丙烯球罐的本质安全设计分析

设计技术

石油化工设计

Petrochemical

Design

2012，29（1）

1 3

丙烯球罐的本质安全设计分析

王子宗，孙成龙

（中国石化工程建设公司，北京100101）

摘要：介绍了本质安全设计的基本概念。运用本质安全设计的概念对球罐的安全设计进行了分析，特别是对于丙烯球罐在安全阀泄放过程中的温压变化进行了动态模拟；对处于低温状态下球罐的温升进行了模拟，探讨了球罐的材质选择及安全防护策略。通过对丙烯球罐的各种工况进行深入的研究，选择对于保证本质安全是至关重要的，并且往往可以去掉冗余的联锁系统或降低其复杂性。合适的设备材料，

关键词：丙烯球罐

本质安全设计

泄压

动态模拟

丙烯球罐在石油化工行业得到了广泛的使它往往作为上下游工艺装置之间工艺物料或用，

最终产品的临时储存设施。因为球罐储存大量危险性很高的丙烯，操作压力比较高，一旦发生泄漏或破裂有可能造成重大的人身伤亡和财产损失。本文结合本质安全设计的一些理念，对丙烯球罐的本质安全设计进行分析研究。1

22．1

丙烯球罐的本质安全设计分析强化/最小化

如果工艺装置没有易燃易爆物质，那我们就

不用担心泄漏后发生火灾爆炸事故。在很多情况下无法消除危险物质，但可以尽量减少系统中物可以考虑是否取料的储量。因此在方案设计时，

消球罐，而使用低温储存系统。很多时候必须采用球罐，此时可以考虑能否在不影响工艺操作的前提下，使球罐和管道的储存量是否可以大大减少？同样体积的球罐，装填系数为50%时，其储存90%等，结果是安全性的物料量要远远低于80%、大大提高。2．2

减弱

在丙烯出装置前或进入球罐前如果能够对物料进行闪蒸降温降压，然后使之储存在一个较低的压力下，则可以增强系统的安全性。2．3

限制影响

对于丙烯球罐，在总平面布置时，应该尽量使之远离有人的建筑物、社区及装置的常压罐区等敏感性地点，使之有足够的安全间距，这样一旦发火灾事故，最大限制事故的影响。图1是生爆炸、

用安全计算软件模拟的蒸气云爆炸产生的爆炸冲

收稿日期：2011－12－26。

1988年毕业于天津大学化学工作者简介：王子宗，男，程专业，硕士，现任中国石化工程建设公司副总经理、总工程师，一直从事技术管理工作。E －mail ：Wangzz．sei@sinopec．com

本质安全设计的基本概念

本质安全的设计主要是依靠基本的物理和化

即化学品的数量、性质和操作条件等来预学特征，

防人员伤害、环境破坏和财产损失，而不是单纯依联锁系统、报警和操作程序来阻止事靠控制系统、故的发生质。

（2）替代：用本质安全性更高的物质代替危险的物质，如在循环水系统中用次氯酸钠而不是氯气。

（3）减弱：如在更温和的操作条件下使用危险物质；改变危险物质的状态，尽量降低物料能量释放的影响。

（4）限制影响：如围堤、围堵性质的建筑物；增大安全距离。

（5）简化或容错：如提高设备的设计压力而取消联锁系统等附加设施。

［1］

。本质安全设计的基本理念包括：

（1）强化/最小化：如尽量使用最少的危险物

·2·石油化工设计第29卷

击力与随距离的变化关系。从图1可看出，爆炸冲击力随安全距离的增加衰减较快，因此适当增加安全距离是限制事故影响的行之有效的方法

。

安全阀复位后到罐体温度尚未回到常温时又二次充装物料进罐（即低温中压工况）。即在罐体温度尚未恢复到常温时就立即二次充压，这是最危险需考虑材料的耐低温性能，但如选低温钢的工况，

