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丙烯球罐的本質(zhì)安全設(shè)計分析

文檔作者：王子宗孫成龍文檔來源：中國石化工程建設(shè)公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月07日
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避 漤 石油化工設(shè)計 Petrochemical Design
丙烯球罐的本質(zhì)安全設(shè)計分析
王子宗，孫成龍
(中國石化工程建設(shè)公司，北京100101)
摘要：介紹了本質(zhì)安全設(shè)計的基本概念。運用本質(zhì)安全設(shè)計的概念對球罐的安全設(shè)計進行了分析，
特別是對于丙烯球罐在安全閥泄放過程中的溫壓變化進行了動態(tài)模擬；對處于低溫狀態(tài)下球罐的溫升進
行了模擬，探討了球罐的材質(zhì)選擇及安全防護策略。通過對丙烯球罐的各種工況進行深入的研究，選擇
合適的設(shè)備材料，對于保證本質(zhì)安全是至關(guān)重要的，并且往往可以去掉冗余的聯(lián)鎖系統(tǒng)或降低其復(fù)雜性。
關(guān)鍵詞：丙烯球罐本質(zhì)安全設(shè)計泄壓動態(tài)模擬
丙烯球罐在石油化工行業(yè)得到了廣泛的使
用，它往往作為上下游工藝裝置之間工藝物料或
最終產(chǎn)品的臨時儲存設(shè)施。因為球罐儲存大量危
險性很高的丙烯，操作壓力比較高，一旦發(fā)生泄漏
或破裂有可能造成重大的人身傷亡和財產(chǎn)損失。
本文結(jié)合本質(zhì)安全設(shè)計的一些理念，對丙烯球罐
的本質(zhì)安全設(shè)計進行分析研究。
1 本質(zhì)安全設(shè)計的基本概念
本質(zhì)安全的設(shè)計主要是依靠基本的物理和化
學(xué)特征，即化學(xué)品的數(shù)量、性質(zhì)和操作條件等來預(yù)
防人員傷害、環(huán)境破壞和財產(chǎn)損失，而不是單純依
靠控制系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、報警和操作程序來阻止事
故的發(fā)生? 。本質(zhì)安全設(shè)計的基本理念包括：
(1)強 最小化：如盡量使用最少的危險物
質(zhì)。
(2)替代：用本質(zhì)安全性更高的物質(zhì)代替危險
的物質(zhì)，如在循環(huán)水系統(tǒng)中用次氯酸鈉而不是氯
氣。
(3)減弱：如在更溫和的操作條件下使用危險
物質(zhì)；改變危險物質(zhì)的狀態(tài)，盡量降低物料能量釋
放的影響。
(4)限制影響：如圍堤、圍堵性質(zhì)的建筑物；增
大安全距離。
(5)簡化或容錯：如提高設(shè)備的設(shè)計壓力而取
消聯(lián)鎖系統(tǒng)等附加設(shè)施。
2 丙烯球罐的本質(zhì)安全設(shè)計分析
2．1 強化／最小化
如果工藝裝置沒有易燃易爆物質(zhì)，那我們就
不用擔心泄漏后發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。在很多情況
下無法消除危險物質(zhì)，但可以盡量減少系統(tǒng)中物
料的儲量。因此在方案設(shè)計時，可以考慮是否取
消球罐，而使用低溫儲存系統(tǒng)。很多時候必須采
用球罐，此時可以考慮能否在不影響工藝操作的
前提下，使球罐和管道的儲存量是否可以大大減
少?同樣體積的球罐，裝填系數(shù)為50％時，其儲存
的物料量要遠遠低于80％ 、90％ 等，結(jié)果是安全性
大大提高。
2．2 減弱
在丙烯出裝置前或進入球罐前如果能夠?qū)ξ?
