丙烷全壓力儲罐安全系統(tǒng)設(shè)計

高曉勸(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

1 概述

丙烷是處理天然氣或精煉原油得到的副產(chǎn)物，主要用于有機(jī)合成，可作生產(chǎn)乙烯和丙烯的原料或煉油工業(yè)中的溶劑，也可將其與丁烷和少量乙烷的混合物液化后用作燃料，即LPG液化石油氣，同時也可作為制冷劑使用。丙烷屬于甲A液化烴類，爆炸極限為2.1%～9.5%，點(diǎn)火能為0.31 MJ，閃點(diǎn)-10 ℃，在生產(chǎn)及儲存的過程中風(fēng)險極高，一旦發(fā)生泄漏遇明火，引發(fā)火災(zāi)進(jìn)而引發(fā)蒸汽云爆炸(VCE)和沸騰液體蒸汽云爆炸(BLEVE)，產(chǎn)生的巨大壓力波，死亡半徑達(dá)上千米，造成人員傷亡，后果不堪設(shè)想。

2 丙烷儲罐設(shè)計要求及常見泄漏原因分析

丙烷的常見儲存形式主要為常溫儲存，常溫儲罐按照儲存容積不同又分為臥式和球罐。球罐耐壓高，容量大，臥罐由于其形狀的影響，容量一般不超過200 m3。臥罐的優(yōu)勢是成本低，靈活，一般應(yīng)用在小型裝置中，滿足不同原料、中間體及產(chǎn)品的臨時儲存需求，比如LNG接收站IFV氣化器的中間介質(zhì)儲罐采用臥式儲罐進(jìn)行儲存。常溫丙烷儲罐操作溫度為常溫，罐內(nèi)壓隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，因此儲罐設(shè)計壓力必須要求能涵蓋建設(shè)地區(qū)所能達(dá)到最高溫度(或50 ℃取其高者)對應(yīng)的飽和蒸氣壓，以確保儲罐安全不超壓。最低設(shè)計金屬溫度不得高于歷年來月平均最低氣溫的最低值。儲罐設(shè)計要滿足固容規(guī)及壓力容器要求，裝量系數(shù)不超過0.9，安全閥泄放量考慮可能發(fā)生事故工況下的最大泄放量，安全閥數(shù)量依據(jù)儲罐的運(yùn)行操作狀態(tài)進(jìn)行確定。根據(jù)安監(jiān)局令，在既有工藝設(shè)備應(yīng)用中，若設(shè)備可能造成一級或者二級重大危險，則應(yīng)為其配置緊急停車系統(tǒng)，并且當(dāng)這些設(shè)備在生產(chǎn)中會產(chǎn)生毒性氣體、液化氣體時，需為其配置安全儀表系統(tǒng)，產(chǎn)生劇毒液體的設(shè)備同樣如此。丙烷儲罐的布置需要滿足GB/T 37243—2019考慮與周邊設(shè)施及民眾的安全防護(hù)距離要求。

丙烷儲罐屬于壓力容器，發(fā)生泄漏主要是受壓元件發(fā)生失效造成。發(fā)生失效的主要原因分析如下：丙烷原料中含各種雜質(zhì)會腐蝕儲罐，導(dǎo)致罐壁變薄發(fā)生穿孔泄漏；兩端閥門關(guān)閉的丙烷管道經(jīng)過太陽暴曬，管道內(nèi)的壓力會急劇升高，極易造成管道法蘭撕裂、閥門破壞、焊縫失效、盤根焊縫處撕裂甚至管道爆裂；儲罐本體收到撞擊；地面沉降引起罐體受力不均；罐體受熱變形；安裝質(zhì)量劣；設(shè)備老化后震動；儲罐下排污管線無伴熱系統(tǒng)或伴熱系統(tǒng)失靈。泄漏主要發(fā)生在儲罐的罐體、罐底部連接管道及法蘭等應(yīng)力集中部位[1]。