材料仍可保证安全，避免事故发生，如选择Q345R （16MnR ）钢则有可能发生材料的低温脆化问题。

（2）泄放过程的温压变化模拟。为了研究采用Q345R （16MnR ）材质的球罐的安全性，利用工艺模拟软件对工况2进行了模拟。假设在某种超压工况下，安全阀起跳没有回座，那么在不断泄压的过程中，球罐内物料的温度和压力在不断降低。

图1爆炸超压随距离的衰减

利用工艺模拟软件，对安全阀不能回座的工况进行偏向安全的动态模拟，得到温度、压力随泄放时间的变化曲线（见图2）

。

2．4简化或容错

通过对球罐的各种工况进行深入的研究，选

择合适的设备材料，对于保证球罐的本质安全是并且往往可以去掉冗余的联锁系统至关重要的，或降低其复杂性。

（1）丙烯球罐设计工况分析。一般来讲，球罐设计工况的选择原则是：

1）由工艺操作的正常工况确定操作温度、压力，然后由操作温度、压力确定设计温度、设计压再由设计温度、设计压力及介质特性决定选用力，

材质。球罐的正常操作工况包括球罐开车（进料）、停车（卸料）及正常运行的工况。质量安全事故造成的泄漏事故不作为正常操作工况。球罐操作温度、操作压力是指球罐正常操作工况下的进料、出料、储存及安全卸压阀排放下的温度、压力。

2）目前大部分丙烯球罐采用的材质为16MnR ，丙烯常压下的沸点为－47．7ħ 。在非正常操作（如：超压安全阀动作排放；进料瞬时闪蒸，不适当的料液排放；接口发生泄漏等）条件下有可能出现球壳金属低温工况，因此丙烯球罐选用16MnR 材质，其安全性到底能否满足要求是设计过程中经常遇到的问题。

3）通过对丙烯球罐的操作工况分析，可以得出对设计条件（温度、压力）影响最大的两种工况。工况1：物料进料、贮存（此时是常温中压工况），直到超压安全阀排放未回座（此时是低温常压工况）。这种情况属正常操作范围，可选Q345R （16MnR ）材料，球罐是安全的。工况2：系统超安全阀起跳排放，但未回座（低温常压工况），压，

时间点/min液体温度/ħ

系统压力（表）/ˑ 0．1MPa

图2丙烯球罐内温度和压力随泄放时间变化

可以根据上图对任何泄放时间点对应的系统压力和温度进行查询，然后对比球罐和管件、附件、仪表所用材料的性质、壁厚等数据对球罐的安全性进行分析，判断是否会发生冷脆等重大事故。如我们可以选择泄放过程中的三个时间点，每个时间点下系统温度和压力如表1所示。

表1

项目

120－103

三个时间点的温度和压力

数值170－202

240－360．4

结合Q345R （16MnR ）材质的性质和设计情况可以对泄放过程中罐体是否会发生冷脆做出判断（结论应该是安全的）。

（3）自然环境下的温升过程模拟。利用安全模拟软件对处于温度－10ħ ，压力（表）0．3MPa 的丙烯球罐，在自然环境下并且有太阳热辐射（偏

第29卷王子宗等．丙烯球罐的本质安全设计分析·3·

向安全）的条件下进行温升计算，得到如图3所示的计算结果（说明：软件目前还不能模拟从－40ħ 的低温回升过程，但可以模拟从－10ħ 的回升丙烯球罐的温升是个非常过程）。从图3可看出，

缓慢的过程；从－40ħ 升到40ħ ，大概需要35h 。结合丙烯球罐的材料性质和壁厚进一步分析可以判断，在此温度上升过程中，如果没有外来压力源，球罐本身是安全的

。

（16MnR ）是经济、安全的，满足操作和规范要求。但根据模拟结果，我们可以看出，由于工艺本质上是安全的，这样对联锁系统的依赖性会大大降低，不必设计安全完整性等级（SIL ）很高的联锁回路，从而节省了设计费用和维护费用。与丙烯球罐的分析过程类似，我们可以对任何于工艺装置运用本质安全的设计理念，这样不仅可以加深对工艺过程的理解，而且可以设计更加安全稳定的工艺装置。3

