 切、付料操作不当
在送付料或者切换送付料过程中操作不当，或上游油品加工装置工况发生异常波动，部分高温油品窜入重质油罐，导致罐内油品组分发生扰动，引发突沸事故的发生。
2.3 油罐液位变化
油罐液位是会产生静压的。尤其在重质油罐底存有积水的情况下，随着罐内油位的升降，积水的沸点也会相应发生变化。一般油位升高，罐底的压强会增大，水蒸气的饱和温度也会增加，相应状态下水的沸点也会提高[6]。
（1）以某重质油罐为例，假设该罐液位的安全高度为 16 m，抽空高度为 4 m，重质油密度 ρ 为1 000 kg/m3。根据有关公式计算得，罐内液体静压强 Pj=ρgh=1 000 ×9.8×16=0.157 MPa；油罐底部压强 P=Pj+ Patm =0.157+0.101 =0.258 MPa。
（2）当重质油罐底部压强为 0.258 MPa 时，计算得到相应水的沸点为 135 ℃。
（3）参照以上计算过程，当重质油罐液位降低至 4 m 时，可计算得到罐底压强为 0.136 MPa，此时水的沸点则降低至 108 ℃。
（4）由此可见，在同等储存工况和环境温度下，重质油罐液位降低，罐底存水的沸点也会降低，也会导致突沸事故的发生。
3 有效防范措施
防范重质油罐突沸的有效措施，根本上是要严控罐内物料温度，减少罐内存水，坚决避免形成能量突然释放的前提条件。具体可有以下五项措施：
3.1 减少罐内存水
（1）改为罐顶部进料。将重质油罐进料改为罐顶部进入，进料管进罐后可沿罐壁再向下延伸 2 m 左右。这样的好处是，即使油料中夹带少量水汽也不容易在底部积聚，而是可以通过罐顶呼吸阀排出罐外。
（2）降低脱水口高度。将重质油罐脱水口高度尽可能改至较低点，一旦积水，这样也有利于较大程度切水排出。同时定期做好脱水工作，避免罐内明水积存。
（3）确保设备完好性。重点检查重质油罐加热器是否内漏，如果油罐加热器内漏，将严重导致油品带水。检测的简易方法，可采取先关闭加热器热媒入口，再打开加热器热媒出口，目测是否伴有油料逸出。若有油料逸出，则证明加热器内漏，应立即停用，切出检修。同时，罐顶呼吸阀等开口处使用完毕后，也应及时关闭。
（4）调合用的蜡油及重柴油的水份，必须控制在 0.5%（质量分数）以下，否则应采取适度升温、沉降、切水等脱水措施。实践证明，含水小于 0.5%（质量分数）的油品进入重质油罐，一般不会发生突沸[7]。
（5）严格禁止各类油品的罐底油向重质油罐中进行调合。因为通常罐底含水和各类杂质都比较多。
3.2 保证合理的储存温度
3.2.1 严控进罐油品的较低温度
为保持重质油品的流动性且不发生凝固现象，同时尽可能减少罐内水汽的积聚，必须严控进罐油品的较低温度。此较低温度应高于重质油罐底水汽的饱和蒸汽压对应的温度。保持在这样一个合适的罐温情况下，即使罐内存少量水汽，也可以通过不饱和蒸汽等形式逸出罐外，不会在罐内形成明水。对于重质油而言，渣油凝固点较高约 60 ℃[8]。因此，一般重质油罐的进料温度不低于 75 ℃，就可以满足储运要求。
3.2.2 防止储存温度过高
在保持一定罐温下限的基础上，也要防止过度温升。特别是达到或超过罐内积水的突沸温度后，会引发突沸事故发生。重质油品出油品加工装置的温度较高，一般在 100 ℃左右，其中减压渣油甚至达到 150 ℃。综合考虑能耗的情况下，应尽可能采取措施，严格控制一般重质油罐储存温度和收料油品温度低于 95 ℃。这样即使有液态水存在，也不至于发生突沸事故。
3.3 加装防突沸油气分离器
在重质油罐体内纵向固定安装两端贯通的油气分离管 2（具体详见图 1）[9]，油气分离管 2 和进油管 3 通过切线结构联接。重质油品不直接进入储罐体 1，而是通过进油管 3 从储罐底部 4 进入后上行，再由油气分离管 2 顶部切线进入储罐体 1。重质油缓慢旋转向下流动，形成液膜。即使重质油中夹带水汽，也可通过油气分离管 2 从液膜中有效脱出，再经分离器后由储罐体顶部挥发，从而可有效
解决重质油储罐突沸的问题。
3.4 规范和优化储运操作
3.4.1 收付料或装车流程建立双线
重质油罐停装期间无需采用蒸汽扫线。同时冬季可使用热油循环的办法解决管线冻凝问题，这样可有效减少装车、发送料过程扫线蒸汽带入重质油罐的风险。
3.4.2 建立顶线扫线废料罐
一般来说，调合重油（或重蜡、重柴）罐的入料管线，使用完毕后必须用蒸汽扫线，这样管线内必然存积大量冷凝水。因此，可考虑单独设立顶线扫线罐，下次使用调和管线前，可用无水油品将该管线内的冷凝水进行多次置换，并将置换油头切入顶线扫线废料罐中，然后再改流程入调和重油（或重蜡、重柴）罐进行调合作业。
3.5 其他合理应对措施
严格日常巡检，对可能导致突沸事故的各类风险和因素要及时管控。特别是在重质油罐收付油、静置储存等过程中要定期巡检，对重质油罐的进料温度、罐体储存温度、是否有水汽积聚等要重点排查，尽可能避免突沸事故的发生。
（1）定期检查罐内是否有异常声响。除加热器偶尔因水击会发出声响外，如重质油罐收油时夹带水汽，油罐也可能会产生异常声响。一旦出现此类情况，必须采取果断处置措施。必要时要对上游油品加工装置进行减负荷、打内循环等措施，甚至中断油罐进料，待彻底排除隐患后再收料。
（2）监测液位计的异常变化。
重质油罐液位计一旦发生剧烈波动，这常常是油罐即将发生突沸的前兆。应立即排查原因，并采取针对性的措施进行处置，这样可有效避免突沸事故的发生。
（3）定期检查重质油灌顶呼吸阀、检尺口等部位是否有蒸汽逸出。如果有蒸汽逸出，证明罐内由积水存在。应及时查明异常水汽来源，采取必要的切水处理措施[10]。
（4）一旦突沸事故发生，可往罐内注入冷柴油（因柴油粘度小，表面张力小，一般不会产生突沸现象），能迅速降温并破坏泡沫层，一定程度上可抑制突沸的发生。
4 结束语
通过对重质油罐突沸发生的原因进行系统分析，科学采取改造进料方式、降低脱水口高度、加装防突沸油气分离器、合理确定重质油罐储存温度、规范储运操作和加强日常巡检等有效措施，能够有效防范重质油罐突沸事故的发生，避免人身伤害和设备损失，保证重质油罐区的安全、稳定和清洁运行。
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