液化烃覆土式储罐的安全技术探讨及应用展望.pdf

2012年第28 卷第 4期 石油化工安全环保技术 P ET ROCHEM IC AL SA FET Y A NDE NVIRONM ENT A L PROT EC T ION T EC HNOLOGY 39 收稿日期 2012 05 15 作者简介 王惠勤 女 1989年毕业于中国石油大 学 华东 石油储运专业 工程学士 现从事石油化 工储运工程的咨询 工程设计和相关标准的编制工 作 高 级 工 程 师 电 话 03 7 9 6 4 887 14 1 E ma i l a nghq l pec i nop ec c om 液 化 烃 覆 土 式 储 罐 的 安 全 技 术 探 讨 及 应 用 展 望 王惠勤 中石化洛阳工程有限公司 河南洛阳 471003 摘要 覆土式储罐与地上球罐同样可作为储存之用 但与地上球罐有不同的应用价值 如何选择适当的储罐及其附属设备满足工程项目需要 则需考虑诸多因素 相对地上储罐 覆土式储罐较难检测 泄漏风险高且可能污染土壤和地下水 需要较多的维修保养 具有较 低的火灾侵袭风险 占地面积较小 与周围相邻设施的安全间距小 不易受到外部突发事故 的破坏和影响等特点 用覆土式储罐代替地上球罐储存液化烃 不仅能提高储存安全性 降 低建造成本 而且还可以节省占地面积和缩小与周围相邻设施的安全间距 覆土式储罐若能 克服维修保养 腐蚀 地震和暴雨等对其的影响 其应用前景还是非常好的 用覆土式储罐 取代地上球罐指日可待 关键词 液化烃覆土式储罐安全技术探讨应用展望 石油化工企业通常利用储罐储存原料 中间 原料 半成品或成品 储罐是石化企业内极为重 要的容器设备 一般而言 液化烃储罐可分为球 型 卧式及常压立式圆筒型等 储罐与其它工艺 设备相比似乎更脆弱 常因超压 真空 附属管 线破裂等因素造成液化烃外泄而引起严重灾害 覆土式储罐与地上球罐同样可作为储存之用 但 与地上球罐有不同的应用价值 如何选择适当的 储罐及其附属设备满足工程项目需要 则需考虑 诸多因素 液化烃压力储罐外泄的形式可分为 高压液 化气体 常压冷冻液化气体 高压气体 二相液 体等 液化烃储存不良造成的危害基本上有两种 类型 易燃物质外泄及火灾和爆炸 二者均会造 成严重的生命财产损失 下面从覆土式储罐的应 用现状 特点 外部火灾影响 占地等方面探讨 覆土式储罐的安全技术 1液化烃覆土式储罐的应用现状 就国内现有设备而言 高压液化气体一般采 用地上球罐或小型 不大于200 m 3 卧罐储存 近 年来随着我国经济的迅速发展和中外合资项目及 国外独资项目在境内的落户实施 国内已开始有 覆土式储罐应用 如南京扬子石化 BA SF 成品罐 区 镇江巴斯夫造纸化学品有限公司的丁二烯覆 土罐等项目 欧美发达国家如德国于 1959 年首次建造了 30 座 200 m 3 覆土式储罐 1971 年应用于储存液 化石油气 丙烷等高压常温液化烃 基于安全原 因 德国则自 1991 年对容量大于 3 的液化石油 气储存 一律采用覆土式储罐 并于1999 年规定 禁止对1 000 m 3 以上的地上球罐发照 法国则于 2000 年禁止建造 500 m 3 以上的地上球罐 目前 国外大量使用覆土式储罐的石油公司有 BA SF D e c he Shel l E o M ob i lOi l Ba e 等 建造 业绩早已超过 500 座 日本自上世纪 70 年代末 80 年代初开始建造应用覆土式储罐 目前在液化 烃储存方面应用较广 中国台湾地区的台塑企业 自上世纪80 年代末引进德国技术后 目前已建造 110 余座覆土式储罐 但国内的相关规范和法律 均没有关于覆土式储罐的相关设计规范 要求和 40 石油化工安全环保技术 2012 年第28 卷第4期 检验标准 随着国内覆土式储罐应用的不断增多 和对其认知的加深 这些工作尚需进一步完善 2覆土式储罐特点 覆土式储罐主要优点是避免蒸气云爆炸 保 护储罐不受到临近的热源 爆炸冲击波 飞溅物 体 其他因素的损害 美化环境 以及有效减少 项目占地面积 缩短与周边相 