危化品覆土罐的設(shè)計優(yōu)化

＊鄒雄 劉紀(jì)昌 劉振學(xué) 濮鑫 韓鑫 葉磊 馬韻升?

（1.山東京博控股基團有限公司 山東 256500 2.華東理工大學(xué)化工學(xué)院 上海 200237）

危化品儲罐泄漏、爆炸等事故給煉廠的安全生產(chǎn)帶來了大量的不穩(wěn)定因素。此外，危化品儲罐在使用過程中出現(xiàn)裂紋或者受到外力損傷都會給儲罐帶來極大的安全隱患。隨著企業(yè)安全、環(huán)保等意識的增強，為了減少危化品儲罐的使用風(fēng)險，研究人員提出覆土罐設(shè)計思路。覆土罐是一種罐體位于地面之下，罐體上用土覆蓋的儲罐。覆土罐與地上罐相比，覆土式儲罐擁有更高的安全性和操作穩(wěn)定性，避免了蒸汽云爆炸的發(fā)生，具有保護罐體避免其他破壞的損害，如臨近熱源的破壞，爆炸沖擊波的破壞，飛濺物體的破壞，真正實現(xiàn)設(shè)備本質(zhì)化的安全性[1-2]。覆土式儲罐，在降低大氣溫度變化和周圍環(huán)境影響的同時，也能使液化烴等危化品在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，運行和生產(chǎn)更加穩(wěn)定。此外，危化品儲罐覆土后可以在一定程度上減少土地使用面積，減少消防設(shè)計投入，降低整體工程造價[3-4]。

我國危化品覆土罐的設(shè)計和應(yīng)用還處于起步階段，相關(guān)的設(shè)計和使用經(jīng)驗比較缺乏且尚未形成統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范。本文以覆土丙烷儲罐為例對危化品覆土罐的設(shè)計進行優(yōu)化，為覆土罐技術(shù)提供基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)。

1.危化品覆土罐設(shè)計要點

由于目前還沒有針對覆土罐設(shè)計的統(tǒng)一規(guī)范，本文根據(jù)EEMUA 190—2017[5]和ASME Section Ⅷ—2019[6]確定覆土儲罐設(shè)計的要點。覆土罐體最大容積為3500m3，在厚度小于1m，覆土中小于0.063mm，顆粒質(zhì)量小于10%，有機質(zhì)含量小于3%的條件下，覆土厚度至少0.5m，應(yīng)避免施工設(shè)備作業(yè)；多個儲罐同時擺放時，儲罐要有1m以上、8m以下的間隔；覆土罐體至少要達到25年以上的設(shè)計壽命。

2.設(shè)計參數(shù)的選擇

(1)設(shè)計容量

單個儲罐公稱容積為2000m3。

(2)設(shè)計溫度

罐體設(shè)計位置在工作溫度范圍-20℃至40℃的山東博興縣，貯存介質(zhì)為易燃易爆氣體。查詢氣相數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計溫度最高為50℃，最低為-25℃。50℃下丙烷的飽和蒸汽壓為P=1.6MPa，取最高工作壓力PW=1.6MPa。

(3)設(shè)計壓力

設(shè)計壓力通常需要由設(shè)計溫度確定，根據(jù)設(shè)計壓力可以確定儲罐壁厚。通常把設(shè)計壓力取到與最高運行壓力相當(dāng)或略高的位置。覆土式罐體在地下覆蓋沙土，無外部絕熱層，罐體運行溫度受環(huán)境溫度影響。操作上有較大的壓力，同時氣溫較高。在同一地區(qū)，覆土罐由于被覆土層包覆，其周邊的溫度均低于地面罐，因此設(shè)計壓力也可以比地面罐設(shè)當(dāng)降低。所以覆土罐的壁厚計算也比地上罐要薄一些，這樣既能節(jié)約原料，又能減少制造費用。

由《固定式壓力容器安全基數(shù)監(jiān)察規(guī)程》可知，丙烷儲罐設(shè)計壓力應(yīng)由規(guī)定溫度下的丙烷工作壓力確定。常溫儲存50℃丙烷的飽和蒸汽壓為1.6MPa。再由《石化鋼制壓力容器》規(guī)定可知，工作壓力低于1.8MPa時，設(shè)計壓力為工作壓力加上0.18MPa。綜上所述，確定丙烷儲罐的設(shè)計壓力為1.78MPa。

(4)腐蝕裕量

丙烷罐介質(zhì)是一種輕度腐蝕介質(zhì)，設(shè)計使用年限為20年，按照平均不大于0.1mm/a的腐蝕速率來考慮，則設(shè)定了2mm的腐蝕裕量。

(5)裝量系數(shù)