丙烯球罐的本质安全设计的评审

本质安全设计是工艺安全管理的重要内容。与质量、职业健康安全管理体系类似，工艺安全管理也要实现闭环管理。其基本的管理模式是：策划、实施与运行、检查。因此在球罐的设计过程中，除应用本质安全设计的理念外，还要进行本质安全设计的评审（Inherently Safe Design Review ），这实际上就是一个检查的过程。这个评审过程的但重点是检组织和执行方式与HAZOP 分析类似，

查和评审本质安全设计的标准、原则在设计中的落实情况。一些国际知名的石化公司将安全管理正在积极探索和运用本质安的关口进一步前移，

全设计的理念和原则。鉴于篇幅关系，笔者就不对相关内容展开论述。参考文献：

［1］Inherent Safer Chemical Process ，A life Cycle Approach．New

2009．Jersey ：John Wiley ＆Sons Inc ，

图3常温环境下丙烯球罐内温压随时间变化趋势

1－液体温度/ħ；2－系统压力（表）/ˑ 0．1MPa

（4）结果分析。根据上面的模拟结果，丙烯球罐选用Q345R （16MnR ）材质，对于安全阀不能回如果没有外来座的泄放过程以及自然升温过程，

压力源，球罐应该不会发生冷脆事故。在丙烯球罐贮存系统中，还应在测量和控制系统、以及生产最大限度避免此种情形的出现，操作上采取措施，

如：设置温度联锁，避免在温度较低时对球罐进料一旦一个安全阀不能回座，充压；设置双安全阀，

则应立即关闭该安全阀的根部阀，启用备用安全阀。在有上述工艺措施情况下，罐体选Q345R

檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼

·石化在线·

中国石化乙烯装置样板炉改造

为打造世界一流的乙烯装置水平，中国石化依据国外先进的裂解炉标准，分别在扬子石化和茂名石化各确定一台裂解炉，作为样板炉实施节能改造，在达到预期节能目标的同时，将为中国石化今后的裂解炉改造提供参考样板。2012年25月初投料开车。月9日，扬子石化乙烯装置样板炉改造正式开工，计划4月30中交，

扬子石化的样板炉为乙烯新区01号裂解炉，该台裂解炉为轻油炉，设计原料为石脑油及轻石脑油，由于工程设计、炉管材质等条件的制约，目前实际投油量约为原设计的90%；热效率只有93%左右；运行周期仅有40天左右；辐射段耐火材料老化，散热损失较大；原设计中采用普通风机，能耗较高。

中国石化计划利用多项先进节能技术和节能材质对该台样板炉实施节能改造，包括变频调速技术、炉管强化传热技术、新型保温材料等。改造后，样板炉的石脑油处理能力将大大提高，炉子排烟温度将下降20ħ 左右，热效率将达到95%以上，运行周期将达到80天以上。目前，扬子石化样板炉改造工程正在全面施工，有序进行。

＜中国化工信息网＞2012－02－22

ＡＢＳＴＲＡＣＴＳ　

ＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＤＥＳＩＧＮ　

Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ１９８４．Ｑｕａｒｔｅｒｌ．２５Ｆｅｂ．２０１２Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．１·Ⅰ·Ｓｔａｒｔｅｄ　　ｙ

ＳＴＵＤＹＯＮＩＮＨＥＲＥＮＴＬＹＳＡＦＥＤＥＳＩＧＮＯＦＰＲＯＰＹＬ　　　　　　－

［］ＥＮＥＳＰＨＥＲＥＳ１　

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］ＮＡＡＮＤＴＨＥＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮ［１０　　　

ＷａｎＺｉｚｏｎＳｕｎ　ＣｈｅｎｌｏｎＳＩＮＯＰＥＣ　Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｇ，ｇｇ（ｇｇ

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］ＧＡＩＮＳＴＬＩＧＨＴＮＩＮＧＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ［４　　

ＬｉＣｈｕｈｅ，ＬｉＬｅｉ，ＬｉＺｈｕｏ（ＳＩＮＯＰＥ　ＥｎｉｎｅｅｒｉｎＩｎｃｏｒ－　　　ｇｇ　

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］ＴＥＧＲＡＴＩＯＮ［１７

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