丁二烯储罐安全设计探讨

李 钊

中国成达工程有限公司 成都 610041

丁二烯储罐安全设计探讨

李 钊*

中国成达工程有限公司 成都 610041

简述丁二烯的危险特性，主要介绍丁二烯储罐工艺系统设计中采取的安全措施，如设置降温设施、安全泄放装置及注水线等。

丁二烯 球罐 降温 安全泄放

丁二烯广泛用于生产ABS树脂、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶等聚合物产品[1]。

丁二烯有1,2-丁二烯和1,3-丁二烯两种同分异构体，一般所说的丁二烯均指1,3-丁二烯。1,3-丁二烯熔点为-108.9℃，沸点为-4.4℃，临界温度152.0℃，临界压力4.33MPa，闪点为-6℃，爆炸极限(V)为2.0%～11.5%[2]。

丁二烯在常温、常压下为无色气体，具有甜感芳香气味。2001年美国第9次报告致癌物名单中，将1,3-丁二烯列入“已知的人的致癌物质”[2]。

由于丁二烯在生产、储存、运输和使用过程中存在着易燃、易爆、易自聚，且自聚物易爆炸、易自燃、易胀裂阀门及管道等各种危险性，极易引发着火、爆炸等恶性事故，严重威胁生命和财产的安全[1]。本文对丁二烯储罐特别是球形储罐工艺系统安全设计进行探讨。

1 储罐选型

丁二烯属于液化烃，火灾危险性分类属于甲A类，常温储存应选用压力容器[3]。根据设计所需体积大小可选用球罐或卧(立)罐，工程设计中200m3以上液化烃成品储罐通常采用球罐型式。

丁二烯储存温度要求低于27℃，压力低于0.5MPa。丁二烯储罐的储存系数应小于0.8，并尽可能缩短物料在储罐内的储存时间，以减少聚合物的产生[2]。

2 设计参数的确定

2.1 设计温度

设计温度是指压力容器在正常工作情况下设定的元件金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。常温储存的压力容器，应当充分考虑在正常工作状态下大气环境温度条件对容器壳体金属温度的影响，其最低设计金属温度不得高于历年来月平均最低气温的最低值[4]。按照上述定义，液化烃储罐的低温设计温度应当选取建设地点历年来月平均最低气温的最低值。丁二烯储罐最低设计温度应当选取建设地点历年来“月平均最低气温”的最低值；最高设计温度可按工作介质的正常温度加一定余量(15～30℃)来选取[5]。

2.2 设计压力

设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与设计温度一起作为设计荷载条件，其值不低于工作压力。常温储存液化气体压力容器的设计压力，应当以规定温度下的工作压力为基础确定[4]。

1,3-丁二烯临界温度>50℃，50℃时饱和蒸汽压为0.568MPa(A)[2]。由于新容规[4]取消了对常温储存液化气体压力容器设计压力的直接规定，丁二烯成品储罐的设计压力应以50℃时饱和蒸汽压0.568MPa(A)的工作压力为基础，考虑适当的设计裕量来确定；原化工部技术规定[5]中推荐取0.79MPa(G)。

3 安全防护

3.1 球罐降温

丁二烯单体聚合速度受温度影响极大，温度越高反应越剧烈，聚合为放热反应，从而形成恶性循环。所以丁二烯球罐要采取适当的降温措施来满足丁二烯储存所要求的温度。相关规范[6,7]也要求：丁二烯储存周期在两周以下时，丁二烯球罐应设置水喷淋冷却系统；储存周期在两周以上时，应设置冷冻循环系统。

南方某工厂，夏季极端最高温度38.3℃，地表温度能达到50℃，工厂丁二烯来料温度-4℃，球罐有保冷，储存周期两周以上。丁二烯球罐外部设置-5℃冷冻水循环系统，球罐温度超过20℃时启动泵将罐内丁二烯循环经冷却器进行降温，当温度下降到15℃以下停止循环。此外丁二烯设有水喷淋系统，喷水量为9L/ (m2·min)，火灾时使用。

3.2 安全泄放装置

3.2.1 安全泄放装置的设置

属于液化烃的丁二烯储罐应设置安全阀[3]，类型选用全启式安全阀[6]。值得注意的是，丁二烯压力储罐安全阀应设在线备用安全阀和1个安全阀副线。安全阀前后应分别设1个全通径切断阀，并应在设计图纸上标注LO(铅封开)[7]。

丁二烯易自聚，安全阀前应设置爆破片[3,7]，安全阀排出管道上应有充氮接管[6,7]。爆破片在安全阀入口处串联使用时应注意：① 选用的爆破片爆破后不能产生碎片；② 爆破片与安全阀之间设置压力表和放空阀等，并经常检查压力表，以确认爆破片是否破裂。某工厂丁二烯球罐安全泄放装置见图1。

