固定式液化石油气储罐的安全设计.pdf
第 3 8卷第 4 期 2 0 0 9年 7月 石油化工设备 P ETR 一 CHEMI CAL E QUI PMENT V0l _ 3 8 N0 .4 J u l y 2 0 O 9 文章编号 l 0 0 O 一 7 4 6 6 2 O O 9 O 4 一 o o 2 8 一 O 4 固定式液化石油气储罐 的安全设计 冀 峰 ,李晓明 ,李 志玉 ,谢培军 ,袁小勤 , 解 文芳 ,白建军 ,王宏伟 ,罗剑斌。 ,燕彦涛 1 . 甘肃蓝科石化高新装 备股份有 限公 司 ,甘肃 兰州 7 3 0 o 7 O ; 2 . 大庆油 田装备制造集团 国际总装厂 ,黑龙江 大庆 1 6 3 2 5 5 ; 3 . 广东韶钢氧气厂 ,广东 韶关5 1 2 1 2 2 ; 4 .吐 哈 油 田公 司温 米 采 油 厂 ,新 疆鄯 善 8 3 8 2 O 2 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 TQ 0 2 8 . 1 ;O 6 4 7 . 3 文献标 志码 B S a f e De s i g n Ana I y z e o f Fi x e d LPG S t O r a g e Ta n k JI Fe ng , LI Xi a 0 m i ng , LI Zh i y u , XI E Pe i u n , YUAN Xi a 0 qi n XI E we n f a n g ,BAI J i a n - j u n ,wANG H0 n g we i ,L Uo J i a n _ b i n ,YAN Ya n t a 0 4 1 . La n pe c Te c hn o l o g i e s I i mi t e d, La nz h0 u 7 3 O O 7O, Chi na; 2 . I nt e r a t i on a l Se mb1 y p l a nt o f Da q i ng Pe t r ol e um Eq ui pme n t Gr ou p, Da qi ng 1 6 3 2 55, Ch i na; 3 . Gu a ng d on g Sha o ga n g oxy g e n Fa c t or y, S ha o gu a n 5 1 21 22, Chi n a; 4 . Tu ha 0i l f i e l d Co mpa n y, W e n mi Pr od uc t i 0n Pl a n t, Sh a ns ha n 83 8 2 O2, Chi n a Ab s t r a c t To c o n f i r m t h e d e s i g n p a r a me t e r o f f i x e d LP G s t o r a g e t a n k i s i mp o r t a n t t o s a f e o p e r a t i on o f t he e qu i pme nt . So me po i n t s a nd e 1 e me n t s we r e g i v e n t o f i xe d I PG s t o r a g e t a n ks de s i g n b y e xp e r i e n c e s . Ke y w0 r d s s t o r a g e t a n k; l i q u e f i e d p e t r o l e u m g a s ; s a f e ; d e s i g n 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 1 0倍 以上 , 气 化 后 体 积 膨胀 2 5 0 ~3 o 0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 1 . 1 设计温度 压 力容 器安全 技术 监 察规 程 9 9版规 定_ 】 ] , 固 收 稿 日期 2 O 0 9 一 O 2 O 8 作者简介 冀峰 1 9 7 3 一 , 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 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 冀 峰 , 等 固定式液化石油气储 罐的安全设计 定式 液化 石油气 储 罐 的设 计 压 力应 不 低 于 5 0℃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 5 O℃, 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 1 6 Mn R或 1 5 Mn Nb R, 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 一1 9℃。 1 . 2 设计 压 力 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 5 0℃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 5 0℃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 l 液化石油气储 罐的设计压力 MP a 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 . 7 9 MP a 。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 . 7 7 MP a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 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 O . 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 , 1 0 mi n内可以使储 罐壳体钢板金属温度升至 5 O O℃, 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 O . 0 2 ~ O . O 3 MP a 。 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 故瞳 ] 。 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 G B 5 O O 1 6 2 O 6 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 罐 固定喷水 冷 却装 置用 水量 和水 枪用水 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 . 1 5 L / s m。 , 降温喷淋冷却水 的供水强度一般 不 应小 于 O . O 3 L / s m _ 3 ] 。设 计 时 , 喷 淋水 雾 喷 头的工作压力不小于 O . 3 5 MP a 。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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 9年第 3 8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 。 4消 除 应 力 热 处 理 硫 化氢 应力腐 蚀开 裂 S C C 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 S C C的 主 要 因 素 既有 拉 伸 应 力 的 存 在 , 也 与环 境 中 湿 H S的含 量 及 材 料 本 身 抗 S C C 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 H。 