固定式液化石油气储罐的安全设计

固定式液化石油气储罐的安全设计

冀　峰1,李晓明1,李志玉1,谢培军1,袁小勤1,

解文芳1,白建军1,王宏伟2,罗剑斌3,燕彦涛4

(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃兰州　730070;2.大庆油田装备制造集团国际总装厂,黑龙江大庆　163255;3.广东韶钢氧气厂,广东韶关　512122;41吐哈油田公司温米采油厂,鄯善　838202)

摘要:确定固定式液化石油气储罐的设计要素是确保储罐安全运行的首要问题,提出了一些具体

的固定式液化石油气储罐安全设计的要点及原理。关键词:储罐;液化石油气;安全;设计

中图分类号:TQ028.1;O7.3　　　　文献标志码:B

SafeDesignAnalyzeofFixedLPGStorageTank

JIFeng1,LIXiao2ming1,LIZhi2yu1,XIEPei2jun1,YUANXiao2qin1

XIEWen2fang1,BAIJian2jun1,WANGHong2wei2,LUOJian2bin3,YANYan2tao4

(1.LanpecTechnologiesLimited,Lanzhou730070,China;2.InterationalSembly2plantofDaqingPetroleumEquipmentGroup,Daqing163255,China;

3.GuangdongShaogangOxygenFactory,Shaoguan512122,China;41TuhaOilfieldCompany,WenmiProductionPlant,Shanshan838202,China)

Abstract:ToconfirmthedesignparameteroffixedLPGstoragetankisimportanttosafeopera2

tionoftheequipment.SomepointsandelementsweregiventofixedLPGstoragetanksdesignbyexperiences.

Keywords:storagetank;liquefiedpetroleumgas;safe;design

　　随着我国石油化工行业的快速发展,液化石油气作为炼油化工的副产品,以其经济高效、清洁环保以及灵活方便的优势占据着城乡能源市场,储配站的液化石油气通常采用卧式储罐或者球形储罐进行储存。

液化石油气是一种低碳的烃类混合物,主要由乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯及少量的戊烷、戊烯等组成。常温常压下是气态,在加压和降低温度的条件下变成液体。气态相对密度为空气的2倍,液化石油气的饱和蒸气压随温度升高而急剧增加,其膨胀系数较大,一般为水的10倍以上,气化后体

　　收稿日期:2009202208

作者简介:冀　峰(19732),男,甘肃兰州人,工程师,学士,主要从事压力容器的设计及工程管理工作。

积膨胀250～300倍。

液化石油气是一种极易燃烧、爆炸的石油化工原料,其储罐属于具有较大危险的储存容器之一。因此,在满足设施功能要求下,储罐具有良好的安全性是设计的首要问题。文中介绍固定式液化石油气储罐的设计要点以及笔者关于液化石油气储罐的设计经验。

1　设计温度及设计压力

设计温度1.1　

《压力容器安全技术监察规程》99版规定[1],固

　第4期　　　　　　　　　　　　冀　峰,等:固定式液化石油气储罐的安全设计・29・

定式液化石油气储罐的设计压力应不低于50℃时混合液化石油气组分的实际饱和蒸汽压,即国内设计安装的固定式液化石油气储罐设计温度最高都取50℃,这个数值也是综合了技术经济性的问题后设定的一个合理的温度上限。若设计温度高于此值,设计压力亦将随饱和蒸汽压的增加而增大,必然增加容器的设计厚度,从而给制造和安装带来很大的不便。同时由于介质的特殊性,压力增大后随之增加了储罐的不安全性。

一般的固定式液化石油气储罐,如球罐或卧式储罐壳体材料选用16MnR或15MnNbR,最低设计温度按照所选取材料所允许的最低使用温度来确定,选用上述材料时一般最低设计温度取-19℃。设计压力1.2　

固定式液化石油气储罐的设计压力是按照混合液化石油气组分50℃时的实际饱和蒸汽压来确定。储存单一介质时,如异丁烷、丙烷、丙烯,则是将50℃时的饱和蒸汽压加一定的裕量作为设计压力;储存混合介质时,则按混合后的饱和蒸汽压的最大值确定,其值见表1。

