浅谈12 万m3 混凝土全包容低温丙烷储罐的安全措施

陈义丰，王占丽，刘晓成，杨春亮，张波杰，张文学，于广军

（1.宁波金发新材料有限公司，浙江 宁波 315800；2.诺安实力可商品检验（宁波）有限公司，浙江 宁波 315040）

随着越来越多丙烷脱氢装置的投产，对原料低温丙烷的需求日益增加，低温储存系统迅猛发展。因具有存储容量大、安全性能高、维护成本低、使用寿命长等优点，低温丙烷储罐作为丙烷脱氢装置的配套设施得以广泛应用。

1 低温储罐的结构型式

低温储罐是专门用于储存和输送低温液体的设施，可用于包括丙烷、乙烯、液氨、液化气等物料的储存。根据结构的不同，低温储罐分为单包容储罐、双包容储罐和全包容储罐[1-4]。

1.1 单包容储罐

单包容罐是指单壁储罐或者由内罐和外容器组成的储罐，但只有内罐的设计和建造满足储存低温物料的要求。其外容器（如需要）起固定和保护隔热层的作用，不能容纳内罐泄漏的低温物料。通常这类储罐周围设置围堰以容纳泄漏出的液体。由于其结构特点，当内罐泄漏时，物料全部流入围堰内，容易形成蒸气云，安全性能低。适宜在远离人口密集区，不容易遭受灾害性破坏的地区使用，要求有较大的安全距离及占地面积。

1.2 双包容储罐

双包容储罐从设计和建造上使其内外罐都能够单独容纳所储存的低温物料的双层储罐。其内罐用于储存低温物料，外罐罐顶是不封闭的，仅能盛装从内罐泄漏出的低温液体，泄漏液体所产生的蒸发气体将从外罐顶部逸出。为尽可能地缩小罐内泄漏液体形成液池的范围，外罐与内罐之间的距离一般不大于6 m。双包容储罐安全性能比单包容储罐高，不需要设置防火堤，但需要较大的安全防护距离。

1.3 全包容储罐

全包容储罐是从设计和建造上使其内外罐都能单独容纳所储存的低温物料的双层储罐。其外罐与内罐之间的距离在1～2 m 之间。内罐用于储存低温物料，外罐不仅能盛装从内罐泄漏出的低温液体，且能够储存由泄漏液体所产生的蒸发气体，能够控制蒸发气体按照预定计划安全排放。全包容储罐目前可分为四种典型形式：第一种是内罐、外罐壁及外罐穹顶均为金属；第二种是内罐及外罐穹顶为金属，外罐壁为混凝土；第三种是内罐为金属，外罐壁及外罐穹顶为混凝土；第四种是内、外罐壁及外罐穹顶均为混凝土。低温储罐的特征见表1。

表1 低温储罐的特征

全包容式混凝土罐具有混凝土外罐和穹顶，可以承受外来飞行物体的打击和热辐射，对于周围的火险具有良好的耐受性。一旦事故发生，仍然可以输送物料，直至设备停车。由于全包容式混凝土罐具有抗外部风险能力强，承压能力高、后期维护费用低、安全性高、储存量大等优点，近十年来在大型低温储罐，特别是5 万m3以上的低温存储装置中得到越来越多的应用。从占地面积、安全性能、经济性及目前的技术发展等方面考虑，丙烷脱氢装置配套的低温丙烷罐均选择内罐为金属、外罐壁及外罐穹顶为预应力混凝土形式的全包容储罐。

2 低温丙烷储罐的工艺流程

本文以某企业12 万m3混凝土全包容低温丙烷储罐为例，该设施为下游60 万t/a 的丙烷脱氢装置提供原料。低温丙烷储罐主要功能是对低温丙烷进行储存及输送，可将储存的低温丙烷输出至下游装置。主要包括丙烷卸船系统、储存系统、丙烷蒸发气处理系统及丙烷外输系统。低温丙烷运输船到达码头后，通过液相卸船臂和卸料管线，借助船上卸料泵将丙烷送进丙烷储罐内。卸料期间，由于外界能量的输入，储罐内将产生蒸发气，这些蒸发气体通过压缩机升压，然后经过换热再液化后返回储罐。储罐内的液相丙烷输出至下游丙烷脱氢装置。工艺流程示意图见图1。

