淺談12 萬m3 混凝土全包容低溫丙烷儲罐的安全措施

陳義豐，王占麗，劉曉成，楊春亮，張波杰，張文學，于廣軍

（1.寧波金發新材料有限公司，浙江 寧波 315800；2.諾安實力可商品檢驗（寧波）有限公司，浙江 寧波 315040）

隨著越來越多丙烷脫氫裝置的投產，對原料低溫丙烷的需求日益增加，低溫儲存系統迅猛發展。因具有存儲容量大、安全性能高、維護成本低、使用壽命長等優點，低溫丙烷儲罐作為丙烷脫氫裝置的配套設施得以廣泛應用。

1 低溫儲罐的結構型式

低溫儲罐是專門用于儲存和輸送低溫液體的設施，可用于包括丙烷、乙烯、液氨、液化氣等物料的儲存。根據結構的不同，低溫儲罐分為單包容儲罐、雙包容儲罐和全包容儲罐[1-4]。

1.1 單包容儲罐

單包容罐是指單壁儲罐或者由內罐和外容器組成的儲罐，但只有內罐的設計和建造滿足儲存低溫物料的要求。其外容器（如需要）起固定和保護隔熱層的作用，不能容納內罐泄漏的低溫物料。通常這類儲罐周圍設置圍堰以容納泄漏出的液體。由于其結構特點，當內罐泄漏時，物料全部流入圍堰內，容易形成蒸氣云，安全性能低。適宜在遠離人口密集區，不容易遭受災害性破壞的地區使用，要求有較大的安全距離及占地面積。

1.2 雙包容儲罐

雙包容儲罐從設計和建造上使其內外罐都能夠單獨容納所儲存的低溫物料的雙層儲罐。其內罐用于儲存低溫物料，外罐罐頂是不封閉的，僅能盛裝從內罐泄漏出的低溫液體，泄漏液體所產生的蒸發氣體將從外罐頂部逸出。為盡可能地縮小罐內泄漏液體形成液池的范圍，外罐與內罐之間的距離一般不大于6 m。雙包容儲罐安全性能比單包容儲罐高，不需要設置防火堤，但需要較大的安全防護距離。

1.3 全包容儲罐

全包容儲罐是從設計和建造上使其內外罐都能單獨容納所儲存的低溫物料的雙層儲罐。其外罐與內罐之間的距離在1～2 m 之間。內罐用于儲存低溫物料，外罐不僅能盛裝從內罐泄漏出的低溫液體，且能夠儲存由泄漏液體所產生的蒸發氣體，能夠控制蒸發氣體按照預定計劃安全排放。全包容儲罐目前可分為四種典型形式：第一種是內罐、外罐壁及外罐穹頂均為金屬；第二種是內罐及外罐穹頂為金屬，外罐壁為混凝土；第三種是內罐為金屬，外罐壁及外罐穹頂為混凝土；第四種是內、外罐壁及外罐穹頂均為混凝土。低溫儲罐的特征見表1。

表1 低溫儲罐的特征

全包容式混凝土罐具有混凝土外罐和穹頂，可以承受外來飛行物體的打擊和熱輻射，對于周圍的火險具有良好的耐受性。一旦事故發生，仍然可以輸送物料，直至設備停車。由于全包容式混凝土罐具有抗外部風險能力強，承壓能力高、后期維護費用低、安全性高、儲存量大等優點，近十年來在大型低溫儲罐，特別是5 萬m3以上的低溫存儲裝置中得到越來越多的應用。從占地面積、安全性能、經濟性及目前的技術發展等方面考慮，丙烷脫氫裝置配套的低溫丙烷罐均選擇內罐為金屬、外罐壁及外罐穹頂為預應力混凝土形式的全包容儲罐。

2 低溫丙烷儲罐的工藝流程

本文以某企業12 萬m3混凝土全包容低溫丙烷儲罐為例，該設施為下游60 萬t/a 的丙烷脫氫裝置提供原料。低溫丙烷儲罐主要功能是對低溫丙烷進行儲存及輸送，可將儲存的低溫丙烷輸出至下游裝置。主要包括丙烷卸船系統、儲存系統、丙烷蒸發氣處理系統及丙烷外輸系統。低溫丙烷運輸船到達碼頭后，通過液相卸船臂和卸料管線，借助船上卸料泵將丙烷送進丙烷儲罐內。卸料期間，由于外界能量的輸入，儲罐內將產生蒸發氣，這些蒸發氣體通過壓縮機升壓，然后經過換熱再液化后返回儲罐。儲罐內的液相丙烷輸出至下游丙烷脫氫裝置。工藝流程示意圖見圖1。

