大型LNG儲罐平臺防護要點探討

陳 毅，張鳳勝

(1 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2 陜西省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

近年來，隨著國內經(jīng)濟的發(fā)展，國內天然氣需求量不斷增加，LNG業(yè)務迅猛發(fā)展。同時，得益于進口LNG價格優(yōu)勢及運輸成本不斷走低的客觀條件，促使國內沿海城市大量LNG接收站的布局。而目前，LNG接收站中所設的LNG儲罐以預應力混凝土全容罐較為常見，但由于我國LNG業(yè)務發(fā)展較晚，國內技術標準體系還尚待進一步完善，行業(yè)內對于LNG儲罐水噴霧系統(tǒng)設計尚不統(tǒng)一，有必要結合實際工程項目經(jīng)驗進行研究探討。

1 防護對象

水噴霧系統(tǒng)一種通過供水設備供水向防護對象噴射水霧進行防護冷卻的系統(tǒng)，其主要利用水霧噴頭在一定的水壓下將水流分解成細小水霧滴進行防護冷卻的。從水霧噴頭噴出的霧狀水滴粒徑細小表面積很大遇火后迅速汽化帶走大量的熱量使燃燒表面迅速降溫燃燒體達到冷卻的目的[1]。設于LNG儲罐罐上的固定水噴霧系統(tǒng)主要由雨淋閥組、過濾器、管路系統(tǒng)及噴頭等組成[2]。

根據(jù)GB 51156-2015中第11.3.3條要求：“預應力混凝土全容罐的罐頂泵出口、儀表、閥門、安全閥平臺及檢修通道處應設置固定水噴霧系統(tǒng)”[3]。根據(jù)實際項目經(jīng)驗及需求，目前在預應力混凝土全容罐罐上所設的固定水噴霧系統(tǒng)通?？紤]的防護對象為：罐頂泵井平臺、設備接口儀表平臺、HCV檢修平臺、罐頂連廊、放空平臺及罐壁管帶支架等，如圖1所示。

而部分學者認為，在預應力混凝土全容罐罐上所設的固定水噴霧系統(tǒng)，還應考慮防護逃生直梯口以及罐壁所設的逃生斜梯。筆者認為，逃生直梯口及罐壁逃生斜梯可不設置固定水噴霧系統(tǒng)，緣由為：一般LNG儲罐上均設有電梯，正常情況下維檢修人員均可乘坐電梯通行。逃生直梯口及罐壁逃生斜梯僅作為事故應急狀態(tài)下的逃生通道，若在此通道口(內)設置固定水噴霧系統(tǒng)，水噴霧設施及其在事故時噴出的水霧或會妨礙應急逃生。

另，目前相關規(guī)范中未明確要求“罐壁管帶支架是否需要設置固定水噴霧系統(tǒng)”，但筆者認為，罐壁管廊帶的支架設置固定水噴霧系統(tǒng)是必要的。緣由為：結合近年來LNG儲罐火災事故經(jīng)驗，火災時對管道支架的影響較大。雖在設計中，罐壁管廊帶支架已考慮噴涂防火材料，但罐壁管廊帶支架是支撐LNG進出液管帶的重要設施，若此處設置固定水噴霧系統(tǒng)，則可協(xié)助冷卻管帶支架，防止管帶支架受火災影響變形甚至管帶坍塌，造成更為嚴重的后果。

2 供給強度

固定水噴霧系統(tǒng)通?？蛇_到三個特定目標，分別為暴露防護、燃燒控制和滅火[4]。但水噴霧并不能用來防護高壓射流火災(噴射火可以將水從被防護對象的表面分開，使水噴霧無效)。根據(jù)GB 51156-2015中第11.2.9條要求：“預應力混凝土全容罐罐頂?shù)墓潭ㄋ畤婌F系統(tǒng)，檢修通道處的供給強度不應小于10.2 L/min·m2，罐頂泵出口、儀表、閥門、安全閥平臺的供給強度不應小于10.2 L/min·m2”[3]。但本規(guī)范中未對LNG儲罐罐壁管廊帶支架處的供水強度作出明確要求，筆者認為，罐壁管廊帶支架設置固定水噴霧系統(tǒng)主要是為達到暴露防護(直接向被防護對象噴水，以防止由于防護對象加熱變形或可燃元件著火)而采取的防護冷卻，故參照API 2030的要求，罐壁管廊帶支架處的供給強度可取10.2 L/min·m2。

3 系統(tǒng)控制及響應

根據(jù)GB50219-2014的要求，固定水噴霧系統(tǒng)應具有自動控制、手動控制及應急機械啟動三種控制方式[2]。自動控制時，當LNG儲罐罐頂所設的火焰探測器探測到火災信號后，發(fā)出火災信號至火災報警控制盤，再經(jīng)火災報警控制盤發(fā)出的信號開啟固定水噴霧系統(tǒng)進水主管上所設的雨淋閥，從而開啟固定水噴霧系統(tǒng)并進行冷卻。手動控制時，經(jīng)人工確認火災后，通過設在在火災報警控制盤上的遠程手動按鈕，遠程手動開啟固定水噴霧系統(tǒng)進水主管上所設的雨淋閥。當采用應急機械啟動時，可通過人工手動就地開啟雨淋閥上所設的手動球閥，機械開啟雨淋閥，從而開啟固定水噴霧系統(tǒng)并進行冷卻。