图1 低温丙烷储罐工艺流程示意图

低温丙烷储罐内罐采用经热处理的碳锰硅钢板（A537CL2），外罐采用预应力混凝土材料，有效容积为12 万m3，设计压力为-0.49 kPa～29 kPa（表压），设计温度为-48 ℃～60 ℃。储罐操作压力为7 kPa～25 kPa（表压），通过BOG 压缩机抽出受热产生的蒸发气体以维持压力的稳定，抽出的气体再液化后送回罐内。在发生事故工况下，储罐的安全阀超压排放、BOG 压缩机安全阀的超压排放等气体排入火炬系统进行安全处理。保冷系统包括罐底保冷系统、罐壁保冷系统、吊顶板保冷系统及接管保冷系统。罐底保冷系统包括支撑环梁部分和罐底保冷层部分。由找平层、泡沫玻璃绝热层以及沥青毡中间层组成。混凝土外罐壁和内罐壁之间的环形空间填充膨胀珍珠岩粉末，内罐壁外侧包裹弹性毡，铺设在内罐壁外侧的弹性毡使环形空间在填充珍珠岩后有足够的体积补偿。位于内罐之上的吊顶板上铺有玻璃纤维棉，用于减少罐顶的冷量损失。储罐保冷系统设计使得储罐的最大蒸发率满足日最大蒸发量不超过储罐容量0.03 wt%的要求，同时满足外罐最低设计温度，避免外壁结露和基础土壤冻结。为了防止罐底土壤结冰，低温丙烷储罐混凝土基础采用了电伴热系统。为减少丙烷泄漏，罐内所有物料进出管道及仪表接管均从罐体顶部连接。丙烷储罐安装了压力、温度和液位测量设施。

3 低温丙烷储罐主要危险性分析

根据《危险化学品目录（2015 版）》，低温丙烷储罐储存、输送的物料丙烷为危险化学品，属于甲类火灾危险物质，一旦泄漏与空气接触，形成爆炸混合气体，遇点火源可能发生火灾爆炸事故。12 万m3低温丙烷储罐最大储存量为63500 t丙烷，根据TNT（炸药，三硝基甲苯）当量计算公式[5]：

式（1）中：WTNT为物质爆炸的TNT 当量，kg；a为地面爆炸系数，取1.8；A 为蒸气云的TNT 当量系数，取0.04；Wf为爆炸物料的质量，kg；Qf为爆炸物料的燃烧热，kJ/kg，丙烷的燃烧热Qf为50404.55 kJ/kg；QTNT为TNT 的燃烧热，一般取4500 kJ/kg。

通过计算得出63500 t 丙烷TNT 当量为51211 t，一旦发生火灾爆炸事故，后果是难以设想的，这就对安全、消防等方面提出了非常严的要求。

按照《危险化学品重大危险源辨识》（GB 18218—2018），丙烷临界量为10 t，12 万m3低温丙烷储罐最大储存量为63500 t，远远超过临界量[6]。根据重大危险源分级指标计算公式：

式（2）中：q1、q2……qn为每种危险化学品实际存在量，t；Q1、Q2……Qn为与各危险化学品相对应的临界量，t。

丙烷校正系数β 取1.5，根据厂区边界向外扩展500 m 范围内常住人口数量超过100 人，厂外暴露人员校正系数α 值取2，通过计算得R 值为19050，远远超过100，低温丙烷储罐构成一级危险化学品重大危险源。

低温丙烷储罐构成一级危险化学品重大危险源，储存大量的甲类火灾危险物质，一旦泄漏与空气接触，形成爆炸性混合气体，遇点火源可能发生后果难以设想的火灾爆炸事故。需要在可能发生的泄漏以及可能产生的点火源方面采取相应的安全措施。