图1 某工厂丁二烯球罐安全泄放装置

3.2.2 安全泄放量

某工厂的两台丁二烯球罐，单台500m3，外径9882mm，保冷厚度70mm，球心距地面8m，球罐设计压力0.79MPa(G)，设计温度50℃，安全阀整定压力0.7MPa(G)。《压力容器》[8]中“有完整的绝热保温层时”安全泄放量计算公式如何使用并不明确，在设计中没有把握时一般不采用[9]。丁二烯球罐安全泄放量计算采用如下公式：

式中，WS为容器的安全泄放量，kg/h；F为容器外壁校正系数，容器置于地面上时F=1.0，保冷容器F=1.0[10]；Ar为容器受热面积，球形容器Ar=1.57DO2或从地面起到7.5m高度以下所包括的外表面积，取两者中较大值，m2，此丁二烯球罐的中心安装高度8 m，此处取半球的面积Ar=1.57DO2=153.32m2；q为泄放压力下液体的汽化潜热，kJ/kg，丁二烯蒸汽压为0.947MPa(A)时(火灾工况按安全阀超压21%计)对应的汽化热为324.4 kJ/kg。

代入数据得：

3.2.3 泄放面积计算

计算公式：

式中，C为气体特性系数，对于1,3-丁二烯，C=329；K为泄放装置的泄放系数，由制造厂提供，无制造厂数据时，对全启式安全阀常规取0.8，爆破片与安全阀组合安装时，K=0.8×0.9=0.72；Pf为泄放压力(绝压)，包括设计压力和超压限度两部分，MPa，按安全阀超压21%计，取0.947MPa(A)；Tf为泄放温度，K，丁二烯在泄放压力0.947MPa(A)下对应的温度71.1℃(344.25K)；Z为压缩因子，由对比压力、对比温度查表得出，Z取0.85；M为气体的摩尔质量，丁二烯M为54.09 kg/kmol。

代入数据计算安全阀泄放面积：

根据计算结果，选取API-526标准安全阀喉径代码为Q，喉径面积7129 mm2。

爆破片安装在安全阀入口组合使用时，爆破片的标定爆破压力与安全阀的设定压力相同。爆破片的公称直径不小于安全阀的入口管径。

3.3 球罐注水

球罐液相进出管道的第一道阀门破裂而造成液化烃泄漏时，常通过球罐液相进出管道向球罐内注水，使从破裂的阀门泄漏出的液体是水而不是液化烃，以便抢修，所以包括丁二烯在内常温液化烃储罐应采取防止液化烃泄漏的注水措施，注水管道宜采用半固定连接方式[7]。

3.3.1 注水水源

注水系统应选择合适的水源，以确保液化烃储罐泄漏时，水质、压力、流量和温度等符合注水要求。一般情况下，优先选用稳压消防给水作为注水水源，如选择其他水源应特别注意水温，水温过高易造成罐内压力升高，险情加剧[7]。

3.3.2 注水点最小工作压力

向液化烃储罐注水，必须提供足够的压力来克服系统阻力，使水能顺畅地注入罐内，因此，注水系统的最小工作压力至少应同时考虑罐内液化烃最高操作压力；罐内液化烃液位高度所形成的静压力；水在管道内流动时形成的管道输送系统摩阻损失：

Pmin=P烃饱+Δh+ΔZ+10-2V2/2g+10-6ρ烃gh

式中，Pmin为注水泵的最小工作压力，即泵最小扬程，MPa；P烃饱为液态烃最高操作压力，MPa；Δh为水系统摩擦阻力损失及局部损失，MPa；ΔZ为储罐泄漏点与泵入口的位能；V为水量的最小流速。

一般高压消防水系统压力基本稳定在0.7～1.2MPa(G)，对于操作压力低于0.4MPa(G)的液化烃球罐，高压消防水可以满足液化烃球罐的注水压力要求；高压消防水系统压力不能保证稳定时，需考虑借用物料泵或设置专有泵进行提压的方案。对于操作压力高于0.4MPa(G)的液化烃球罐，可根据注水流量及压力考虑借用工艺泵，工艺泵不能满足时，需要设置专有注水泵完成注水[11]。文中工厂丁二烯球罐操作压力0.3MPa(G)，消防管网供水压力1.0MPa(G)，直接采用稳压消防水注水。

