＊鄒雄 劉紀昌 劉振學 濮鑫 韓鑫 葉磊 馬韻升?

（1.山東京博控股基團有限公司 山東 256500 2.華東理工大學化工學院 上海 200237）

?；穬扌孤?、爆炸等事故給煉廠的安全生產帶來了大量的不穩(wěn)定因素。此外，?；穬拊谑褂眠^程中出現裂紋或者受到外力損傷都會給儲罐帶來極大的安全隱患。隨著企業(yè)安全、環(huán)保等意識的增強，為了減少?；穬薜氖褂蔑L險，研究人員提出覆土罐設計思路。覆土罐是一種罐體位于地面之下，罐體上用土覆蓋的儲罐。覆土罐與地上罐相比，覆土式儲罐擁有更高的安全性和操作穩(wěn)定性，避免了蒸汽云爆炸的發(fā)生，具有保護罐體避免其他破壞的損害，如臨近熱源的破壞，爆炸沖擊波的破壞，飛濺物體的破壞，真正實現設備本質化的安全性[1-2]。覆土式儲罐，在降低大氣溫度變化和周圍環(huán)境影響的同時，也能使液化烴等?；吩谳^長時間內保持穩(wěn)定，運行和生產更加穩(wěn)定。此外，?；穬薷餐梁罂梢栽谝欢ǔ潭壬蠝p少土地使用面積，減少消防設計投入，降低整體工程造價[3-4]。

我國?；犯餐凉薜脑O計和應用還處于起步階段，相關的設計和使用經驗比較缺乏且尚未形成統一的設計規(guī)范。本文以覆土丙烷儲罐為例對?；犯餐凉薜脑O計進行優(yōu)化，為覆土罐技術提供基礎設計數據。

1.危化品覆土罐設計要點

由于目前還沒有針對覆土罐設計的統一規(guī)范，本文根據EEMUA 190—2017[5]和ASME Section Ⅷ—2019[6]確定覆土儲罐設計的要點。覆土罐體最大容積為3500m3，在厚度小于1m，覆土中小于0.063mm，顆粒質量小于10%，有機質含量小于3%的條件下，覆土厚度至少0.5m，應避免施工設備作業(yè)；多個儲罐同時擺放時，儲罐要有1m以上、8m以下的間隔；覆土罐體至少要達到25年以上的設計壽命。

2.設計參數的選擇

(1)設計容量

單個儲罐公稱容積為2000m3。

(2)設計溫度

罐體設計位置在工作溫度范圍-20℃至40℃的山東博興縣，貯存介質為易燃易爆氣體。查詢氣相數據，發(fā)現設計溫度最高為50℃，最低為-25℃。50℃下丙烷的飽和蒸汽壓為P=1.6MPa，取最高工作壓力PW=1.6MPa。

(3)設計壓力

設計壓力通常需要由設計溫度確定，根據設計壓力可以確定儲罐壁厚。通常把設計壓力取到與最高運行壓力相當或略高的位置。覆土式罐體在地下覆蓋沙土，無外部絕熱層，罐體運行溫度受環(huán)境溫度影響。操作上有較大的壓力，同時氣溫較高。在同一地區(qū)，覆土罐由于被覆土層包覆，其周邊的溫度均低于地面罐，因此設計壓力也可以比地面罐設當降低。所以覆土罐的壁厚計算也比地上罐要薄一些，這樣既能節(jié)約原料，又能減少制造費用。

由《固定式壓力容器安全基數監(jiān)察規(guī)程》可知，丙烷儲罐設計壓力應由規(guī)定溫度下的丙烷工作壓力確定。常溫儲存50℃丙烷的飽和蒸汽壓為1.6MPa。再由《石化鋼制壓力容器》規(guī)定可知，工作壓力低于1.8MPa時，設計壓力為工作壓力加上0.18MPa。綜上所述，確定丙烷儲罐的設計壓力為1.78MPa。