邻设施的安全 间距 覆土式储罐设计较地上球罐复杂 尤其体现 在罐体与土壤和罐体的腐蚀保护 国外储罐设计 标准规范如 BSI COD A P 和 A SM E 均未提及覆 土及埋地储罐存储量的要求和限制 因为在使用 期内无法对覆土式储罐进行检查 因此 覆土式 储罐一般采用外部涂层保护和阴极保护等措施 尽最大可能减小储罐腐蚀风险 根据周边环境 地下水位以及操作要求 覆 土式储罐要尽可能放在相同坡度及深度的基坑 中 且必须设置高于地下水位 且覆土高于地 表 覆土式储罐相关安全附件如人孔 安全阀 爆破片 减压阀和设备附件等 需高于地表 除 非由于操作需要 需底部管道排放检查 如果相同地点埋有两个以上储罐 储罐之间 间距需考虑结构特点 如焊接 涂层 土层回填 情况和土层回填材料直接压力 一般推荐间距为 1 m 无论欧美标准规定 还是日本 台湾标准 规定 目前均未涉及储槽内覆土式储罐数量和总 容积限制 储罐最小直径一般取决于设计压力 制造能 力限制 焊接后热处理要求 运输限制 地基条 件和经济水平等几个因素 一般最大直径为 8 m 如果是砂土地基 储罐长度不宜超过直径的 8 倍 防止储罐由于壁厚不足 难以抵御地基的不均匀 沉降 造成储罐纵向破裂 储罐最大长度取决于 地基条件 尤其是地基的沉降预期 周边环境限 制和经济条件限制 满足以上条件限制的储罐最 大容积约为4 000 m 3 无最小容量限制 3外部火灾对覆土式储罐的影响 液化烃的灾害类型一般分为两种 一种为开 放型蒸气云爆炸 简称 U VCE 指外泄的可燃性 气体随大气扩散 经点燃后引起爆炸 另一种为 液体沸腾气体膨胀爆炸 简称 BLE VE 指液体储 存温度大于其大气压沸点时 突然从封闭容器中 释放出来的一种物理现象 由于压力突然释放而 使部分液体气化产生爆炸性的蒸气云 一旦被周 围的火源点燃 常形成火球 同时释放出巨大的 辐射热 通常火灾是造成 BLEVE 的最主要原因 由于土壤是自然界的一种天然绝热材料 覆土式 储罐显然比暴露在外的地上球罐更容易避免 BLEVE 的发生 覆土式储罐受外部火灾侵袭的状 况见图1 图1覆土式储罐受外部火灾侵袭的状况示意 覆土式储罐埋设在土壤之下受到外部火灾热 辐射侵袭时 土壤表层与罐体会因温差的关系 而产生辐射热的传导模式 利用一元偏微分热传 导方程式 结合适当的边界条件 可计算出在表 面恒温状况下覆土式储罐罐体表面土壤的温度 进而对覆土式储罐的安全性进行论述 覆土式储罐受外部火灾侵袭的物理现象 可 用以下偏微分热传导方程式描述 2 2 1 I C 0 2 B C 1 当 3 式中 土壤的温度 土壤的传热系数 m 2 储罐埋藏在地表下的深度 m 接收外部火灾侵袭的时间 在式 2 中表示受外部火灾侵袭前 土壤表面的初始温度 在式 3 中表示离地表 无穷远的地方 地表温度可视为初始温度 当考虑地表温度为恒温时 即 B C 2 T 0 T S 4 在此边界条件下 式 1 可转变为 2 5 任何埋藏深度的传热量可由下式求得 Q 2 4 6 王惠勤 液化烃覆土式储罐的安全技术探讨及应用展望 2012年第28卷第4期 41 式中 误差函数 Q 传热量的单位为 W m 2 由于式 6 中的指数项幂次为负值 相当长 时间下 传热量很小 且随埋藏深度愈深愈趋近 于零 覆土式储罐在地表恒温下 不同持续时间土 壤温度与埋藏深度变化如图 2 所示 图 2土壤表面恒温下 不同持续时间土壤温度与 埋藏深度变化 由图2 可以看出 在表面温度恒定为1 000 的状况下 恒温时间愈长 在同样深度下土壤温 度亦愈高 但由于土壤本身的热传导系数较小 仅为1 W m K 由外界所提供的大部分热 量几乎都被土壤所阻挡 即使是在连续 5 h 表面 为1 000 的状况下 仅 0 31 m 的埋藏深度对覆 土式储罐而言 已可说是一个安全的埋藏深度 固定时间下 不同表面温度时 土壤温度与 埋设深度的变化如图3 所示 由图 3可以看出 在固定1 h 的恒温时间下 表面温度越高 储罐所需要埋藏的安全深度亦越 深 即使表面温度为1 000 仅 0 15 m 的埋藏 深度对覆土式储罐而言 