避 漤 石油化工设计 Petrochemical Design 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 合适的设备材料，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。 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 用，它往往作为上下游工艺装置之间工艺物料或 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 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 学特征，即化学品的数量、性质和操作条件等来预 防人员伤害、环境破坏和财产损失，而不是单纯依 靠控制系统、联锁系统、报警和操作程序来阻止事 故的发生⋯ 。本质安全设计的基本理念包括： (1)强 最小化：如尽量使用最少的危险物 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。 2 丙烯球罐的本质安全设计分析 2．1 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 料的储量。因此在方案设计时，可以考虑是否取 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 的物料量要远远低于80％ 、90％ 等，结果是安全性 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 生爆炸、火灾事故，最大限制事故的影响。图1是 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。 作者简介：王子宗，男，1988年毕业于天津大学化学工 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．tom 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。 皇 0 蝼 图1 爆炸超压随距离的衰减 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 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。 (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 力，再由设计温度、设计压力及介质特性决定选用 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一47．7℃ 。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 压，安全阀起跳排放，但未回座(低温常压工况)， 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 的工况，需考虑材料的耐低温性能，但如选低温钢 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。 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)。 皇 0 × 二 __11；【 一 、 瞿堡i 赠 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 三个时间点的温度和压力 项目 数值 时间点／min 120 170 24O 液体温度／℃ 一1O 一2O 一36 系统压力(表)／×O．1MPa 3 2 0．4 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一10℃ ，压力(表)0．3 MPa 的丙烯球罐，在自然环境下并且有太阳热辐射(偏 6 4 2 O 8 6 4 2 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一40 ℃的低温回升过程，但可以模拟从一10℃的回升 过程)。从图3可看出，丙烯球罐的温升是个非常 缓慢的过程；从一40℃升到40℃ ，大概需要35 h。 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。 对 凸一 皇 一 0 × 、 ● 、 越 赠 图3 常温环境下丙烯球罐内温压随时间变化趋势 1一液体温度／℃ ；2一系统压力(表)／×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 座的泄放过程以及自然升温过程，如果没有外来 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 操作上采取措施，最大限度避免此种情形的出现， 如：设置温度联锁，避免在温度较低时对球罐进料 充压；设置双安全阀，一旦一个安全阀不能回座， 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 (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 组织和执行方式与HAZOP分析类似，但重点是检 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 的关口进一步前移，正在积极探索和运用本质安 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 Jersey：John Wiley＆ Sons Inc．2009． 。届他雀线‘ 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2 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，5月初投料开车。 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4|D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20℃左右，热效率将达到95％ 以上，运行周期将达到8O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</中国化工信息网>