在LNG儲罐罐上固定水噴霧系統(tǒng)設計中，通常以上三種控制方式均會考慮設置。但在固定水噴霧系統(tǒng)中，還有一個非常重要的要素——響應時間(自啟動系統(tǒng)供水設施起，至系統(tǒng)中最不利點水霧噴頭噴出水霧的時間[2])較容易被設計人員忽視。因LNG接收站中消防主管網(wǎng)較為龐大，通常主管網(wǎng)的總長度達4 km左右，故需要結合管網(wǎng)的布置考慮水流從消防泵出口流經(jīng)消防主管網(wǎng)，至LNG儲罐罐上固定水噴霧系統(tǒng)最不利噴頭的流經(jīng)時間，一般情況下需要通過水力計算分析，校核固定水噴霧系統(tǒng)響應時間是否滿足不大于120 s的要求。

4 設備材料類型選擇

通常LNG接收站地處沿海地區(qū)，在進行固定水噴霧系統(tǒng)設備及管材確定時，需要關注尤為重要的一點即為預防海洋環(huán)境中的鹽霧腐蝕。

管材類型選擇：目前，在進行固定水噴霧系統(tǒng)設計時，較小的管道考慮采用耐海洋環(huán)境鹽霧腐蝕的材料，如銅鎳合金管、不銹鋼管等。對于較大口徑的管道，為減少投資費用，采用鍍鋅管較為普遍。

雨淋閥材質選擇：筆者認為，雨淋閥在固定水噴霧系統(tǒng)中起著關鍵性作用，為保障固定水噴霧系統(tǒng)的可靠性，減少運行期維護費用，可采用耐海洋環(huán)境煙霧腐蝕的材料。如，主閥體采用鎳鋁青銅材質，主要的引壓管路采用不銹鋼或雙向不銹鋼材質。

噴頭類型的選擇：為達到防護冷卻效果，設于LNG儲罐上的水噴霧噴頭通常選擇中速水霧噴頭。中速水霧噴頭采用撞擊式使水流霧化，平均霧滴直徑為400～600 μm。

5 數(shù)字化設計

數(shù)字化設計是LNG儲罐罐上水噴霧系統(tǒng)安裝和運行維護的重要實施手段。LNG儲罐罐上水噴霧防護對象較多，且不規(guī)則，同時罐上設置的工藝管道及閥門較多，管線系統(tǒng)布置較為復雜。同時，水噴霧系統(tǒng)的管道布置需保證供水壓力均衡，且同平臺上所設各噴頭工作壓力的均衡[5]。只有通過三維數(shù)字化設計(如圖2所示)，才能達到精細化設計，滿足現(xiàn)場安裝條件，提高安裝工程效率，降低工程投資成本，方便運營維護的目的。

在進行數(shù)字化設計時，重點內容為梳理各材料規(guī)格及執(zhí)行的標準要求，必要時列出材料等級表，其內容包含：

(1)材料等級名稱、材料的設計參數(shù)；

(2)管道的管徑及壁厚，端面連接型式，材料種類，尺寸標準及及特殊要求；

(3)管件的名稱、管徑及設計壓力，端面連接型式，材料種類，尺寸標準及特殊要求；

(4)法蘭及盲板的管徑及壓力等級，端面連接型式，材料種類，尺寸標準及特殊要求；

(5)閥門的名稱及管徑，壓力等級，端面連接型式，結構型式，閥門的主要材質，尺寸標準，執(zhí)行機構類型及特殊要求；

(6)管道分支表等。

LNG儲罐罐上水噴霧管線系統(tǒng)模型搭建完畢后，需要借用三維數(shù)據(jù)平臺檢查管道的錯漏碰缺，若模型中存在碰撞，則應及時調配管道布置，避免安裝過程中的碰撞問題，方便后期施工圖安裝。同時，在數(shù)字化設計中，主要供水管道應盡量布置在便于運行期維護管理的位置；配水主管應盡量與水流方向一致且對稱布置，盡量減少配水支管長度，保證配水均勻。

另外，由于設于LNG儲罐罐上的水噴霧系統(tǒng)大多數(shù)為鍍鋅管道(除小管道采用耐海洋煙霧腐蝕材料外)，其采用法蘭連接方式較為常見，水噴霧系統(tǒng)模型搭建后，需要將單管圖提供給相應管道預制廠家進行預制，且經(jīng)預制并鍍鋅后的管道需運至現(xiàn)場根據(jù)單管圖安裝。故需要在三維數(shù)字化設計時應重視模型搭建的精細程度，考慮廠家預制及安裝方案，方可減少現(xiàn)場安裝返工。

6 結 論

LNG儲罐罐上所設的固定水噴霧系統(tǒng)較成品油儲罐、原油儲罐、液化烴儲罐的固定水噴霧系統(tǒng)復雜，在實際項目設計中，可借助相關模擬分析軟件及數(shù)字化建模軟件進行分析，不斷的總結積累，以便供同類項目借鑒參考、完善相關行業(yè)規(guī)范、推動行業(yè)技術進步。