液化烴球形儲罐配管的設計分析

王秀珍 (中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026)

0 引言

液化烴為在15 ℃時，蒸氣壓大于0.1 MPa 的烴類液體及其他類似的液體[1]，屬于甲A 類火災危險性物質。液化烴屬于多組分混合物，成分一般包括：甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丁烷，及其他碳氫化合物，還包括微量的硫化合物。液化烴儲罐多為大型全壓力式球形儲罐。與其他類型的壓力容器比較，球罐有許多突出的優勢。比如在相同工作壓力、相同容量的情況下，球罐比圓筒形壓力容器具有表面積小，需要的鋼板厚度更薄，因此球罐耗鋼量更少、質量更輕。除此之外，球罐還有易于大型化，占地面積較小、方便檢修和操作、受風面積小、基礎簡單等優點。

1 液化烴球罐的設備布置

全壓力式液化烴儲罐破裂時，罐內液態液化氣會因罐內壓力的急劇下降而立即氣化成大量氣體，繼而降至地面向四周擴散。所以，全壓力式液化石油氣儲罐一旦發生泄漏，危險性高，危害性大。因此，提升液化烴儲罐的安全系數、降低罐區的事故發生率是每一項工程中的重要任務，科學、規范的設計亦顯得尤為重要。

1.1 罐區的位置選取

液化烴屬于易燃易爆物質，而罐區因儲存大，會對企業的生產安全、工作人員的生命安全及自然環境構成極大地威脅。因此，液化烴罐區的選擇需充分考慮當地地形地質條件及氣候影響，宜布置在工廠的邊緣地帶，且在站場常年最小頻率風向的上風側，并應避開不良通風或窩風地段，保證罐區通風性良好，防止液化烴泄漏時氣相在地面積聚，以減少儲罐及其附屬設備漏氣擴散發生事故時對其他建筑物的危害。

1.2 設備布置要求

液化烴儲罐應成組布置，每組儲罐的布置不應超過兩排，全壓力式儲罐的個數應不多于12 個。罐區內液化烴球罐的布置在滿足工藝流程的要求的情況下，還應滿足防火規范對儲罐間距的規定。不同規范間規定略有偏差，本著安全第一的原則，罐組內球罐與球罐的間距應不小于相鄰球罐中較大罐的直徑。分組布置的罐區，相鄰罐組間的防火間距(罐壁至罐壁)不應小于20 m。

在實際的設計工作中，若條件允許，適當增大球罐之間的間距是很有必要的。內安監管三字〔2014〕104號就規定，因區內化工生產經營單位用地相對寬裕，地上立式儲罐之間的距離，不小于現行國家、行業有關標準規范規定下限的兩倍；與球罐等壓力儲罐間的距離，不小于相鄰兩者其直徑或高度中的較大值。

1.3 防護墻的設置

GB 50351 《儲罐區防火堤設計規范》中對防火堤、防護墻的定義做了明確的規定，防火堤是防止液體外流、火災蔓延的構筑物，用于常壓易燃以及可燃液體的儲罐組、常壓條件下通過低溫使物質由氣態變成液態的儲罐組或其他液態危險品儲罐組；防護墻則是防止下沉氣體外溢的構筑物，用于常溫條件下通過加壓使物質由氣態變成液態的儲罐組。根據規范的規定，液化烴球罐區應設置防護墻。

全壓力式液化烴球罐周圍宜設置高度不低于0.6 m的不燃燒體防護墻，根據現行國家標準《爆炸危險場所電力裝置設計規范》核實規定，液化石油氣泄漏時0.6 m 以上高度為安全區。同時考慮罐組內良好的通風性，防護墻高度不宜過高。

防護墻內隔墻的設置應根據規范要求而定，隔墻內所有儲罐容積之和不宜大于8 000 m3，單罐容量大于或等于5 000 m3時應建單罐單堤。但按照安監總管三〔2014〕68 號的要求，可燃液體儲罐的防火堤或防火隔堤要按單罐單堤的要求進行設置。因此工程設計中，液化烴罐區通常按單罐單堤進行隔墻的設計，隔墻的高度宜為0.3 m。