已可说是安全的埋藏 深度 图 3相同恒温时间下 不同表面温度土壤温度对 埋藏深度变化 由以上分析可知 覆土式储罐覆土深度达 0 6 1 0 m 足以应对外在火灾的侵袭 且持续 恒温 不受外界环境的影响 可避免储存物质发 生挥发膨胀的危险 覆土式储罐除了人孔和进出 罐管道外 整个储罐均置于覆土之下 可有效杜 绝外部火灾的热辐射 因此 不会发生液体沸腾 气体膨胀爆炸 简称 BLE VE 此系覆土式储罐本 质安全的优势所在 4 占地面积对比 若每个罐组按分别布置4 座 6座 8 座 10 座400 m 3 1 000 m3 2 000 m3 3000 m3 4000 m 3 储罐考虑 覆土式储罐单排布置 根据欧洲工 程设备和材料用户协会 EEM U A 190 的规定 储 罐之间的间距可按不小于1 m 考虑 地上球罐双 排布置 按 石油化工企业设计防火规范 GB 50160 2008 6 3 3 有事故排放至火炬设施按 0 5D D 为相邻较大储罐直径 考虑 无事故排放 至火炬设施按 1 0D考虑 4 座 6 座 8 座 10 座不同罐容储罐成组布置占地面积对比分别如表 1 4所示 表1 4座储罐占地面积对比表 项目4 00 m 3 1 000 m 3 2 000 m 3 3 000 m34000 m3 储罐结构 覆土式储罐 长度 直径 m 35 5 4 032 5 6 562 7 6 574 3 7 382 3 8 0 地上球罐 直径 m 9 212 315 718 019 7 覆土式储罐单排布置占地面积 S1 m 2 9201 3202 2442 9603350 地上球罐双排布置 占地面积 S2 m2 有事故排放至火炬 9801 5902 4403 0603700 无事故排放至火炬 1 15 61 8502 8103 6004360 S2 S1 S1 100 6 5 22 5 8 7 3 4 10 4 25 7 40 2 25 2 21 6 30 1 42 石油化工安全环保技术 2012 年第28 卷第4期 表 26座储罐占地面积对比表 项目4 00 m 3 1 000 m 3 2 000 m 3 3 000 m34000 m3 储罐结构 覆土式储罐 长度 直径 m 35 5 4 032 5 6 562 7 6 574 3 7 382 3 8 0 地上球罐 直径 m 9 212 315 718 019 7 覆土式储罐单排布置占地面积 S1 m 2 1 3201 92032644 2404900 地上球罐双排布置 占地面积 S2 m2 有事故排放至火炬1 46 02 36536604 6805610 无事故排放至火炬 1 77 02 92045055 7606930 S2 S1 S1 100 10 6 23 2 12 1 10 4 14 5 3 4 1 52 1 38 0 35 8 29 3 表 38座储罐占地面积对比表 项目4 00 m 3 1 000 m 3 2 000 m 3 3 000 m34000 m3 储罐结构 覆土式储罐 长度 直径 m 35 5 4 032 5 6 562 7 6 574 3 7 382 3 8 0 地上球罐 直径 m 9 212 315 718 019 7 覆土式储罐单排布置占地面积 S1 m 2 1 7202 52042845 6006450 地上球罐双排布置 占地面积 S2 m2 有事故排放至火炬 1 94 0318049306 3007520 无事故排放至火炬 2 410396061507 9209 500 S2 S1 S1 100 12 8 26 2 15 1 12 5 16 6 4 0 1 57 1 43 6 41 4 47 3 表4 10座储罐占地面积对比表 项目4 00 m 3 1 000 m 3 2 000 m 3 3 000 m34000 m3 储罐结构 覆土式储罐 长度 直径 m 35 5 4 032 5 6 562 7 6 574 3 7 382 3 8 0 地上球罐 直径 m 9 212 315 718 019 7 覆土式储罐单排布置占地面积 S1 m 