圖1 低溫丙烷儲罐工藝流程示意圖

低溫丙烷儲罐內罐采用經熱處理的碳錳硅鋼板（A537CL2），外罐采用預應力混凝土材料，有效容積為12 萬m3，設計壓力為-0.49 kPa～29 kPa（表壓），設計溫度為-48 ℃～60 ℃。儲罐操作壓力為7 kPa～25 kPa（表壓），通過BOG 壓縮機抽出受熱產生的蒸發氣體以維持壓力的穩定，抽出的氣體再液化后送回罐內。在發生事故工況下，儲罐的安全閥超壓排放、BOG 壓縮機安全閥的超壓排放等氣體排入火炬系統進行安全處理。保冷系統包括罐底保冷系統、罐壁保冷系統、吊頂板保冷系統及接管保冷系統。罐底保冷系統包括支撐環梁部分和罐底保冷層部分。由找平層、泡沫玻璃絕熱層以及瀝青氈中間層組成。混凝土外罐壁和內罐壁之間的環形空間填充膨脹珍珠巖粉末，內罐壁外側包裹彈性氈，鋪設在內罐壁外側的彈性氈使環形空間在填充珍珠巖后有足夠的體積補償。位于內罐之上的吊頂板上鋪有玻璃纖維棉，用于減少罐頂的冷量損失。儲罐保冷系統設計使得儲罐的最大蒸發率滿足日最大蒸發量不超過儲罐容量0.03 wt%的要求，同時滿足外罐最低設計溫度，避免外壁結露和基礎土壤凍結。為了防止罐底土壤結冰，低溫丙烷儲罐混凝土基礎采用了電伴熱系統。為減少丙烷泄漏，罐內所有物料進出管道及儀表接管均從罐體頂部連接。丙烷儲罐安裝了壓力、溫度和液位測量設施。

3 低溫丙烷儲罐主要危險性分析

根據《危險化學品目錄（2015 版）》，低溫丙烷儲罐儲存、輸送的物料丙烷為危險化學品，屬于甲類火災危險物質，一旦泄漏與空氣接觸，形成爆炸混合氣體，遇點火源可能發生火災爆炸事故。12 萬m3低溫丙烷儲罐最大儲存量為63500 t丙烷，根據TNT（炸藥，三硝基甲苯）當量計算公式[5]：

式（1）中：WTNT為物質爆炸的TNT 當量，kg；a為地面爆炸系數，取1.8；A 為蒸氣云的TNT 當量系數，取0.04；Wf為爆炸物料的質量，kg；Qf為爆炸物料的燃燒熱，kJ/kg，丙烷的燃燒熱Qf為50404.55 kJ/kg；QTNT為TNT 的燃燒熱，一般取4500 kJ/kg。

通過計算得出63500 t 丙烷TNT 當量為51211 t，一旦發生火災爆炸事故，后果是難以設想的，這就對安全、消防等方面提出了非常嚴的要求。

按照《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218—2018），丙烷臨界量為10 t，12 萬m3低溫丙烷儲罐最大儲存量為63500 t，遠遠超過臨界量[6]。根據重大危險源分級指標計算公式：

式（2）中：q1、q2……qn為每種危險化學品實際存在量，t；Q1、Q2……Qn為與各危險化學品相對應的臨界量，t。

丙烷校正系數β 取1.5，根據廠區邊界向外擴展500 m 范圍內常住人口數量超過100 人，廠外暴露人員校正系數α 值取2，通過計算得R 值為19050，遠遠超過100，低溫丙烷儲罐構成一級危險化學品重大危險源。

低溫丙烷儲罐構成一級危險化學品重大危險源，儲存大量的甲類火災危險物質，一旦泄漏與空氣接觸，形成爆炸性混合氣體，遇點火源可能發生后果難以設想的火災爆炸事故。需要在可能發生的泄漏以及可能產生的點火源方面采取相應的安全措施。