表1　液化石油气储罐的设计压力

介质丙烯

丙烷

正丁烷、异丁烷、丁烯、丁二烯、异丁烯混合液化石油气

大于1.62

其余工况

2.161.77

50℃时的饱和蒸汽压力2.0281.735

装量大于设计充装量,容器内的实际压力有可能超

过设计压力,可能会引起生产事故。

为了防止温度升高而导致容器内压力急剧增加,必须在容器内保持一定的气相空间。液化石油气的充装量直接影响到容器的工作压力,关系到容器的设计与使用安全。对于充装液化石油气的球罐,取充装系数为0.9,一般可以根据储罐的结构形式及有效体积换算成储罐的最大充液高度,即可方便控制储罐的充装量。液化石油气组分的密度随着温度升高而减小,一般情况下,温度低、充装高度低。建议在充装时,不应控制储罐充装体积上限,而采用控制储罐最大充装重量的方法,可以根据温度更有效地控制储罐的充装量。

3　消防喷淋

液态烃储罐一旦发生火灾,10min内可以使储罐壳体钢板金属温度升至500℃,压力随着温度升高,液化石油气的饱和蒸汽压及液体膨胀力也呈上升趋势。温度每升高1℃,饱和蒸汽压升高0.02～0.03MPa。温度上升造成液体膨胀及饱和蒸汽压升高,由此造成了储罐内气相空间压力的急剧增加。随着温度的升高,储罐钢板的许用应力也有所降低,材料也会发生屈服。如在火灾前期不开启消防喷淋等冷却水装置降低火焰辐射强度,就会发生爆炸并引发火灾蔓延,造成灾难性事故[2]。

鉴于上述原因,在相关设计规定中明确规定了对于储存易燃易爆物料的储罐,特别是液化石油气体的储罐必须设置消防喷淋和降温喷淋冷却水装置。储罐的消防、降温喷淋冷却水系统一般是在设备上安装数圈环管,消防喷淋冷却水系统可在储罐发生火灾事故时使用,降温喷淋冷却水系统用于夏季气温较高时对设备进行降温冷却。按照GB50016—2006《建筑设计防火规范》第8.2.5条规定,液化石油气储罐(区)的消防用水量是按照储

MPa设计压力

2.161.770.79

其中最大值为0.708

　　液化石油气的残液成分多为异丁烷以上的重组分,设计压力一般取0.79MPa。残液罐只是作为收集储存液化石油气残液之用,罐体体积均较小,按照二类压力容器进行储罐设计、制造。使用时,残液罐与液化石油气储罐连为一体,为防止储罐误操作而引起事故,残液罐的设计压力宜与储罐的设计压力等同,即都取1.77MPa或表1中规定的其它值。为使储罐内的水与液态烃分离,考虑安全操作的因素,液化石油气储罐配备的切水器设计压力不宜低于储罐的设计压力。

2　充装量

液化石油气储罐最大充装量是保证其安全运行的重要参数。液化石油气的密度随温度变化比较大,液体膨胀系数也较大,同样质量的介质在不同温度下有不同的体积。液化烃类介质的最高工作压力是随着环境温度的变化而呈上下变化的。若实际充

罐固定喷水冷却装置用水量和水用水量之和来进行计算。

固定喷水冷却装置的用水量应当按照储罐的保护面积与冷却水的供水强度等参数经过准确计算来确定。消防喷淋冷却水的供水强度一般不应小于0.15L/(s・m2),降温喷淋冷却水的供水强度一般不应小于0.03L/(s・m2)[3]。设计时,喷淋水雾喷头的工作压力不小于0.35MPa。为确保长期的喷淋强度及雾化效果以及消防系统的水压,设计中一

・30・　　　　　　　　　　　　石　油　化　工　设　备　　　　　　　　　　　　2009年　第38卷　

般选用雾化喷头,而非直接在消防环管上钻孔的方

式。钻孔结构虽然可以节省成本,但随着设备的运行,钻孔受环境的腐蚀及水流冲击,其喷出的水雾角度及相互覆盖面积就会有所减弱。雾化喷头的喷淋效果比较好,不仅可以在储罐表面形成水雾保护层达到保护与灭火的目的,而且还可以有效控制储罐随环境温度升高而造成饱和蒸汽压增大所出现的安全事故。