與空氣相比，丙烷的密度較大，在丙烷膨脹吸熱過程中，其會吸收空氣中的水蒸氣，新形成的小水滴會沿著地面擴(kuò)散，這使得低洼處、下水道等區(qū)域成為丙烷混合液體的集聚地。要注意的是，新形成的小水滴中往往含有一定的液化石油氣，需要通過機(jī)械送風(fēng)或噴霧水槍等措施進(jìn)行驅(qū)散。注水防泄漏是丙烷儲罐常用的防泄漏措施，這是因?yàn)榕c液化氣相比，水的密度、質(zhì)量明顯較大，而卻兩者具有不相溶性。在使用注水措施后，丙烷儲罐內(nèi)會形成因一定的水墊層，這樣即使發(fā)生泄漏時，也能保證前面泄漏的是水，這樣不僅減少了液化氣的泄漏問題，而且避免了火災(zāi)爆炸、中毒等事故的發(fā)生。通常，在丙烷儲罐注水是，除液相閥外，氣相閥也是常用的注水口。注水防泄漏可為后續(xù)的儲罐處置和帶壓堵漏爭取寶貴的時間，更能保障搶險人員的安全，可以有效降低操作風(fēng)險。GB 50160—2008 《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》，SH/T 3007—2007 《石油化工儲運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》，Q/SH 0749—2018 《液化烴儲運(yùn)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，API 2510—2019 《液化石油氣設(shè)備的設(shè)計及制造》均指出全壓力式液化烴儲罐應(yīng)設(shè)計防止液化烴泄漏的注水措施。

3 注水系統(tǒng)安全設(shè)計

規(guī)范化的開展注水設(shè)施設(shè)計，能有效保證丙烷儲罐應(yīng)用的安全性。在注水設(shè)施設(shè)計中，不僅要堅持安全、有效地原則，而且需保證新設(shè)計的注水設(shè)施具有較強(qiáng)可操作性。在注水點(diǎn)設(shè)計中，應(yīng)將其設(shè)置在儲罐進(jìn)口罐根閥和高高液位連鎖切斷閥之間，一旦儲罐發(fā)生泄漏，可迅速關(guān)閉切斷閥，打開注水管道，向儲罐內(nèi)注水使儲罐內(nèi)的丙烷液位升高，將泄漏點(diǎn)置于水位之下，可有效的防止液化石油氣泄漏，為修復(fù)泄漏點(diǎn)贏得寶貴時間和創(chuàng)造便利條件，從而避免更大事故的發(fā)生。

3.1 注水水源

注水水源可采用穩(wěn)高壓消防水源，在消防管線接線中，要求管線甩頭靠近注水點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩者的規(guī)范搭接，并且應(yīng)重視管線甩頭和距物料管線注水連接點(diǎn)距離的有效控制，兩者的距離應(yīng)保持在5以內(nèi)。消防水系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮丙烷儲罐注水的最大需求量。

3.2 注水壓力

液化烴儲罐的注水操作還需要考慮注水壓力因素，這與其作為全壓力式儲罐的性質(zhì)具有較大關(guān)系。在實(shí)際注水中，只有克服系統(tǒng)阻力，才能確保水的快速、高效注入；在最小注水壓力控制中，要求最小的注水壓力不僅要滿足罐內(nèi)操作壓力控制要求，而且需抵消液位靜壓力，此外在管道系統(tǒng)輸送液體是，工作人員還需要系統(tǒng)考慮摩阻壓力損失情況等。注水管路系統(tǒng)需要根據(jù)建設(shè)所在地的環(huán)境溫度設(shè)置減壓閥，避免溫度過低時，造成注水壓力過高，造成儲罐冒頂。

3.3 注水流量

實(shí)際注水中，不僅要考慮注入水量，而且要實(shí)現(xiàn)泄漏量的有效控制，并且注水量要明顯超過漏水量。

泄漏量的計算用公式如下[4]：

式中：Q為泄漏量；μ為流量系數(shù)，取0.62；P和P0分別為氣飽和蒸汽壓、大氣壓；ρ、g分別為密度和重力加速度，其中重力加速度取值為9.8 m/s2；采用h代表最高液位到泄漏點(diǎn)的高差，而破損處具體的泄漏面積采用A代替。

破損處泄漏面積通?？紤]儲罐根部閥墊片泄漏，就泄漏孔而言，其多是按照破損裂縫泄漏部位圓周的1/7計算。

注水流速需要保證水和液化石油氣分層，并且在注水流速控制中，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生靜電問題。通常在液化烴儲罐注水中，人們多將注水的速度控制在1.5～2.5 m/s，而在注水水管管理中，除DN80外，DN100也是較為常見的水管應(yīng)用形態(tài)。在工程上，以2 000 m3為分界點(diǎn)，容積較小的球罐注水流量控制在30 m3/h，反之注水流量控制在 50 m3/h。小型臥式全壓力式儲罐依據(jù)實(shí)際計算過進(jìn)行分析確定。

3.4 注水動力

消防水源壓力一般不高于1.0 MPag，丙烷的飽和蒸汽壓約為1.3 MPag(依據(jù)組分確定)，建議采用專用注水泵或者借助工藝泵對丙烷儲罐進(jìn)行注水操作。