料進行閃蒸降溫降壓，然后使之儲存在一個較低
的壓力下，則可以增強系統(tǒng)的安全性。
2．3 限制影響
對于丙烯球罐，在總平面布置時，應(yīng)該盡量使
之遠離有人的建筑物、社區(qū)及裝置的常壓罐區(qū)等
敏感性地點，使之有足夠的安全間距，這樣一旦發(fā)
生爆炸、火災(zāi)事故，最大限制事故的影響。圖1是
用安全計算軟件模擬的蒸氣云爆炸產(chǎn)生的爆炸沖
收稿日期：2011—12—26。
作者簡介：王子宗，男，1988年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工
程專業(yè)，碩士，現(xiàn)任中國石化工程建設(shè)公司副總經(jīng)理、
總工程師，一直從事技術(shù)管理工作。E—mail：Wangzz．
sei@ sinopec．tom
石油化工設(shè)計 第29卷
擊力與隨距離的變化關(guān)系。從圖1可看出，爆炸
沖擊力隨安全距離的增加衰減較快，因此適當增
加安全距離是限制事故影響的行之有效的方法。
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圖1 爆炸超壓隨距離的衰減
2．4 簡化或容錯
通過對球罐的各種工況進行深入的研究，選
擇合適的設(shè)備材料，對于保證球罐的本質(zhì)安全是
至關(guān)重要的，并且往往可以去掉冗余的聯(lián)鎖系統(tǒng)
或降低其復(fù)雜性。
(1)丙烯球罐設(shè)計工況分析。一般來講，球罐
設(shè)計工況的選擇原則是：
1)由工藝操作的正常工況確定操作溫度、壓
力，然后由操作溫度、壓力確定設(shè)計溫度、設(shè)計壓
力，再由設(shè)計溫度、設(shè)計壓力及介質(zhì)特性決定選用
材質(zhì)。球罐的正常操作工況包括球罐開車(進
料)、停車(卸料)及正常運行的工況。質(zhì)量安全事
故造成的泄漏事故不作為正常操作工況。球罐操
作溫度、操作壓力是指球罐正常操作工況下的進
料、出料、儲存及安全卸壓閥排放下的溫度、壓力。
2)目前大部分丙烯球罐采用的材質(zhì)為
16MnR，丙烯常壓下的沸點為一47．7℃ 。在非正
常操作(如：超壓安全閥動作排放；進料瞬時閃蒸，
不適當?shù)牧弦号欧牛唤涌诎l(fā)生泄漏等)條件下有可
能出現(xiàn)球殼金屬低溫工況，因此丙烯球罐選用
16MnR材質(zhì)，其安全性到底能否滿足要求是設(shè)計
過程中經(jīng)常遇到的問題。
3)通過對丙烯球罐的操作工況分析，可以得
出對設(shè)計條件(溫度、壓力)影響最大的兩種工況。
工況1：物料進料、貯存(此時是常溫中壓工況)，
直到超壓安全閥排放未回座(此時是低溫常壓工
況)。這種情況屬正常操作范圍，可選Q345R
(16MnR)材料，球罐是安全的。工況2：系統(tǒng)超
壓，安全閥起跳排放，但未回座(低溫常壓工況)，
安全閥復(fù)位后到罐體溫度尚未回到常溫時又二次
充裝物料進罐(即低溫中壓工況)。即在罐體溫度
尚未恢復(fù)到常溫時就立即二次充壓，這是最危險
的工況，需考慮材料的耐低溫性能，但如選低溫鋼
材料仍可保證安全，避免事故發(fā)生，如選擇Q345R
(16MnR)鋼則有可能發(fā)生材料的低溫脆化問題。
(2)泄放過程的溫壓變化模擬。為了研究采
用Q345R(16MnR)材質(zhì)的球罐的安全性，利用工
藝模擬軟件對工況2進行了模擬。假設(shè)在某種超
壓工況下，安全閥起跳沒有回座，那么在不斷泄壓
的過程中，球罐內(nèi)物料的溫度和壓力在不斷降低。
利用工藝模擬軟件，對安全閥不能回座的工況進
行偏向安全的動態(tài)模擬，得到溫度、壓力隨泄放時
間的變化曲線(見圖2)。
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圖2 丙烯球罐內(nèi)溫度和壓力隨泄放時間變化
可以根據(jù)上圖對任何泄放時間點對應(yīng)的系統(tǒng)
壓力和溫度進行查詢，然后對比球罐和管件、附
件、儀表所用材料的性質(zhì)、壁厚等數(shù)據(jù)對球罐的安
全性進行分析，判斷是否會發(fā)生冷脆等重大事故。
如我們可以選擇泄放過程中的三個時間點，每個
時間點下系統(tǒng)溫度和壓力如表1所示。
表1 三個時間點的溫度和壓力
項目 數(shù)值
時間點／min 120 170 24O
液體溫度／℃ 一1O 一2O 一36
系統(tǒng)壓力(表)／×O．1MPa 3 2 0．4
結(jié)合Q345R(16MnR)材質(zhì)的性質(zhì)和設(shè)計情況
可以對泄放過程中罐體是否會發(fā)生冷脆做出判斷
(結(jié)論應(yīng)該是安全的)。
(3)自然環(huán)境下的溫升過程模擬。利用安全
模擬軟件對處于溫度一10℃ ，壓力(表)0．3 MPa
的丙烯球罐，在自然環(huán)境下并且有太陽熱輻射(偏
6 4 2 O 8 6 4 2