2 2 1202 80047607 0408 170 地上球罐双排布置 占地面积 S2 m2 有事故排放至火炬 2 410396060507 9209 500 无事故排放至火炬 3 0265030799010 08012 150 S2 S1 S1 100 13 7 41 4 27 1 12 5 16 3 4 2 7 79 6 67 9 43 2 48 7 由表 1 4可见 地上球罐组无论是否有事故 排放至火炬措施 其占地面积均大于覆土式储 罐 有事故排放至火炬的增幅为 3 4 41 4 无事故排放至火炬的增幅为21 6 79 6 罐 组内储罐数量越多 增加幅度越大 其中 较常 用的 1 000 m 3 和2 000 m 3 罐型 8 座 10 座储罐占 地面积增幅尤其明显 另外 覆土式储罐与相邻 设施之间的安全距离可按地上球罐间距的一半考 虑 因此 在目前工程项目用地紧张的情况下 采用覆土式储罐具有非常明显的优势 5覆土式储罐防腐蚀及定期安全检测 由于外表与土壤接触 覆土式储罐与地上球 罐相比 不但腐蚀严重而且不易检查 完工覆土 后无法目测检测 给储罐的维护保养带来很大的 困难 其腐蚀的主要机理系电化学腐蚀 故其防 腐蚀措施相当重要 一般采用环氧类外涂层和强 制外加电流相结合的阴极保护系统 保护电位控制 负于 0 85 V 相对于铜 饱和硫酸铜参比电极 以避免因涂层破损脱落或环境劣化造成腐蚀 储罐运行时需日常检测阴极保护系统是否正 常运作 并定期实施基础沉降检测及记录 另 外 依照 固定式压力容器安全技术监察规程 T SG R0004 2009 规定 压力容器应进行年度 检查和定期检验 压力容器应当于投产后 3 年内 进行首次定期检验 下次检验周期 根据压力容 器的安全状况等级确定 安全状况等级 1 2 级的 每6年检验一次 安全状况等级3 级的每3 6年 王惠勤 液化烃覆土式储罐的安全技术探讨及应用展望 2012年第28卷第4期 43 一次 对于覆土式储罐来说 年度压力容器外 观检查无法实施 目前 在正常运转期间 国外 采用液渗 磁粉探伤 超声波或其他非破坏检测 技术 对覆土式储罐进行检查 以便发现缺陷或 问题 有助于大幅度提高设备操作的可靠度 定 期检验对覆土式储罐来说需要开槽 也是非常困 难的 建议对覆土式储罐制定可靠的安全保障措 施 并征得检验机构的同意 覆土式储罐的定期 检验周期可参照德国的法规规定修订为 8 10 年 定期检验时对储罐实施焊缝及储罐内部的超音波 检查 依据检查结果判定使用年限 若有必要则 重新实施压力试验 使用年限不得超过9 年 6覆土式储罐与地上球罐的优缺点比较 一般来说 地上球罐易建造及检测 泄漏风 险低 维修方便 但容易受到火灾的侵袭 占地 面积较大 与周围相邻设施的安全间距大 容易 受到外部突发事故的破坏 罐组内的储罐数量和 容量受到一定限制 相对地上储罐 覆土式储罐 较难检测 泄漏风险高且可能污染到土壤和地下 水 需要较多的维修保养 但它具有较低的火灾 侵袭风险 占地面积较小 与周围相邻设施的安 全间距小 不易受到外部突发事故的破坏和影 响 优缺点比较如表5 所示 表 5覆土式储罐与地上球罐的优缺点比较 对比项目覆土式储罐地上球罐 安全性高低 占地面积少多 储罐工程费低高 操作稳定性高低 受环境影响小大 泄露检测难易 日常检查及维护难易 附属设备相当相当 基础费用高低 开罐检查难易 7结论 用覆土式储罐储存液化烃 不仅可以提高储 存安全性 降低建造成本 而且还可以节省占地 面积和缩小与周围相邻设施的安全间距 考虑到 覆土式储罐受外部火灾影响小 相对地上球罐要 更安全 产生次生灾害的可能性和几率小等特 点 且国外自上世纪 50 年代建成投产至今还没有 出现过安全事故 可以说 覆土式储罐若能克服 维修保养 腐蚀 地震 暴雨等方面的影响 其 应用前景还是非常好的 覆土式储罐应用前景虽然是光明的 但仍需 加强以下事宜 1 为了确保覆土式储罐操作稳定及高压气 体储存安全 需要进行以下日常检查 维护及测 试项目 a 储罐沉降检测 b 阴极保护防腐蚀系统电位检测 c 储罐 管道 