规定对有应力腐蚀的容器,如盛装液化石油气的容器应进行焊后热处理。焊后热处理可以有效地降低焊缝残余应力和硬度,其应力水平明显降低,也增强了焊缝抵抗应力腐蚀的能力。

5　其它5.1　酸性环境

应力腐蚀环境的存在为SCC的发展提供了存在的可能性,NACEMR0175中规定,潮湿气体中H2S的气相绝对分压大于等于0.0003MPa时视

4　消除应力热处理

硫化氢应力腐蚀开裂(SCC)是对在用压力容器一种危害性很大的、甚至是一种灾难性的失效形式。导致容器发生SCC的主要因素既有拉伸应力的存在,也与环境中湿H2S的含量及材料本身抗SCC的性能有关。

液化石油气储罐在压制(卷制)、接管开孔、焊接等过程中,产生残余应力并保留在储罐钢板中,工作负荷引起的工程应力与残余应力叠加后创造了产生应力腐蚀的受力条件。特别是焊缝区组织变化及偏析,使得焊接接头对应力腐蚀破坏的敏感性要大于母材。在相同湿H2S量的环境下,焊缝的应力腐蚀概率相对较高。

对储罐材料来说,强度级别愈高,对应力腐蚀愈敏感。焊缝及热影响区的硬度值较高,对应力腐蚀较为敏感。SH3136—2003《液化烃球形储罐安全设计规范》中明确要对热处理前后主要焊接接头进行硬度测定。文献[4]中对碳钢和低合金钢要求:①硬度不大于22HRC,且满足镍含量小于1%。②在轧制、冷锻或其它制造过程中形成的外层纤维形变超过5%时,对该金属必须进行热应力消除。③规定钢板的使用状态为正火状态。达到以上条件的钢板具有很好的抗硫化氢应力腐蚀性能[4]。

通常采用焊后热处理来消除焊接应力以提高焊缝抵抗SCC的能力。国内普遍用于液化石油气储罐的材料16MnR或15MnNbR都是在正火状态下使用,对该类材质制造的液化石油气储罐,在最低温度为621℃下进行焊后热处理实现最大硬度不超过22HRC[4]。此条规定和我国压力容器行业标准规定的15MnNbR的热处理温度(565±20)℃有些出入。国内在关于15MnNbR制液化石油气储罐的热处理温度上通常执行后者,按照GB/T1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》,22HRC对应的抗拉强度下限值达到780MPa,16MnR及15MnNbR均能满足。

文献[1]、GB150—1998《钢制压力容器》等都

为酸性环境,即湿H2S应力腐蚀环境。该规定与HG20581—1998《钢制化工容器材料选用规定》中

规定的H2S的分压大于等于0.00035MPa,相当于常温在水中的H2S溶解度大于等于10mg/L的规定基本上是一致的。

在设计液化石油气储罐时,一般都规定介质中H2S的最高量不超过某一定值。根据笔者的设计

经验,推荐16MnR或15MnNbR制造的液化石油气储罐介质中H2S量不超过20mg/L,此数值相对于日本的高强钢使用标准的规定值来说还是比较严的。按照此数值限定设计的在用的球罐设备经开罐检查,所评定出的安全等级都较高。所以,在此环境下16MnR和15MnNbR均可以作为液化石油气储罐材料使用,且抗H2S应力腐蚀效果较好。法兰密封面形式5.2　

近年来,许多液化石油气储罐的事故均是由于法兰或其它接头的密封失效造成,文献[1]中明确规定:①设计盛装液化石油气的储存容器,应当参照HG20592～20635的规定,选取压力等级高于设计压力的管法兰、垫片和紧固件。②使用法兰连接的第一个法兰密封面应采用高颈对焊法兰、金属缠绕垫片(带外环)和高强度螺栓组合。法兰面的形式应以凹凸面为主。设置安全阀5.3　

盛装液化石油气的压力容器必须单独设置安全阀,GB50028—2006《城镇燃气设计规范》对安全阀的要求[5]:①必须选用弹簧封闭全启式。②容积为100m3或100m3以上的储罐应设置2个安全阀。