发生丙烷泄漏的原因主要有三个方面：一是因设计不合理、选型不当、材质低劣或质量不合格、施工焊接质量差、法兰密封不良或管道连接处不牢固等质量缺陷引起的泄漏；二是人员违章作业造成管道超压泄漏、人员未监护导致丙烷卸船过程中发生超压溢出、操作人员未按规定时间巡检未能发现异常状况进而造成泄漏等由人的不安全行为引起的泄漏；三是地基沉降导致管道断裂、地震等自然灾害对储罐造成破坏、环境腐蚀引起管道减薄穿孔等由于环境因素导致的泄漏。

本项目储存运输过程中可能产生的点火源有：一是设备设施检修过程中的焊接、切割作业，若违章动火，或防护措施不当，易引发火灾爆炸事故；二是丙烷输送过程中因流动摩擦而产生的静电，若管路系统未做好防静电措施，会造成静电聚集，形成静电场，随着电位升高发生放电产生电火花，或者操作人员违规穿易产生静电的衣服、鞋时，在工作中产生摩擦而带上能引起爆炸、火灾事故的高电位的静电；三是当电气设备设施存在缺陷（如不防爆、未采取接零和漏电保护措施等）、发生故障（如超负荷、短路等）或操作不当时，有可能产生电火花和电弧引燃可燃物质进而发生火灾爆炸事故；四是卸船臂等设施的防雷设施不完善，可能在雷雨天因雷击引发火灾爆炸事故；五是使用的工具不当，使用金属工具与设备设施发生摩擦或撞击而产生的火花；六是现场吸烟，或人为纵火等违规行为引起火灾爆炸事故。

4 低温丙烷储罐采取的安全措施

4.1 总平面布置

低温丙烷储罐的设备设施及建筑物、构筑物的平面布置遵守《石油化工企业设计防火规范》（GB 50160—2008（2018 年版））和《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014（2018 年版））关于防火间距的要求。同类设备集中布置，便于安全生产和检修需求，实现本质安全。竖向设计时考虑工艺生产需要，保证场地排水顺畅。结合地形现状，充分利用地形地势，减少土石方量。道路布置满足生产、运输、安装、检修、消防的要求。

4.2 工艺及机电仪安全

工艺、设备、电气、自控仪表等方面采取一系列的防泄漏、防火、防爆等措施：

（1）丙烷储罐选用安全、可靠的混凝土全容罐，内罐材料采用碳锰硅钢板（A537CL2），外罐材料是预应力混凝土，内罐破裂后，混凝土外罐能够容纳所有泄漏的丙烷。且外罐机械强度高，抵御外界的冲击力强，安全性高。为减少丙烷泄漏，罐内所有物料进出管道及仪表接管均从罐体顶部连接。

（2）储罐、管道及阀门根据物料特性和工艺条件进行选材。采用密封性能良好的泵、阀门等设备和配件。储罐、管道及阀门的设计、制造、检验符合相关规范的要求。

（3）采取必要的安全报警及联锁设施，防止工艺参数超过设计安全值引发的火灾爆炸事故。

（4）丙烷BOG 压缩机设有冷凝器，长期运行由于振动、腐蚀、制造缺陷等原因可能造成丙烷内漏窜至循环水，存在安全风险。循环水站冷却水塔顶部风机处设置可燃气体泄漏检测报警系统，并且水压试验的耐压试验压力为设计压力的1.25 倍，降低内漏几率。

（5）采用分散型控制系统（DCS）及安全仪表系统（SIS）对储罐和输送系统的温度、压力、流量等实施监控、报警联锁和自动切断，确保装置高效、连续、可靠、安全地运行。SIS 独立于DCS 系统设置，采用通讯方式将信号单向传送给DCS 进行数据共享。并设置可燃/有毒气体报警系统（GDS）和视频监控系统等，可燃/有毒气体检测信号进入独立的GDS 系统。

（6）低温储罐在进料总管、泵的输出总管上设有紧急切断阀，可在紧急情况时隔离储罐与进料管线及外输管线。紧急切断阀的气动执行机构设置易熔塞，当温度达到易熔塞熔点时，压力泄放，阀门关闭。气动阀在故障时，阀门处于关位置。

