危化品覆土罐的设计优化

2023-02-22邹雄刘纪昌刘振学濮鑫韩鑫叶磊马韵升

当代化工研究 2023年23期

＊邹雄刘纪昌刘振学濮鑫韩鑫叶磊马韵升∗

（1.山东京博控股基团有限公司山东 256500 2.华东理工大学化工学院上海 200237）

危化品储罐泄漏、爆炸等事故给炼厂的安全生产带来了大量的不稳定因素。此外，危化品储罐在使用过程中出现裂纹或者受到外力损伤都会给储罐带来极大的安全隐患。随着企业安全、环保等意识的增强，为了减少危化品储罐的使用风险，研究人员提出覆土罐设计思路。覆土罐是一种罐体位于地面之下，罐体上用土覆盖的储罐。覆土罐与地上罐相比，覆土式储罐拥有更高的安全性和操作稳定性，避免了蒸汽云爆炸的发生，具有保护罐体避免其他破坏的损害，如临近热源的破坏，爆炸冲击波的破坏，飞溅物体的破坏，真正实现设备本质化的安全性[1-2]。覆土式储罐，在降低大气温度变化和周围环境影响的同时，也能使液化烃等危化品在较长时间内保持稳定，运行和生产更加稳定。此外，危化品储罐覆土后可以在一定程度上减少土地使用面积，减少消防设计投入，降低整体工程造价[3-4]。

我国危化品覆土罐的设计和应用还处于起步阶段，相关的设计和使用经验比较缺乏且尚未形成统一的设计规范。本文以覆土丙烷储罐为例对危化品覆土罐的设计进行优化，为覆土罐技术提供基础设计数据。

1.危化品覆土罐设计要点

由于目前还没有针对覆土罐设计的统一规范，本文根据EEMUA 190—2017[5]和ASME Section Ⅷ—2019[6]确定覆土储罐设计的要点。覆土罐体最大容积为3500m3，在厚度小于1m，覆土中小于0.063mm，颗粒质量小于10%，有机质含量小于3%的条件下，覆土厚度至少0.5m，应避免施工设备作业；多个储罐同时摆放时，储罐要有1m以上、8m以下的间隔；覆土罐体至少要达到25年以上的设计寿命。

2.设计参数的选择

(1)设计容量

单个储罐公称容积为2000m3。

(2)设计温度

罐体设计位置在工作温度范围-20℃至40℃的山东博兴县，贮存介质为易燃易爆气体。查询气相数据，发现设计温度最高为50℃，最低为-25℃。50℃下丙烷的饱和蒸汽压为P=1.6MPa，取最高工作压力PW=1.6MPa。

(3)设计压力

设计压力通常需要由设计温度确定，根据设计压力可以确定储罐壁厚。通常把设计压力取到与最高运行压力相当或略高的位置。覆土式罐体在地下覆盖沙土，无外部绝热层，罐体运行温度受环境温度影响。操作上有较大的压力，同时气温较高。在同一地区，覆土罐由于被覆土层包覆，其周边的温度均低于地面罐，因此设计压力也可以比地面罐设当降低。所以覆土罐的壁厚计算也比地上罐要薄一些，这样既能节约原料，又能减少制造费用。

由《固定式压力容器安全基数监察规程》可知，丙烷储罐设计压力应由规定温度下的丙烷工作压力确定。常温储存50℃丙烷的饱和蒸汽压为1.6MPa。再由《石化钢制压力容器》规定可知，工作压力低于1.8MPa时，设计压力为工作压力加上0.18MPa。综上所述，确定丙烷储罐的设计压力为1.78MPa。

(4)腐蚀裕量

丙烷罐介质是一种轻度腐蚀介质，设计使用年限为20年，按照平均不大于0.1mm/a的腐蚀速率来考虑，则设定了2mm的腐蚀裕量。

(5)装量系数

根据《固定压力容器安全基数监管规定》3.13条取丙烷储罐的装量系数为0.9，小于0.95的最大规定量。

3.覆土丙烷储罐的优化设计

(1)覆土丙烷储罐的载荷计算

覆土式罐体四周堆满细沙，罐体在承受介质内压和物料质量作用的同时，还要承受罐体四周混合土对罐体施加的外来压力，故与地上储罐相比，覆土储罐的耐受力更强。

①储罐自重载荷。储罐自重载荷为Q1：

式中，R为储罐半径，m；t为储罐厚度，m；γm为每立方米罐体的重量，kN/m3；L为罐体长度，m；W为加强圈重量，kN。

②储罐装载液体载荷。储罐装载液体载荷为Q2：

式中，γ1为每立方米丙烷的重量，kN/m3。

③覆土层带来的罐体受压计算。罐体上由于有覆土层，将给筒体和支座的造成负荷增大，使筒体承受外部的压力[3,7]，覆土罐的示意图见图1，地表层到覆土罐中心的距离为H，覆土罐的直径为R，覆土层的竖直压力为q0，在角度θ处的压力为qθ。