(4)腐蝕裕量

丙烷罐介質是一種輕度腐蝕介質，設計使用年限為20年，按照平均不大于0.1mm/a的腐蝕速率來考慮，則設定了2mm的腐蝕裕量。

(5)裝量系數

根據《固定壓力容器安全基數監(jiān)管規(guī)定》3.13條取丙烷儲罐的裝量系數為0.9，小于0.95的最大規(guī)定量。

3.覆土丙烷儲罐的優(yōu)化設計

(1)覆土丙烷儲罐的載荷計算

覆土式罐體四周堆滿細沙，罐體在承受介質內壓和物料質量作用的同時，還要承受罐體四周混合土對罐體施加的外來壓力，故與地上儲罐相比，覆土儲罐的耐受力更強。

①儲罐自重載荷。儲罐自重載荷為Q1：

式中，R為儲罐半徑，m；t為儲罐厚度，m；γm為每立方米罐體的重量，kN/m3；L為罐體長度，m；W為加強圈重量，kN。

②儲罐裝載液體載荷。儲罐裝載液體載荷為Q2：

式中，γ1為每立方米丙烷的重量，kN/m3。

③覆土層帶來的罐體受壓計算。罐體上由于有覆土層，將給筒體和支座的造成負荷增大，使筒體承受外部的壓力[3,7]，覆土罐的示意圖見圖1，地表層到覆土罐中心的距離為H，覆土罐的直徑為R，覆土層的豎直壓力為q0，在角度θ處的壓力為qθ。

覆土層對罐體的壓力Q3可以由公式（3）計算：

式中，γS為覆土層密度，kN/m3；H為覆土罐中線到覆土層上表面的距離，m；R為覆土罐的外徑，m；l為兩個加強圈之間的距離，m。

作用在覆土罐的徑向壓力q0可以由式（4）計算：

在角度θ處的壓力qθ可以由式（5）計算。

θ=0處，覆土罐受到的壓力最大。

圖1 覆土層對罐體的壓力示意圖

(2)覆土丙烷儲罐的機械設計與結構設計

①機械設計

②結構設計

A.液柱靜壓力

由于設計的為子彈罐，根據D=8600mm，所以液位最大高度為hmax≤D=8600mm。

所以：最大靜壓力為：P=ρgh=499×9.8×8.6=42.055kPa。

則P靜可以忽略不記。

B.圓筒厚度的設計

存儲溫度應在-20～40℃之間，并考慮最大工作壓力等條件，根據介質具有易燃、易爆、有毒和一定腐蝕性等特點。我們根據1998版GB 150標準，選用了材料強度為[σ]t=189MPa的低合金鋼Q345R（鋼標準為GB 6654）。罐體厚度根據式（7）計算。

因為低碳鋼和低合金鋼的要求是大于等于1mm的腐蝕裕度C1，所以選擇C1的數值是2mm。

壓力容器的負偏差由GB 3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》確定，通常Q345R鋼板取負偏差C2=0.30mm。所以罐體的厚度為設計厚度、腐蝕余量和負偏差三種之和，δn=42.98，圓整后，δn=43mm。

(3)橢圓封頭厚度的設計

封頭材質的選用與筒身設計一致，均采用Q345R材質，以保證焊接工藝的質量。

同理，選取C1=2mm，C2=0.3mm。

則：δn=42.89mm

圓整后取名義厚度為：δn=43mm。

(4)覆土丙烷儲罐區(qū)布置設計

①周轉率法確定罐體容量

式中，VS表示某一油品以立方米為單位設計的總罐容；K是表示某一種油品的年周轉系數的一個常量，我們取K值為15；ρ是丙烷密度，T/m3；G是丙烷的年銷量，T/a；η為油品利用系數，取值0.95。

對于丙烷，假設年銷售為10萬噸：

G=100000T/a ρ=0.499T/m3K=15 η=0.95

所以覆土罐區(qū)至少需要8個2000m3的丙烷儲罐，本設計覆土罐區(qū)布置10個2000m3的丙烷儲罐。

②丙烷儲罐布置

根據《油庫設計規(guī)范》，油罐防火間距參考表1。

表1 油罐之間的防火距離參照

由于沒有針對覆土罐的安全距離標準，本文從以下幾個方面優(yōu)化設計。

A.EEMUA 190—2017規(guī)定覆土儲罐之間的間距需要大于1m，可以小于8m。

B.《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》中關于埋地儲罐之間的間距規(guī)定防火距離可以較常規(guī)減少50%。