1.4 球罐頂部平臺的設置

為使球罐頂部平臺面積最大化，可在球罐頂部設圓形平臺，平臺尺寸根據罐頂管線安裝需求及機制專業球罐設計要求確定。為保證每個球罐頂平臺有兩個處于不同方位的逃生梯，相鄰球罐間設聯合平臺，靠邊的球罐上增設逃生斜梯或旋梯。

2 液化烴球罐的管道布置

2.1 液化烴儲罐進出口管線安裝

根據規定，與球罐連接的管線應采用撓性連接方式[2]，管線安裝盡量采用管線自然補償方式，以減少球罐泄漏危險。

球罐物料出口管線即泵入口管線除考慮撓性連接外，還需充分考慮裝車泵的需求。液化烴密度小、飽和蒸氣壓高，液化烴泵極易產生氣蝕問題，因此管出口管線盡可能縮短管路，減少彎管，以減少泵前管路上的流動損失，進而滿足泵的有效汽蝕余量(NPSHa)。且泵入口管線應采取“步步低”安裝方式，避免“氣袋”的產生。根據以上要求確定罐出口管線的安裝高度，同時綜合考慮通風等因素，確定液化烴球罐的設備安裝高度。

罐區內的液化烴管道通常地上敷設，地上敷設一般有兩種安裝方式，一是沿地面低支架敷設，二是沿管廊高支架敷設，兩種方式安裝的管道均不得環繞液化烴儲罐。

2.2 注水管線的安裝

生產實踐證明：當儲罐長期使用時，儲罐底板、焊縫會因腐蝕穿孔或法蘭墊片處發生泄漏，此時向儲罐內注水抬高液化烴液面，將泄漏點置于注水面以下，可有效防止液化烴的泄漏。因此，全壓力式液化烴儲罐應采取注水措施以防止液化烴的泄漏。

液化烴球罐的注水措施采用物料管線輔助的方式，球罐底部的注水管線連接在物料管道上。注水管線的布置應以安全、快速、方便人員操作為原則，宜采用半固定注水方式，需要注水時連接快速接頭，迅速實現有效注水。

根據相關要求，罐區的應急救援水力管道系統的手動閥門設置在罐區之外，且事故發生時便于操作的位置。

2.3 液化烴儲罐的放空管線設計

液化烴儲罐應至少設有兩個安全閥(一個在線備用) 和一個緊急放空[3]，每個安全閥和緊急放空線的能力均應滿足事故狀態下安全泄放量的要求。

2.3.1 液化烴儲罐放空管線的配管設計

液化烴儲罐安全閥應豎直安裝(垂直于水平面)于儲罐的氣相空間上部，安全閥布置位置高于放空總管。為避免安全閥后局部積液、降低安全閥后管道背壓，放空管線“無袋型”“步步低”安裝，順介質流向45°斜接入火炬放空總管。

以某項目為例，探討放空管線的不同安裝方式。

某項目配套的液化烴罐區包含2 個650 m3穩定輕烴球罐，2 個1 500 m3液化氣球罐，其中650 m3球罐球體直徑為14.20 m，放空管線總管公稱尺寸為DN250，在工程設計過程中進行了多種安裝方式的比對。

(1)罐頂平鋪式安裝

利用液化烴儲罐頂部平臺進行安裝，安裝如圖1所示。

圖1 液化烴球形儲罐安全閥罐頂平鋪式安裝形式

優點：能夠充分利用液化烴球形儲罐頂部平臺，利用45°彎頭拐角最大限度的利用平臺空間，減小平臺尺寸，保證球罐本體受力平衡；液化烴球形儲罐放空口位于平臺一側，BDV 放空及安全閥放空出口管線與放空總管同一走向布置，管線內介質流動穩定。