根據(jù)《固定壓力容器安全基數(shù)監(jiān)管規(guī)定》3.13條取丙烷儲罐的裝量系數(shù)為0.9，小于0.95的最大規(guī)定量。

3.覆土丙烷儲罐的優(yōu)化設(shè)計

(1)覆土丙烷儲罐的載荷計算

覆土式罐體四周堆滿細沙，罐體在承受介質(zhì)內(nèi)壓和物料質(zhì)量作用的同時，還要承受罐體四周混合土對罐體施加的外來壓力，故與地上儲罐相比，覆土儲罐的耐受力更強。

①儲罐自重載荷。儲罐自重載荷為Q1：

式中，R為儲罐半徑，m；t為儲罐厚度，m；γm為每立方米罐體的重量，kN/m3；L為罐體長度，m；W為加強圈重量，kN。

②儲罐裝載液體載荷。儲罐裝載液體載荷為Q2：

式中，γ1為每立方米丙烷的重量，kN/m3。

③覆土層帶來的罐體受壓計算。罐體上由于有覆土層，將給筒體和支座的造成負荷增大，使筒體承受外部的壓力[3,7]，覆土罐的示意圖見圖1，地表層到覆土罐中心的距離為H，覆土罐的直徑為R，覆土層的豎直壓力為q0，在角度θ處的壓力為qθ。

覆土層對罐體的壓力Q3可以由公式（3）計算：

式中，γS為覆土層密度，kN/m3；H為覆土罐中線到覆土層上表面的距離，m；R為覆土罐的外徑，m；l為兩個加強圈之間的距離，m。

作用在覆土罐的徑向壓力q0可以由式（4）計算：

在角度θ處的壓力qθ可以由式（5）計算。

θ=0處，覆土罐受到的壓力最大。

圖1 覆土層對罐體的壓力示意圖

(2)覆土丙烷儲罐的機械設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計

①機械設(shè)計

②結(jié)構(gòu)設(shè)計

A.液柱靜壓力

由于設(shè)計的為子彈罐，根據(jù)D=8600mm，所以液位最大高度為hmax≤D=8600mm。

所以：最大靜壓力為：P=ρgh=499×9.8×8.6=42.055kPa。

則P靜可以忽略不記。

B.圓筒厚度的設(shè)計

存儲溫度應(yīng)在-20～40℃之間，并考慮最大工作壓力等條件，根據(jù)介質(zhì)具有易燃、易爆、有毒和一定腐蝕性等特點。我們根據(jù)1998版GB 150標(biāo)準(zhǔn)，選用了材料強度為[σ]t=189MPa的低合金鋼Q345R（鋼標(biāo)準(zhǔn)為GB 6654）。罐體厚度根據(jù)式（7）計算。

因為低碳鋼和低合金鋼的要求是大于等于1mm的腐蝕裕度C1，所以選擇C1的數(shù)值是2mm。

壓力容器的負偏差由GB 3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》確定，通常Q345R鋼板取負偏差C2=0.30mm。所以罐體的厚度為設(shè)計厚度、腐蝕余量和負偏差三種之和，δn=42.98，圓整后，δn=43mm。

(3)橢圓封頭厚度的設(shè)計

封頭材質(zhì)的選用與筒身設(shè)計一致，均采用Q345R材質(zhì)，以保證焊接工藝的質(zhì)量。

同理，選取C1=2mm，C2=0.3mm。

則：δn=42.89mm

圓整后取名義厚度為：δn=43mm。

(4)覆土丙烷儲罐區(qū)布置設(shè)計

①周轉(zhuǎn)率法確定罐體容量

式中，VS表示某一油品以立方米為單位設(shè)計的總罐容；K是表示某一種油品的年周轉(zhuǎn)系數(shù)的一個常量，我們?nèi)值為15；ρ是丙烷密度，T/m3；G是丙烷的年銷量，T/a；η為油品利用系數(shù)，取值0.95。

對于丙烷，假設(shè)年銷售為10萬噸：

G=100000T/a ρ=0.499T/m3K=15 η=0.95

所以覆土罐區(qū)至少需要8個2000m3的丙烷儲罐，本設(shè)計覆土罐區(qū)布置10個2000m3的丙烷儲罐。

②丙烷儲罐布置

根據(jù)《油庫設(shè)計規(guī)范》，油罐防火間距參考表1。

表1 油罐之間的防火距離參照

由于沒有針對覆土罐的安全距離標(biāo)準(zhǔn)，本文從以下幾個方面優(yōu)化設(shè)計。

A.EEMUA 190—2017規(guī)定覆土儲罐之間的間距需要大于1m，可以小于8m。

B.《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》中關(guān)于埋地儲罐之間的間距規(guī)定防火距離可以較常規(guī)減少50%。