C.車用LPG加氣站的LPG采用的是埋藏式罐體，LPG中丙烷含量在80%以上，因此參照GB 50156—2012《施工規(guī)范》中車用加氣站設計要求，罐體間距不應小于2m。

本設計中D=8600mm，0.4D=3440mm，故取覆土式丙烷儲罐之間的距離為3.5m，該取值滿足上述三點規(guī)范要求。

③丙烷輸送泵

因為丙烷容易汽化，所以可以選擇逆循環(huán)式屏蔽泵作為輸送泵。

④丙烷壓縮機

丙烷壓氣機采用LPG壓氣機，其結構為風冷無油潤滑往復活塞式，由HEPA濾清器、管道系統、隔爆馬達、氣體分離器、二位四通閥等組成。保護系統包括安全閥、切斷閥和浮子。丙烷槽車、槽船裝卸，丙烷裝瓶、倒罐作業(yè)，以及余氣、殘液回收等均可實現。

⑤防爆要求

由于丙烷的分別達到IIA，引燃溫度組別達到由T2，所以根據《可燃氣體或蒸汽爆炸混合物分級及組分》的規(guī)定，在丙烷罐區(qū)內，應根據以上等級、組別選擇全部防爆電器設備。

(4)覆土罐消防設計

該油庫設計共有10個儲罐，總容量TV=20000m3，根據GB 50160—2008《石油庫防火設計規(guī)范》，對于10000m3≤TV＜30000m3的油庫屬于三級油庫。

①泡沫滅火系統。本設計泡沫泵、混合器、泡沫發(fā)生器和消防栓等的配置主要根據GB 50160—2008《石油庫防火設計規(guī)范》確定。

A.覆土罐區(qū)滅火泡沫液的用量計算

查《石油庫防火設計規(guī)范》，泡沫的總用量由式（9）計算：

式中，W表示一次性滅火泡沫混合液，L；W1表示規(guī)定時間內罐體滅火設備的泡沫用量，L；W2表示油罐流散油液體時在規(guī)定時間內滅火需要的泡沫量，L；W3表示消防管道最大持液量，L。

B.泡沫液滅火最小儲備水量計算

通過式（10）可以計算出泡沫滅火系統所需的最小儲水量。

C.壓力式比例混合裝置

采用了PHZY3/100/60壓泡比例混合裝置進行設計。本設計包括泡沫儲存罐、膠囊、壓力比例混合器、安全閥、控制閥及部分輔件等。滅火原理為消防水經過設備時，壓力比例混合器將一部分水分流到膠囊的泡沫液儲罐夾層，這部分水擠壓膠囊，使得部分泡沫進入主管道與消防水混合，然后進入泡沫發(fā)生器，達到快速滅火的目的。

泡沫儲罐的體積V可以根據《油庫設計與管理》計算：

V=1.1WK

泡沫液的流量為：

泡沫液的設計流量為：

以上泡沫混合液用量和泡沫液滅火系統用水最小儲備量的計算準則為《石油庫防火設計規(guī)范》，但是覆土罐的罐體位于地面之下，儲罐上方被覆土層包覆，可以有效與外界隔離，儲罐的安全性更高，火災產生的風險比地面儲罐更低。故根據《石油庫防火設計規(guī)范》進行覆土罐消防設計可以高標準配置消防設施。

4.結論

本文以2000m3覆土丙烷儲罐設計為例，完成了覆土儲罐載荷計算，機械和結構設計，罐區(qū)布置，裝卸設計以及消防設計。

覆土罐與地面儲罐相比，設計時需要考慮覆土層的載荷，本設計確定丙烷儲罐的設計壓力為1.78MPa，腐蝕裕量為2mm，直徑為8600mm。確定了罐體材料為厚度為43mm的Q345R，覆土式丙烷儲罐之間的距離為3.5m。較地面儲罐相比，覆土罐間距縮短，罐區(qū)占地較小，但具有更高的安全性。