采用專用注水泵時，考慮到進(jìn)水管口水壓不高的影響，在該部位閥門選擇中，多使用普通形態(tài)的截止閥們。而在出口管線設(shè)計中，由于管線和丙烷儲罐緊密連接，故而不論是在截止閥安裝時，還是在止回閥安裝中，均需要規(guī)范化的使用液化石油氣專用閥門。在注水、出水中，嚴(yán)禁壓力過高造成管線或儲罐損壞。與儲罐工作壓力相比，應(yīng)確保水泵出口處的壓力略高，整體壓力應(yīng)控制在0.1～0.3 MPa。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要重視注水系統(tǒng)安全性系數(shù)的有效設(shè)計，以此來實(shí)現(xiàn)注水泵設(shè)計壓力的有效控制。

采用工藝泵注水時，多通過半固定式連接的方式進(jìn)行水源的鏈接處理，并且在連接時，應(yīng)重視快裝接頭的有效鏈接，以此來實(shí)現(xiàn)快速注水控制；要注意的是，除快裝接頭外，在軟管鏈接中，同樣需重視液化石油氣裝卸車專用設(shè)備產(chǎn)品的規(guī)范使用。在使用消防水源時，除直接注水外，還可通過工藝泵進(jìn)行注水管理。在注水過程中，針對靠近快裝接頭的第一、第二道閥門，前者保持常開狀態(tài)，而后者需設(shè)置手動和自動兩種控制方式。在單向閥門安裝應(yīng)用中，應(yīng)選擇其前后位置，規(guī)范化的安裝壓力測量儀表，確保注水的安全性。此外，需依據(jù)工藝泵的流量特性曲線，重新復(fù)核注水工況下泵額運(yùn)行情況，確保不超功率對泵造成損壞。

3.5 儲罐注水系統(tǒng)的特點(diǎn)

注水工藝在儲罐保護(hù)及安全管理中得到了廣泛應(yīng)用，其不僅具有流程簡單、啟動迅速的特點(diǎn)，而且整個保護(hù)功能易于實(shí)現(xiàn)，能有效地減少緊急事故的發(fā)生概率。在該工藝下，即便發(fā)生了泄漏問題，首先泄漏的物質(zhì)也是水，這延遲了丙烷泄漏噴出的時間，減少了丙烷的泄漏量，不僅為堵漏、倒罐等補(bǔ)救措施的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件，而且有效地保證了作業(yè)人員的安全性，實(shí)現(xiàn)安全隱患的有效控制。

注水管道要做好防凍工作，尤其在氣候寒冷的東北地區(qū)，應(yīng)重視主水管道的防寒防凍保護(hù)。常用的保護(hù)措施為：一方面，對管線進(jìn)行深埋處理，要求埋藏的管線處于冰凍層之下；另一方面，應(yīng)規(guī)范使用保溫伴熱措施進(jìn)行管線防凍保護(hù)。此外，在冬季時，應(yīng)盡量水管積水排空，避免造成積水結(jié)冰、堵塞等問題。

4 其他安全措施

要進(jìn)一步提升丙烷儲罐應(yīng)用的安全性，還應(yīng)重視以下措施應(yīng)用：(1)重視壓力表、溫度計等監(jiān)測設(shè)備的安裝，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和報警功能。(2)應(yīng)合注重緊急切斷閥的合理設(shè)置，確保在該閥門下，一旦發(fā)生事故后，能迅速的將事故儲罐和其他罐體相互分離。(3)為消除靜電對丙烷儲罐的影響，應(yīng)對所有罐體和管道做接地處理，并且應(yīng)法蘭和閥門應(yīng)用中，同樣需對其實(shí)施跨接處理。

注水法僅僅是在緊急泄漏事故發(fā)生狀態(tài)下爭取能夠有效控制事態(tài)演變更惡劣情況下的急救措施之一，因此企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計、采購、建造、施工、投產(chǎn)及運(yùn)行等各個環(huán)節(jié)的風(fēng)險管控，保證本質(zhì)安全設(shè)計，從源頭消滅各種危險源，定期對從業(yè)人員進(jìn)行安全培訓(xùn)以及消防應(yīng)急演練，避免危險事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

丙烷易燃易爆，儲罐泄漏后果研究波及范圍巨大，儲罐合理設(shè)計可以保證儲罐的本質(zhì)安全，在儲罐按安全系統(tǒng)設(shè)計中，注射系統(tǒng)是切實(shí)有效的保護(hù)方式之一，其能有效延遲丙烷泄漏噴出的時間，減少丙烷的泄漏量，這能為工程搶險工作的開展贏得時間，降低丙烷儲罐泄漏的危險，也為全壓力式液化烴儲罐防泄漏技術(shù)的提升提供技術(shù)保障。加強(qiáng)設(shè)計、制造、生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)的監(jiān)管，定期組織應(yīng)急演練，確保儲罐全生命周期的安全。