（7）设置安全阀保证卸船线的使用安全。储罐设置火炬，储罐超压、开停车及事故工况产生的可燃气体排入火炬系统燃烧后排放。

（8）根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》的要求，划分爆炸火灾危险区域，在防爆区域内使用相应防爆等级的防爆产品。

（9）结合当地自然条件及物料的特性，设备及管道选用合适的防腐涂层及防腐技术。

（10）预应力混凝土外罐设计时考虑地震、台风荷载和爆炸、火灾等荷载工况，设计时以罐体稳定性及不渗漏为原则，保证罐体在开裂时仍可以承受一定的压力。

（11）当部分用电负荷中断供电后可能造成人员伤亡、重大设备损坏、发生爆炸和火灾事故等，此类用电负荷如仪表DCS、火灾报警系统等为一级负荷中特别重要负荷（即保安负荷），其它辅助设施为三级负荷。

（12）现场控制室的仪表及控制系统采用两路UPS，一路GPS 电源。

（13）设置火灾报警系统、工业电视监控系统及应急广播系统。

（14）建筑物、构筑物的防雷、接地设计按《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）和《石油化工装置防雷设计规范》（GB 50650—2011）执行。

（15）生产场所与作业地点的紧急通道和紧急出入口设置应急照明。

（16）按《石油化工企业设计防火标准》要求进行钢结构耐火保护设计。根据各单元的耐火等级要求，选用相应厚度并能适用于烃类火灾的防火涂料。涂有防火保护层的构件，其耐火极限不应低于2 h。

（17）按照《化工建设项目安全设计管理导则》(AQ/T 3033—2022)的要求，在基础设计阶段开展危险与可操作性研究（HAZOP）分析，在设计中针对HAZOP 分析报告提出的建议措施得到有效落实。

4.3 事故应急措施

（1）设置完整的消防水系统。消防供水量、水压及消防水池有效容积满足低温储罐消防设计要求。设有稳高压消防冷却水给水管网，消防冷却水主管成环状布置，埋地敷设，每隔40～60 m设置消火栓和消防炮。消火栓附近设置消火栓箱，消火栓箱内设置适宜的消防水带和水枪等。根据《石油化工企业设计防火标准》要求，全包容低温丙烷储罐设置固定式水喷雾冷却系统。对罐顶管道进出口等局部危险处设置水喷雾系统，固定水喷淋由雨淋阀组控制，当探测器报警并经人工确认后，通过消防控制室控制盘或现场手动开启雨淋阀组（固定水喷淋）。雨淋阀组布置位置与所保护储罐距离不小于15 m。

（2）在低温罐区、变配电室、雨淋阀室配置手提式或推车式干粉灭火器，以利于扑灭初起火灾。

（3）为达到快速、自救的目的，公司配有消防车，成立专职消防队。同时公司设置有气防站，配有器材室、休息室、维修间、充气室、车库等。气防站配备监护型气防救护车1 辆，车上备用便携式心肺复苏机、医用氧气瓶、急救药箱、担架、空气呼吸器、防毒面具、防化服等应急器材。气防救护车在突发事件情况下可对伤者进行救护，并以最快的速度送至协议医院进行救治。

（4）公司设置有较为完善的安全生产管理组织机构，制定较为完善的安全管理制度及操作规程。建立应急指挥部，指挥协调事故现场的应急处置与救援行动。制定事故应急预案，配备应急救援人员和应急救援物资、器材、设备，定期组织应急救援演练。

5 结语

针对低温丙烷储罐储存大量的甲类火灾危险物质，固有风险大，一旦发生火灾爆炸事故，后果难以设想。对低温丙烷储罐采取了一系列切实可行的安全措施，以期降低储罐的火灾爆炸危险性，提高储罐的本质安全。同时企业贯彻执行国家“安全第一、预防为主、综合治理”的安全方针，加强安全管理，确保各项安全措施有效落实，保证低温丙烷储罐安全稳定运行。