实际设计过程中,为了避免不必要的浪费,2个安全阀的压力值设定依次成增加趋势,但最大值不得超过设计压力。

5.4　仪表

液化石油气储罐仪表的设置应符合:①必须设

　第38卷　第4期　　　　　　　　　　　　　石　油　化　工　设　备　　　　　　　　　　　　　Vol138　No14　　2009年7月　　　　　　　　　　　　　PETRO2CHEMICALEQUIPMENT　　　　　　　　　　　　　July2009　文章编号:100027466(2009)0420031203

非标准封板的应力分析及厚度优化

王成刚1,冯　磊1,董宇涵2,张　平3,王小雨1

(1.武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉　430073;

2.中国神华煤制油有限公司,北京　100011;3.湖北登峰换热器有限公司,湖北大冶　435100)

置就地指示的液位计、压力表。②就地指示液位计宜采用能直接观察储罐全液位的液位计。③体积为100m3的储罐,应设置远传显示的液位计和压力身的漏热也是不容忽视的问题。再加之普通银粉漆等防腐涂料随着设备的运行附着力下降,对设备的安全运行很不利。根据笔者的设计经验,建议罐体外壁选用凉隔热胶。此胶不仅对阳光有反射作用,可以起到一定的隔热效果,而且其耐候性相对好一些,附着力强。一般需2层底漆、2层中间漆及2层面漆即可达到比较理想的成膜厚度,能更加有效地阻断环境通过设备的漏热。

表,且应设置液位上、下限报警装置和压力上限报警装置。液位的控制方案可以与储罐进液管线的电动控制阀进行联动,按液位高度逐级增大可分为正常最高工作液位、高液位报警、高高液位报警并切断的仪表控制方案。管道5.5　

输送泵的扬程和储罐的液柱作用均会使管道压力大于储罐压力,液化石油气的管道及管件的设计压力要大于设备的设计压力等级。SH3136—2003《液化烃球形储罐安全设计观点》中提到阀门的设计压力应不小于2.5MPa[6],即在设计储罐的工艺管线时,相应的设计压力要适当提高。

6　结语

液化石油气是一种清洁能源,其占有的市场份额越来越大。设计关系到设备的本质安全,所以要严格执行有关标准、规定,应根据每台设备的特点、设计参数及相关要求进行全面综合的考虑分析,做出更合理、更优化的设计,满足不断提高的标准要求,杜绝液化石油气储罐事故的发生。

参考文献:

[1]　国家质量技术监督局.压力容器安全技术监察规程[M].北京:

5.6　支柱防火

GB12337—1998《钢制球形储罐》要求,对储存

液化石油气的球罐,应在支柱上设置防火层[7]。对应的在GB50028—2006《城镇燃气设计规范》中明确球形储罐的钢支柱应采用不燃烧隔热材料保护层,其耐火极限不应低于2h。

早期建造的球罐支柱用的隔热材料大多选用防火水泥,随着设备的使用及雨水等介质的侵入,水泥层会发生龟裂,直至脱落。笔者建议使用钢结构防火涂料,其使用效果较防火水泥更优。涂装[8]5.7　

液化石油气具有随温度升高,其饱和蒸汽压增加的特性,虽然在储罐上设置了消防、降温喷淋装置,但罐体长期暴露在大气环境中,环境通过设备本

　　收稿日期:2009203208

中国劳动社会保障出版社,1999.

[2]　党战伟,高中稳,刘福录,等.液态烃球罐消防喷淋设计计算

[J].石油化工设备,2008,37(4):27230.

[3]　《压力容器实用技术丛书》编写委员会.压力容器设计知识

[M].北京:化学工业出版社,2005.

[4]　NACEMR0175—2003,油田设备用抗硫化物应力腐蚀断裂和

应力腐蚀裂纹的技术材料[S].

[5]　GB50028—2006,城镇燃气设计规范[S].

[6]　SH3136—2003,液化烃球形储罐安全设计规范[S].[7]　GB12337—1998,钢制球形储罐[S].

[8]　NFPA58A—2001,LiquefiedPetroleumGasCode[S].

(许编)

作者简介:王成刚(19742),男,湖南祁东人,副教授,博士,主要从事新型高效化工设备的开发及计算机测控诊断技术的

研究工作。