阀门泄漏检测 d 紧急切断阀动作试验及功能试验检测 e 安全阀动作试验及功能试验年检 f 有可能泄漏或积聚气体的地方设置可燃气 体浓度检测 g 硫化氢浓度检测 2 覆土式储罐在国内推广仍需解决以下 问题 a 设计规范如 石油化工企业设计防火规 范 GB50160 中应逐步完善覆土式储罐之间及 其与相邻设施之间的安全距离和消防措施等 以 方便工程设计人员和政府监管部门有据可依 b 压力储罐的制造 施工 验收规范应补充 完善覆土式储罐相关要求或参照 等效采用国际 标准 以满足制造 施工 验收之需要 c 覆土式储罐的外防腐问题应引 起高度 重视 d 覆土式储罐裸露于大气中的设施和设备应 设置必要的消防冷却喷淋系统 e 覆土式储罐及其附件维护保养上目前无法 依照国内标准 特种设备安全技术规范 T SG R0004 2009 的相关检查要求 无法满足压力容 器每年外观检查和每 3 6 年定期开罐内部检查的 要求 应针对覆土式储罐的实际情况 通过采取 相关的安全检测措施 适当延长定期检验周期 参考文献 1 EEM VA 190 2000 G i de f o he D e i gn Co n c i on a nd U e ofM o n ed H o i on a l C l i nd i c a l Ve el f o P e i ed S o a ge o f LP G a Am b i en T em pe a e S ABSTRA C TS P E T ROCH E M I CAL SAF E T Y AN D E NV I RONM E N T AL P ROT E CT I ON T E CH N OLOGY B 20 A 20 1 2 V 28 N 4 e e e e e e af e f a e a a e a ef f e c e a d e e e e a f c a f e a d e ac c d e K F e f La e a e a DCS P a c D ISCUSSIO NO FSA FE TYTE CH NO LO GY AN DAPPLICATIO NOUTLO O KO F EA RTH CO VERE DTA NKFO RLIQUE FIE D H YD RO CA RBO NS 3 9 H SI N O PE CL P E C L H 4710 0 3 A T e ea c e e d a c a be edf a e e e a b e d e c a a e a ad f f e e a c a a e M a f a c ee d be c d e eda c e e e a e a a d a cc e e ee e ec ee d C a ed e ab e d a e e a c e e d a a d c e c a e f e a a e a d a d d e d a e a d ee d e a e a ce e e f e a a d a e f a d af e d a ce e d f a c e a d a a eda daf f ec ede a b ac f e ec ed e e a c d e Re a c e a b e d e c a a e ea c e ed a e e f ed d ca b ca e e a e ec a d e d ce e c c c b a a e a e a a d e d ce e a f e d a ce d f a c e I f e a e a c e c e a a e a d e b e f eea c e e d a c a be e c e a ca ec be e d Re a c eab e d e c a a eea c e ed a ca be e ec e d K L e f ed d c a b E a c e e d a D c f af e ec A c a APPLICATIO NO FC RE CTE VAPO RATE D W A TE RRE C O VE RYSYS