第29卷 王子宗等．丙烯球罐的本質(zhì)安全設(shè)計分析 ·3 ·
向安全)的條件下進行溫升計算，得到如圖3所示
的計算結(jié)果(說明：軟件目前還不能模擬從一40
℃的低溫回升過程，但可以模擬從一10℃的回升
過程)。從圖3可看出，丙烯球罐的溫升是個非常
緩慢的過程；從一40℃升到40℃ ，大概需要35 h。
結(jié)合丙烯球罐的材料性質(zhì)和壁厚進一步分析可以
判斷，在此溫度上升過程中，如果沒有外來壓力
源，球罐本身是安全的。
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圖3 常溫環(huán)境下丙烯球罐內(nèi)溫壓隨時間變化趨勢
1一液體溫度／℃ ；2一系統(tǒng)壓力(表)／×0．1MPa
(4)結(jié)果分析。根據(jù)上面的模擬結(jié)果，丙烯球
罐選用Q345R(16MnR)材質(zhì)，對于安全閥不能回
座的泄放過程以及自然升溫過程，如果沒有外來
壓力源，球罐應(yīng)該不會發(fā)生冷脆事故。在丙烯球
罐貯存系統(tǒng)中，還應(yīng)在測量和控制系統(tǒng)、以及生產(chǎn)
操作上采取措施，最大限度避免此種情形的出現(xiàn)，
如：設(shè)置溫度聯(lián)鎖，避免在溫度較低時對球罐進料
充壓；設(shè)置雙安全閥，一旦一個安全閥不能回座，
則應(yīng)立即關(guān)閉該安全閥的根部閥，啟用備用安全
閥。在有上述工藝措施情況下，罐體選Q345R
(16MnR)是經(jīng)濟、安全的，滿足操作和規(guī)范要求。
但根據(jù)模擬結(jié)果，我們可以看出，由于工藝本質(zhì)上
是安全的，這樣對聯(lián)鎖系統(tǒng)的依賴性會大大降低，
不必設(shè)計安全完整性等級(SIL)很高的聯(lián)鎖回路，
從而節(jié)省了設(shè)計費用和維護費用。與丙烯球罐的
分析過程類似，我們可以對任何于工藝裝置運用
本質(zhì)安全的設(shè)計理念，這樣不僅可以加深對工藝
過程的理解，而且可以設(shè)計更加安全穩(wěn)定的工藝
裝置。
3 丙烯球罐的本質(zhì)安全設(shè)計的評審
本質(zhì)安全設(shè)計是工藝安全管理的重要內(nèi)容。
與質(zhì)量、職業(yè)健康安全管理體系類似，工藝安全管
理也要實現(xiàn)閉環(huán)管理。其基本的管理模式是：策
劃、實施與運行、檢查。因此在球罐的設(shè)計過程
中，除應(yīng)用本質(zhì)安全設(shè)計的理念外，還要進行本質(zhì)
安全設(shè)計的評審(Inherently Safe Design Review)，
這實際上就是一個檢查的過程。這個評審過程的
組織和執(zhí)行方式與HAZOP分析類似，但重點是檢
查和評審本質(zhì)安全設(shè)計的標準、原則在設(shè)計中的
落實情況。一些國際知名的石化公司將安全管理
的關(guān)口進一步前移，正在積極探索和運用本質(zhì)安
全設(shè)計的理念和原則。鑒于篇幅關(guān)系，筆者就不
對相關(guān)內(nèi)容展開論述。
參考文獻：
[1] Inherent Safer Chemical Process，A life Cycle Approach．New
Jersey：John Wiley＆ Sons Inc．2009．
。屆他雀線‘ 中國石化乙烯裝置樣板爐改造
為打造世界一流的乙烯裝置水平，中國石化依據(jù)國外先進的裂解爐標準，分別在揚子石化和茂名石化各確定一臺裂
解爐，作為樣板爐實施節(jié)能改造，在達到預(yù)期節(jié)能目標的同時，將為中國石化今后的裂解爐改造提供參考樣板。2012年2
月9日，揚子石化乙烯裝置樣板爐改造正式開工，計劃4月30中交，5月初投料開車。
揚子石化的樣板爐為乙烯新區(qū)01號裂解爐，該臺裂解爐為輕油爐，設(shè)計原料為石腦油及輕石腦油，由于工程設(shè)計、爐
管材質(zhì)等條件的制約，目前實際投油量約為原設(shè)計的90％ ；熱效率只有93％左右；運行周期僅有4|D天左右；輻射段耐火材
料老化，散熱損失較大；原設(shè)計中采用普通風(fēng)機，能耗較高。
中國石化計劃利用多項先進節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材質(zhì)對該臺樣板爐實施節(jié)能改造，包括變頻調(diào)速技術(shù)、爐管強化傳熱技
術(shù)、新型保溫材料等。改造后，樣板爐的石腦油處理能力將大大提高，爐子排煙溫度將下降20℃左右，熱效率將達到95％
以上，運行周期將達到8O天以上。目前，揚子石化樣板爐改造工程正在全面施工，有序進行。
<中國化工信息網(wǎng)>2012—02—22</中國化工信息網(wǎng)>

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