發生丙烷泄漏的原因主要有三個方面：一是因設計不合理、選型不當、材質低劣或質量不合格、施工焊接質量差、法蘭密封不良或管道連接處不牢固等質量缺陷引起的泄漏；二是人員違章作業造成管道超壓泄漏、人員未監護導致丙烷卸船過程中發生超壓溢出、操作人員未按規定時間巡檢未能發現異常狀況進而造成泄漏等由人的不安全行為引起的泄漏；三是地基沉降導致管道斷裂、地震等自然災害對儲罐造成破壞、環境腐蝕引起管道減薄穿孔等由于環境因素導致的泄漏。

本項目儲存運輸過程中可能產生的點火源有：一是設備設施檢修過程中的焊接、切割作業，若違章動火，或防護措施不當，易引發火災爆炸事故；二是丙烷輸送過程中因流動摩擦而產生的靜電，若管路系統未做好防靜電措施，會造成靜電聚集，形成靜電場，隨著電位升高發生放電產生電火花，或者操作人員違規穿易產生靜電的衣服、鞋時，在工作中產生摩擦而帶上能引起爆炸、火災事故的高電位的靜電；三是當電氣設備設施存在缺陷（如不防爆、未采取接零和漏電保護措施等）、發生故障（如超負荷、短路等）或操作不當時，有可能產生電火花和電弧引燃可燃物質進而發生火災爆炸事故；四是卸船臂等設施的防雷設施不完善，可能在雷雨天因雷擊引發火災爆炸事故；五是使用的工具不當，使用金屬工具與設備設施發生摩擦或撞擊而產生的火花；六是現場吸煙，或人為縱火等違規行為引起火災爆炸事故。

4 低溫丙烷儲罐采取的安全措施

4.1 總平面布置

低溫丙烷儲罐的設備設施及建筑物、構筑物的平面布置遵守《石油化工企業設計防火規范》（GB 50160—2008（2018 年版））和《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014（2018 年版））關于防火間距的要求。同類設備集中布置，便于安全生產和檢修需求，實現本質安全。豎向設計時考慮工藝生產需要，保證場地排水順暢。結合地形現狀，充分利用地形地勢，減少土石方量。道路布置滿足生產、運輸、安裝、檢修、消防的要求。

4.2 工藝及機電儀安全

工藝、設備、電氣、自控儀表等方面采取一系列的防泄漏、防火、防爆等措施：

（1）丙烷儲罐選用安全、可靠的混凝土全容罐，內罐材料采用碳錳硅鋼板（A537CL2），外罐材料是預應力混凝土，內罐破裂后，混凝土外罐能夠容納所有泄漏的丙烷。且外罐機械強度高，抵御外界的沖擊力強，安全性高。為減少丙烷泄漏，罐內所有物料進出管道及儀表接管均從罐體頂部連接。

（2）儲罐、管道及閥門根據物料特性和工藝條件進行選材。采用密封性能良好的泵、閥門等設備和配件。儲罐、管道及閥門的設計、制造、檢驗符合相關規范的要求。

（3）采取必要的安全報警及聯鎖設施，防止工藝參數超過設計安全值引發的火災爆炸事故。

（4）丙烷BOG 壓縮機設有冷凝器，長期運行由于振動、腐蝕、制造缺陷等原因可能造成丙烷內漏竄至循環水，存在安全風險。循環水站冷卻水塔頂部風機處設置可燃氣體泄漏檢測報警系統，并且水壓試驗的耐壓試驗壓力為設計壓力的1.25 倍，降低內漏幾率。

（5）采用分散型控制系統（DCS）及安全儀表系統（SIS）對儲罐和輸送系統的溫度、壓力、流量等實施監控、報警聯鎖和自動切斷，確保裝置高效、連續、可靠、安全地運行。SIS 獨立于DCS 系統設置，采用通訊方式將信號單向傳送給DCS 進行數據共享。并設置可燃/有毒氣體報警系統（GDS）和視頻監控系統等，可燃/有毒氣體檢測信號進入獨立的GDS 系統。