缺點：管線45°安裝使平臺270°范圍內布滿管線，增加了操作的難度；45°拐角使管線支撐點位置不規則，增加了液化烴儲罐平臺橫梁設計的難度；罐頂平臺應有兩個處于不同方位的逃生梯，此安裝方式增加了逃生梯布置的難度。

(2)液化烴儲罐頂BDV 放空管線采用回繞式兩層安裝，如圖2 所示。

圖2 液化烴球形儲罐安全閥回繞式兩層安裝形式

優點：能夠充分利用平臺上立體空間，減小平臺上管線的平鋪面積，預留出了更多的操作空間，有利于平臺逃生通道的布置；管線支撐的受力點位置更加規則，有利于液化烴球形儲罐平臺的橫梁設計。

缺點：此安裝方式的放空口位置使的BDV 出口管線與放空總管走向相反，采用180°回繞式與放空總管相連，管線內流體流態更加紊亂，增大了出口管線的壓力降；二層管線安裝高度高，加大了管線支撐的難度。

(3)框架式安裝，如圖3 所示。

圖3 液化烴球形儲罐安全閥框架式安裝形式

此種安裝方式原因分析如下：在(1) 及(2) 中兩種安裝方式下，平臺尺寸最小為5.5 m，各種閥門及管線充水重量達近10 t，此種情況對液化烴球形儲罐的受力分析非常不利，故將儲罐頂放空閥安裝于框架，減小儲罐本身的受力。此種安裝方式，安全閥高度高于罐頂平臺，并垂直于球罐的氣相空間，滿足規范的要求。

優點：減小儲罐自身受力；所有管線沿框架柱子及聯合平臺敷設，避免管線在儲罐上的支撐，儲罐頂部平臺尺寸可大大減小。

缺點：框架尺寸較大，增加投資成本；安全閥及BDV 入口管線較長，增大放空閥入口的壓力降。

2.3.2 安全閥安裝可行性分析

安全閥的安裝在滿足放空管道安裝高度要求的情況下，還需考慮安全閥入口壓力降及出口背壓是否滿足相關要求。

安全閥進口管線需要考慮流體流動在管線中的壓降，以使進口管線的配管設計能保證系統正常操作。如果安全閥與被保護容器之間的管線壓力損失過大會對泄放系統的泄放量造成不利影響，并會導致泄放閥不穩定[4]。影響安全閥的壓力降是由不可回收的入口壓力損失(湍流分散)及壓力泄放閥進口管線內部的摩擦力造成的。

當安全閥放空管線與容器直接相連的時，為保證泄放閥的穩定性，壓力容器與安全閥之間的總壓力損失不得大于安全閥設定壓力的3%。

背壓是壓力泄放裝置出口處的壓力，是由放空系統內壓力導致的。安全閥的背壓等于附加背壓加積聚背壓。安全閥出口管道的設計應考慮背壓不宜過大，例如：普通的彈簧安全閥，出口背壓不超過其定壓值的10%。

計算安全閥的背壓，應從火炬頭開始反算全廠放空系統管網內各節點的排放背壓，各節點的背壓應低于該點允許背壓。

在實際的工程設計中，根據以上公式確定安全閥的安裝的是否可行，在本項目中，通過計算得知安全閥的三種安裝形式均是可行的。

2.4 泵的設置

罐組的專用泵應布置在防火堤外，與儲罐的間距應符合距甲A 類儲罐不應小于15 m；液化烴裝車泵的回氣管道宜與儲罐的氣相管道接通，且不應有袋形。

3 結語

液化烴儲罐區的配管安裝設計必須嚴格遵守國家標準及規范的有關規定。液化烴球形儲罐的配管設計應在充分理解和掌握工藝流程及相關規范的前提下，不局限于其他類似設計的設計特點，根據具體設備的設計參數，有針對性的考慮類似設計的缺陷及不足之處，開拓思路，選取更合適的配管安裝方式。