C.車用LPG加氣站的LPG采用的是埋藏式罐體，LPG中丙烷含量在80%以上，因此參照GB 50156—2012《施工規(guī)范》中車用加氣站設(shè)計要求，罐體間距不應(yīng)小于2m。

本設(shè)計中D=8600mm，0.4D=3440mm，故取覆土式丙烷儲罐之間的距離為3.5m，該取值滿足上述三點規(guī)范要求。

③丙烷輸送泵

因為丙烷容易汽化，所以可以選擇逆循環(huán)式屏蔽泵作為輸送泵。

④丙烷壓縮機

丙烷壓氣機采用LPG壓氣機，其結(jié)構(gòu)為風(fēng)冷無油潤滑往復(fù)活塞式，由HEPA濾清器、管道系統(tǒng)、隔爆馬達、氣體分離器、二位四通閥等組成。保護系統(tǒng)包括安全閥、切斷閥和浮子。丙烷槽車、槽船裝卸，丙烷裝瓶、倒罐作業(yè)，以及余氣、殘液回收等均可實現(xiàn)。

⑤防爆要求

由于丙烷的分別達到IIA，引燃溫度組別達到由T2，所以根據(jù)《可燃氣體或蒸汽爆炸混合物分級及組分》的規(guī)定，在丙烷罐區(qū)內(nèi)，應(yīng)根據(jù)以上等級、組別選擇全部防爆電器設(shè)備。

(4)覆土罐消防設(shè)計

該油庫設(shè)計共有10個儲罐，總?cè)萘縏V=20000m3，根據(jù)GB 50160—2008《石油庫防火設(shè)計規(guī)范》，對于10000m3≤TV＜30000m3的油庫屬于三級油庫。

①泡沫滅火系統(tǒng)。本設(shè)計泡沫泵、混合器、泡沫發(fā)生器和消防栓等的配置主要根據(jù)GB 50160—2008《石油庫防火設(shè)計規(guī)范》確定。

A.覆土罐區(qū)滅火泡沫液的用量計算

查《石油庫防火設(shè)計規(guī)范》，泡沫的總用量由式（9）計算：

式中，W表示一次性滅火泡沫混合液，L；W1表示規(guī)定時間內(nèi)罐體滅火設(shè)備的泡沫用量，L；W2表示油罐流散油液體時在規(guī)定時間內(nèi)滅火需要的泡沫量，L；W3表示消防管道最大持液量，L。

B.泡沫液滅火最小儲備水量計算

通過式（10）可以計算出泡沫滅火系統(tǒng)所需的最小儲水量。

C.壓力式比例混合裝置

采用了PHZY3/100/60壓泡比例混合裝置進行設(shè)計。本設(shè)計包括泡沫儲存罐、膠囊、壓力比例混合器、安全閥、控制閥及部分輔件等。滅火原理為消防水經(jīng)過設(shè)備時，壓力比例混合器將一部分水分流到膠囊的泡沫液儲罐夾層，這部分水?dāng)D壓膠囊，使得部分泡沫進入主管道與消防水混合，然后進入泡沫發(fā)生器，達到快速滅火的目的。

泡沫儲罐的體積V可以根據(jù)《油庫設(shè)計與管理》計算：

V=1.1WK

泡沫液的流量為：

泡沫液的設(shè)計流量為：

以上泡沫混合液用量和泡沫液滅火系統(tǒng)用水最小儲備量的計算準(zhǔn)則為《石油庫防火設(shè)計規(guī)范》，但是覆土罐的罐體位于地面之下，儲罐上方被覆土層包覆，可以有效與外界隔離，儲罐的安全性更高，火災(zāi)產(chǎn)生的風(fēng)險比地面儲罐更低。故根據(jù)《石油庫防火設(shè)計規(guī)范》進行覆土罐消防設(shè)計可以高標(biāo)準(zhǔn)配置消防設(shè)施。

4.結(jié)論

本文以2000m3覆土丙烷儲罐設(shè)計為例，完成了覆土儲罐載荷計算，機械和結(jié)構(gòu)設(shè)計，罐區(qū)布置，裝卸設(shè)計以及消防設(shè)計。

覆土罐與地面儲罐相比，設(shè)計時需要考慮覆土層的載荷，本設(shè)計確定丙烷儲罐的設(shè)計壓力為1.78MPa，腐蝕裕量為2mm，直徑為8600mm。確定了罐體材料為厚度為43mm的Q345R，覆土式丙烷儲罐之間的距離為3.5m。較地面儲罐相比，覆土罐間距縮短，罐區(qū)占地較小，但具有更高的安全性。