（6）低溫儲罐在進料總管、泵的輸出總管上設有緊急切斷閥，可在緊急情況時隔離儲罐與進料管線及外輸管線。緊急切斷閥的氣動執行機構設置易熔塞，當溫度達到易熔塞熔點時，壓力泄放，閥門關閉。氣動閥在故障時，閥門處于關位置。

（7）設置安全閥保證卸船線的使用安全。儲罐設置火炬，儲罐超壓、開停車及事故工況產生的可燃氣體排入火炬系統燃燒后排放。

（8）根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》的要求，劃分爆炸火災危險區域，在防爆區域內使用相應防爆等級的防爆產品。

（9）結合當地自然條件及物料的特性，設備及管道選用合適的防腐涂層及防腐技術。

（10）預應力混凝土外罐設計時考慮地震、臺風荷載和爆炸、火災等荷載工況，設計時以罐體穩定性及不滲漏為原則，保證罐體在開裂時仍可以承受一定的壓力。

（11）當部分用電負荷中斷供電后可能造成人員傷亡、重大設備損壞、發生爆炸和火災事故等，此類用電負荷如儀表DCS、火災報警系統等為一級負荷中特別重要負荷（即保安負荷），其它輔助設施為三級負荷。

（12）現場控制室的儀表及控制系統采用兩路UPS，一路GPS 電源。

（13）設置火災報警系統、工業電視監控系統及應急廣播系統。

（14）建筑物、構筑物的防雷、接地設計按《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）和《石油化工裝置防雷設計規范》（GB 50650—2011）執行。

（15）生產場所與作業地點的緊急通道和緊急出入口設置應急照明。

（16）按《石油化工企業設計防火標準》要求進行鋼結構耐火保護設計。根據各單元的耐火等級要求，選用相應厚度并能適用于烴類火災的防火涂料。涂有防火保護層的構件，其耐火極限不應低于2 h。

（17）按照《化工建設項目安全設計管理導則》(AQ/T 3033—2022)的要求，在基礎設計階段開展危險與可操作性研究（HAZOP）分析，在設計中針對HAZOP 分析報告提出的建議措施得到有效落實。

4.3 事故應急措施

（1）設置完整的消防水系統。消防供水量、水壓及消防水池有效容積滿足低溫儲罐消防設計要求。設有穩高壓消防冷卻水給水管網，消防冷卻水主管成環狀布置，埋地敷設，每隔40～60 m設置消火栓和消防炮。消火栓附近設置消火栓箱，消火栓箱內設置適宜的消防水帶和水槍等。根據《石油化工企業設計防火標準》要求，全包容低溫丙烷儲罐設置固定式水噴霧冷卻系統。對罐頂管道進出口等局部危險處設置水噴霧系統，固定水噴淋由雨淋閥組控制，當探測器報警并經人工確認后，通過消防控制室控制盤或現場手動開啟雨淋閥組（固定水噴淋）。雨淋閥組布置位置與所保護儲罐距離不小于15 m。

（2）在低溫罐區、變配電室、雨淋閥室配置手提式或推車式干粉滅火器，以利于撲滅初起火災。

（3）為達到快速、自救的目的，公司配有消防車，成立專職消防隊。同時公司設置有氣防站，配有器材室、休息室、維修間、充氣室、車庫等。氣防站配備監護型氣防救護車1 輛，車上備用便攜式心肺復蘇機、醫用氧氣瓶、急救藥箱、擔架、空氣呼吸器、防毒面具、防化服等應急器材。氣防救護車在突發事件情況下可對傷者進行救護，并以最快的速度送至協議醫院進行救治。

（4）公司設置有較為完善的安全生產管理組織機構，制定較為完善的安全管理制度及操作規程。建立應急指揮部，指揮協調事故現場的應急處置與救援行動。制定事故應急預案，配備應急救援人員和應急救援物資、器材、設備，定期組織應急救援演練。

5 結語

針對低溫丙烷儲罐儲存大量的甲類火災危險物質，固有風險大，一旦發生火災爆炸事故，后果難以設想。對低溫丙烷儲罐采取了一系列切實可行的安全措施，以期降低儲罐的火災爆炸危險性，提高儲罐的本質安全。同時企業貫徹執行國家“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全方針，加強安全管理，確保各項安全措施有效落實，保證低溫丙烷儲罐安全穩定運行。