3.3.3 注水流量及流速

文献12建议设计注水流量取40～60 m3/h，液化烃球形储罐可取中低限，卧式储罐宜取高限。设计注水流速1.5～2.5m/s。

3.4 其他安全措施

3.4.1 储罐管口

液化烃球形储罐的接口，在满足工艺要求的情况下，尽可能减少球形储罐底部的接口数量[6]。球壳上、下极应各设置一个公称直径不小于500mm的人孔[13]。

液化烃储罐底部的液化烃出入口管道应设可远程操作的紧急切断阀。紧急切断阀的执行机构应有故障安全保障措施[7]。

3.4.2 管道安全阀的设置

两端阀门关闭且因外界影响可能造成介质压力升高的液化烃类液体管道应采取泄压安全措施[3]。

在天气炎热时，液态丁二烯管道两端阀门关闭易导致管道内所残留的液态丁二烯介质因太阳光曝晒而使压力急剧升高，造成管道爆裂或阀门破坏，对液态丁二烯管道(含气相和液相管线)设置安全泄压阀，泄放的气态丁二烯可通过管线回流到球罐内或去火炬系统。

3.4.3 脱水系统

全压力式液化烃储罐宜采用有防冻措施的二次脱水系统，储罐根部宜设紧急切断阀。若液化烃中不含水时，可不设二次脱水系统[3]。二次脱水系统要另设一个脱水容器，将储罐内底部的水先放至脱水容器内，再把罐上脱水阀关闭，待气水分离后，再打开脱水容器的排水阀把水放掉。脱水容器的设计压力应与液化烃储罐的设计压力一致。

丁二烯储罐设计时要根据当地气象条件及丁二烯的含水量来确定是否设置二次脱水系统。文中工厂冬季极端最低温度为0.1℃，丁二烯纯度≥99.5%(wt)，所以不设二次脱水系统。

3.4.4 氮封，喷淋，添加剂

(1)丁二烯球罐应设置氮封系统[6]。

(2)丁二烯储存周期在两周以下时，丁二烯球罐应设置水喷淋冷却烯烃；储存周期在两周以上时，应设置冷冻循环系统和阻聚剂添加系统[6]。

(3)储存丁二烯时要添加一定量的阻聚剂，常用的阻聚剂有：对叔丁基邻苯二酚(TBC)、二乙基羟胺(DEHA)、NaNO2等[14]。

3.4.5 液位温度压力指示与报警

丁二烯球罐应按规定设计液位计、温度计、压力表以及高低液位报警和高高液位自动连锁切断进料措施等[7]。

丁二烯球罐液位计应同时设置就地和远传两种[6]。目前普遍的做法：设两个不同形式带就地显示功能的自控液位计(如：设置一个雷达液位计，另一个采用伺服液位计)，两个液位计相互校验。

3.4.6 消防

丁二烯罐组应按照规范[3]设置防火堤，安装可燃气体报警装置，设置消防冷却水系统，并配置移动式干粉灭火设施等。

4 结语

丁二烯的用途广泛，由于其具有容易聚合和爆炸的危险性，在工程设计中必须严格遵守国家标准及规范的有关规定，以本质安全设计的理念，全面考虑，精心设计，为企业安全生产打下坚实的基础。

1 刘 彬. 丁二烯及其自聚物的危险性与风险防控 [J]. 化工科技，2011，19(3): 79～83.

2 章龙江. 丁二烯安全生产的理论与实践 [M]. 北京：化学工业出版社，2010，23～77.

3 GB 50160-2008，石油化工企业设计防火规范 [S].

4 TSG R0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程 [S].

5 HG/T 20570.1-95，设备和管道系统设计压力和设计温度的确定 [S].

6 SH 3136-2003，液化烃球形储罐安全设计规范 [S].

7 SH/T 3007-2014，石油化工储运系统罐区设计规范 [S].

8 GB 150.1-2011，压力容器 第1部分：通用要求 [S].

9 张建华，高 耸. 特殊工况安全阀泄放量的计算 [J]. 石油化工安全环保技术，2012，28(5): 21～22.

10 任美凤，卞潮渊，杨 健. 火灾工况压力容器安全阀泄放量计算公式的探讨 [J]. 化工设计，2006，16(1): 47～49.

11 中国石化. 液化烃球罐注水系统设计规定. 中国石化建[2011]518号，2011，4～9.

12 徐 敏，李明波，于永东等. 全压力式液化烃储罐注水措施设计 [J]. 炼油技术与工程，2012，42(7): 57～60.

13 GB 12337-1998，钢制球形储罐 [S].

14 陆书来，马志彪，宋岩等.丁二烯的危险性与防范措施 [J]. 合成橡胶工业，2005，28(4): 311～315.

2015-06-06)

*李 钊：工程师。2008年毕业于北京化工大学化学工程专业获硕士学位。现从事化工工艺系统设计工作。联系电话：(028)65531470， E-mail：lizhao@chengda.com。