丙烷全壓力儲罐安全系統設計

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物，主要用于有機合成，可作生產乙烯和丙烯的原料或煉油工業中的溶劑，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%，點火能為0.31 MJ，閃點-10 ℃，在生產及儲存的過程中風險極高，一旦發生泄漏遇明火，引發火災進而引發蒸汽云爆炸(VCE)和沸騰液體蒸汽云爆炸(BLEVE)，產生的巨大壓力波，死亡半徑達上千米，造成人員傷亡，后果不堪設想。

2 丙烷儲罐設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。臥罐的優勢是成本低，靈活，一般應用在小型裝置中，滿足不同原料、中間體及產品的臨時儲存需求，比如LNG接收站IFV氣化器的中間介質儲罐采用臥式儲罐進行儲存。常溫丙烷儲罐操作溫度為常溫，罐內壓隨外界環境溫度的變化而變化，因此儲罐設計壓力必須要求能涵蓋建設地區所能達到最高溫度(或50 ℃取其高者)對應的飽和蒸氣壓，以確保儲罐安全不超壓。最低設計金屬溫度不得高于歷年來月平均最低氣溫的最低值。儲罐設計要滿足固容規及壓力容器要求，裝量系數不超過0.9，安全閥泄放量考慮可能發生事故工況下的最大泄放量，安全閥數量依據儲罐的運行操作狀態進行確定。根據安監局令，在既有工藝設備應用中，若設備可能造成一級或者二級重大危險，則應為其配置緊急停車系統，并且當這些設備在生產中會產生毒性氣體、液化氣體時，需為其配置安全儀表系統，產生劇毒液體的設備同樣如此。丙烷儲罐的布置需要滿足GB/T 37243—2019考慮與周邊設施及民眾的安全防護距離要求。

丙烷儲罐屬于壓力容器，發生泄漏主要是受壓元件發生失效造成。發生失效的主要原因分析如下：丙烷原料中含各種雜質會腐蝕儲罐，導致罐壁變薄發生穿孔泄漏；兩端閥門關閉的丙烷管道經過太陽暴曬，管道內的壓力會急劇升高，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；安裝質量劣；設備老化后震動；儲罐下排污管線無伴熱系統或伴熱系統失靈。泄漏主要發生在儲罐的罐體、罐底部連接管道及法蘭等應力集中部位[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散，這使得低洼處、下水道等區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，需要通過機械送風或噴霧水槍等措施進行驅散。注水防泄漏是丙烷儲罐常用的防泄漏措施，這是因為與液化氣相比，水的密度、質量明顯較大，而卻兩者具有不相溶性。在使用注水措施后，丙烷儲罐內會形成因一定的水墊層，這樣即使發生泄漏時，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，而且避免了火災爆炸、中毒等事故的發生。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險。GB 50160—2008 《石油化工企業設計防火規范》，SH/T 3007—2007 《石油化工儲運系統罐區設計規范》，Q/SH 0749—2018 《液化烴儲運工程技術標準》，API 2510—2019 《液化石油氣設備的設計及制造》均指出全壓力式液化烴儲罐應設計防止液化烴泄漏的注水措施。

3 注水系統安全設計

規范化的開展注水設施設計，能有效保證丙烷儲罐應用的安全性。在注水設施設計中，不僅要堅持安全、有效地原則，而且需保證新設計的注水設施具有較強可操作性。在注水點設計中，應將其設置在儲罐進口罐根閥和高高液位連鎖切斷閥之間，一旦儲罐發生泄漏，可迅速關閉切斷閥，打開注水管道，向儲罐內注水使儲罐內的丙烷液位升高，將泄漏點置于水位之下，可有效的防止液化石油氣泄漏，為修復泄漏點贏得寶貴時間和創造便利條件，從而避免更大事故的發生。

3.1 注水水源

注水水源可采用穩高壓消防水源，在消防管線接線中，要求管線甩頭靠近注水點，實現兩者的規范搭接，并且應重視管線甩頭和距物料管線注水連接點距離的有效控制，兩者的距離應保持在5以內。消防水系統設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具有較大關系。在實際注水中，只有克服系統阻力，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，此外在管道系統輸送液體是，工作人員還需要系統考慮摩阻壓力損失情況等。注水管路系統需要根據建設所在地的環境溫度設置減壓閥，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

實際注水中，不僅要考慮注入水量，而且要實現泄漏量的有效控制，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，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。

破損處泄漏面積通常考慮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，應盡量避免產生靜電問題。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用形態。在工程上，以2 000 m3為分界點，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實際計算過進行分析確定。

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行注水操作。

采用專用注水泵時，考慮到進水管口水壓不高的影響，在該部位閥門選擇中，多使用普通形態的截止閥們。而在出口管線設計中，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，均需要規范化的使用液化石油氣專用閥門。在注水、出水中，嚴禁壓力過高造成管線或儲罐損壞。與儲罐工作壓力相比，應確保水泵出口處的壓力略高，整體壓力應控制在0.1～0.3 MPa。在實際應用中，還需要重視注水系統安全性系數的有效設計，以此來實現注水泵設計壓力的有效控制。

采用工藝泵注水時，多通過半固定式連接的方式進行水源的鏈接處理，并且在連接時，應重視快裝接頭的有效鏈接，以此來實現快速注水控制；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備產品的規范使用。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，而后者需設置手動和自動兩種控制方式。在單向閥門安裝應用中，應選擇其前后位置，規范化的安裝壓力測量儀表，確保注水的安全性。此外，需依據工藝泵的流量特性曲線，重新復核注水工況下泵額運行情況，確保不超功率對泵造成損壞。

3.5 儲罐注水系統的特點

注水工藝在儲罐保護及安全管理中得到了廣泛應用，其不僅具有流程簡單、啟動迅速的特點，而且整個保護功能易于實現，能有效地減少緊急事故的發生概率。在該工藝下，即便發生了泄漏問題，首先泄漏的物質也是水，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、倒罐等補救措施的應用創造了有利條件，而且有效地保證了作業人員的安全性，實現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，應重視主水管道的防寒防凍保護。常用的保護措施為：一方面，對管線進行深埋處理，要求埋藏的管線處于冰凍層之下；另一方面，應規范使用保溫伴熱措施進行管線防凍保護。此外，在冬季時，應盡量水管積水排空，避免造成積水結冰、堵塞等問題。

4 其他安全措施

要進一步提升丙烷儲罐應用的安全性，還應重視以下措施應用：(1)重視壓力表、溫度計等監測設備的安裝，實現遠傳和報警功能。(2)應合注重緊急切斷閥的合理設置，確保在該閥門下，一旦發生事故后，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，應對所有罐體和管道做接地處理，并且應法蘭和閥門應用中，同樣需對其實施跨接處理。

注水法僅僅是在緊急泄漏事故發生狀態下爭取能夠有效控制事態演變更惡劣情況下的急救措施之一，因此企業應加強設計、采購、建造、施工、投產及運行等各個環節的風險管控，保證本質安全設計，從源頭消滅各種危險源，定期對從業人員進行安全培訓以及消防應急演練，避免危險事故的發生。

5 結語

丙烷易燃易爆，儲罐泄漏后果研究波及范圍巨大，儲罐合理設計可以保證儲罐的本質安全，在儲罐按安全系統設計中，注射系統是切實有效的保護方式之一，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的提升提供技術保障。加強設計、制造、生產等各個環節的監管，定期組織應急演練，確保儲罐全生命周期的安全。