S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 。S H 3 1 3 6 2 0 3 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 2 2 HR C, 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 j 。 通常采用 焊后热 处理 来 消除 焊接应 力 以提 高焊 缝抵抗 S C C的能力 。国 内普 遍用 于液化 石油 气储罐 的材 料 1 6 Mn R或 1 5 Mn Nb R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 6 2 1|C下 进 行 焊 后 热 处 理 实 现 最 大 硬 度 不 超 过 2 2HRCl 4 ] 。此条规定 和我 国压 力 容器 行业 标 准规 定 的 1 5 Mn Nb R的热处理温度 5 6 5 2 0 。C 有些 出入 。 国 内在关 于 1 5 Mn Nb R制 液化 石 油气 储罐 的热处 理 温度上通常执行后 者 , 按 照G B / T 1 1 7 2 1 9 9 9 黑 色金 属硬度及强度换算 值 , 2 2 HR C对应 的抗拉 强度 下 限 值 达到 7 8 O MP a , 1 6 Mn R及 1 5 Mn N b R均能满 足。 文献 [ 1 ] 、 GB 1 5 o 一1 9 9 8 钢制压力容器 等都 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 S C C 的发 展 提 供 了存 在 的 可 能性 , NAC E MR0 1 7 5中规 定 , 潮 湿 气 体 中 H S的气 相 绝 对 分 压 大 于 等 于 0 . O 0 O 3 MP a时视 为 酸性 环 境 , 即 湿 H S应 力 腐 蚀 环 境 。该 规 定 与 HG 2 0 5 8 1 1 9 9 8 钢制 化 工 容 器 材 料选 用 规 定 中 规 定 的 H s的分 压大 于等 于 0 . 0 。 0 3 5 MP a , 相 当于 常温在水 中的 H s溶解 度大于等于1 O mg / 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 H。 s的最 高 量 不 超 过 某 一 定 值 。根 据 笔 者 的 设 计 经 验 , 推 荐 1 6 Mn R 或 l 5 Mn Nb R制 造 的液 化 石 油 气 储罐 介质 中 H S量 不超过 2 0 mg / 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 1 6 Mn R和 1 5 Mn Nb R 均可 以作 为 液化 石 油 气储 罐材 料使用 , 且抗 H S应力 腐蚀 效果 较好 。 5 . 2 法兰 密封 面形 式 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 HG 2 0 5 9 2 ~2 0 6 3 5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 。 5 . 3设置安全阀 盛装液 化石 油气 的压 力容器 必须单 独设 置安全 阀, GB 5 O O 2 8 2 6 城镇燃气设计规范 对安全阀 的要 求 ① 必 须选 用 弹 簧 封 闭全 启 式 。② 容 积 为 1 O O m。 或 1 O m。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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 8 卷第 4期 2 。 0 9年 7月 石油化工设备 PE TR0一 CHEMI CAL E QUI PMENT VoI . 3 8 No . 4 J u l y 2 0 O 9 文 章 编 号 1 O O O 一 7 4 6 6 2 O o 9 O 4 一 O O 3 1 0 3 非标准封板 的应力分析及厚度优化 王成 刚 ,冯 磊 ,董 宇涵 ,张 平。 , 王小 雨 1 . 武汉工程大学 机 电工程 学院 ,湖北 武汉 4 3 O 。 7 3 ; 2 . 中国神华煤制油有 限公 司 ,北京 1 O 0 O l 1; 3 . 湖北登峰换热器有 限公 司 ,湖北 大冶4 3 5 1 O 。 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 1 0 0 m。的储 罐 , 应 设 置远 传 显 示 的 液 位 计 和 压 力 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 。 5 . 5 管 道 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 。S H 3 1 3 6 2 O 0 3 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 . 5 MP a _ 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 。 5 . 6支 柱防 火 GB 1 2 3 3 7 1 9 9 8 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 ] 。对 应 的在 GB 5 O 0 2 8 2 O 0 6 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 2 h 。 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 。 5 . 7 涂 装[ ] 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 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 。 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 中国劳动社会保 障出版社 , 1 9 9 9 . [ 2 ] 党 战伟 , 高 中稳 , 刘福 录 , 等. 液 态烃球 罐 消 防喷淋 设计 计算 口] . 石油化工设备 , 2 O 0 8 , 3 7 4 2 7 3 O . [ 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 , 2 o o 5 . [ 4 ] NAc E MR o 1 7 5 2 0 3 , 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 ] G B 5 0 0 2 8 2 0 ] 6 , 城镇燃气设计规范[ S ] . [ 6 ] S H 3 1 3 6 2 ∞3 , 液化烃球形储罐安全设计规范[ s ] . [ 7 ] GB 1 2 3 3 7 1 9 9 8 , 钢制球形储罐[ s ] . [ 8 ] NF P A 5 8 A一2 O O l , L i q u e f i e d P e t r 0 I e u m Ga s c 0 d e [ s ] . 许编 收 稿 日期 2 0 0 9 一 O 3 一 O 8 作者简介 王成刚 1 9 7 4 一 , 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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m