覆土层对罐体的压力Q3可以由公式（3）计算：

式中，γS为覆土层密度，kN/m3；H为覆土罐中线到覆土层上表面的距离，m；R为覆土罐的外径，m；l为两个加强圈之间的距离，m。

作用在覆土罐的径向压力q0可以由式（4）计算：

在角度θ处的压力qθ可以由式（5）计算。

θ=0处，覆土罐受到的压力最大。

图1 覆土层对罐体的压力示意图

(2)覆土丙烷储罐的机械设计与结构设计

①机械设计

②结构设计

A.液柱静压力

由于设计的为子弹罐，根据D=8600mm，所以液位最大高度为hmax≤D=8600mm。

所以：最大静压力为：P=ρgh=499×9.8×8.6=42.055kPa。

则P静可以忽略不记。

B.圆筒厚度的设计

存储温度应在-20～40℃之间，并考虑最大工作压力等条件，根据介质具有易燃、易爆、有毒和一定腐蚀性等特点。我们根据1998版GB 150标准，选用了材料强度为[σ]t=189MPa的低合金钢Q345R（钢标准为GB 6654）。罐体厚度根据式（7）计算。

因为低碳钢和低合金钢的要求是大于等于1mm的腐蚀裕度C1，所以选择C1的数值是2mm。

压力容器的负偏差由GB 3531《低温压力容器用低合金钢板》确定，通常Q345R钢板取负偏差C2=0.30mm。所以罐体的厚度为设计厚度、腐蚀余量和负偏差三种之和，δn=42.98，圆整后，δn=43mm。

(3)椭圆封头厚度的设计

封头材质的选用与筒身设计一致，均采用Q345R材质，以保证焊接工艺的质量。

同理，选取C1=2mm，C2=0.3mm。

则：δn=42.89mm

圆整后取名义厚度为：δn=43mm。

(4)覆土丙烷储罐区布置设计

①周转率法确定罐体容量

式中，VS表示某一油品以立方米为单位设计的总罐容；K是表示某一种油品的年周转系数的一个常量，我们取K值为15；ρ是丙烷密度，T/m3；G是丙烷的年销量，T/a；η为油品利用系数，取值0.95。

对于丙烷，假设年销售为10万吨：

G=100000T/a ρ=0.499T/m3K=15 η=0.95

所以覆土罐区至少需要8个2000m3的丙烷储罐，本设计覆土罐区布置10个2000m3的丙烷储罐。

②丙烷储罐布置

根据《油库设计规范》，油罐防火间距参考表1。

表1 油罐之间的防火距离参照

由于没有针对覆土罐的安全距离标准，本文从以下几个方面优化设计。

A.EEMUA 190—2017规定覆土储罐之间的间距需要大于1m，可以小于8m。

B.《石油化工企业设计防火规范》中关于埋地储罐之间的间距规定防火距离可以较常规减少50%。

C.车用LPG加气站的LPG采用的是埋藏式罐体，LPG中丙烷含量在80%以上，因此参照GB 50156—2012《施工规范》中车用加气站设计要求，罐体间距不应小于2m。

本设计中D=8600mm，0.4D=3440mm，故取覆土式丙烷储罐之间的距离为3.5m，该取值满足上述三点规范要求。

③丙烷输送泵

因为丙烷容易汽化，所以可以选择逆循环式屏蔽泵作为输送泵。

④丙烷压缩机

丙烷压气机采用LPG压气机，其结构为风冷无油润滑往复活塞式，由HEPA滤清器、管道系统、隔爆马达、气体分离器、二位四通阀等组成。保护系统包括安全阀、切断阀和浮子。丙烷槽车、槽船装卸，丙烷装瓶、倒罐作业，以及余气、残液回收等均可实现。

⑤防爆要求

由于丙烷的分别达到IIA，引燃温度组别达到由T2，所以根据《可燃气体或蒸汽爆炸混合物分级及组分》的规定，在丙烷罐区内，应根据以上等级、组别选择全部防爆电器设备。

(4)覆土罐消防设计

该油库设计共有10个储罐，总容量TV=20000m3，根据GB 50160—2008《石油库防火设计规范》，对于10000m3≤TV＜30000m3的油库属于三级油库。

①泡沫灭火系统。本设计泡沫泵、混合器、泡沫发生器和消防栓等的配置主要根据GB 50160—2008《石油库防火设计规范》确定。

A.覆土罐区灭火泡沫液的用量计算

查《石油库防火设计规范》，泡沫的总用量由式（9）计算：

式中，W表示一次性灭火泡沫混合液，L；W1表示规定时间内罐体灭火设备的泡沫用量，L；W2表示油罐流散油液体时在规定时间内灭火需要的泡沫量，L；W3表示消防管道最大持液量，L。

B.泡沫液灭火最小储备水量计算

通过式（10）可以计算出泡沫灭火系统所需的最小储水量。

C.压力式比例混合装置

采用了PHZY3/100/60压泡比例混合装置进行设计。本设计包括泡沫储存罐、胶囊、压力比例混合器、安全阀、控制阀及部分辅件等。灭火原理为消防水经过设备时，压力比例混合器将一部分水分流到胶囊的泡沫液储罐夹层，这部分水挤压胶囊，使得部分泡沫进入主管道与消防水混合，然后进入泡沫发生器，达到快速灭火的目的。

泡沫储罐的体积V可以根据《油库设计与管理》计算：

V=1.1WK

泡沫液的流量为：

泡沫液的设计流量为：

以上泡沫混合液用量和泡沫液灭火系统用水最小储备量的计算准则为《石油库防火设计规范》，但是覆土罐的罐体位于地面之下，储罐上方被覆土层包覆，可以有效与外界隔离，储罐的安全性更高，火灾产生的风险比地面储罐更低。故根据《石油库防火设计规范》进行覆土罐消防设计可以高标准配置消防设施。