甲醇储罐设计技术及注意事项

徐梦豪，刘龙飞，郭 勤，苗瑾超，杨成玉

（新疆理工学院，新疆 阿克苏 843000）

随着煤炭制甲醇及甲醇下游产业的快速发展，甲醇的需求呈现快速增长的趋势。甲醇作为一种可再生能源，其产能在近几年得到了快速扩张。随着甲醇产能的提高，其对储罐的要求就越多，甲醇储罐设计过程中需综合考虑的因素也显著增加。

1 甲醇储罐设计中应考虑的因素

1.1 储罐泄露的危害

甲醇储罐气化单元混合气外泄，会造成比甲醇储罐液体泄露所造成的风险更大。气化单位混合气泄漏是甲醇储存项目的最大概率事件，泄漏后迅速扩散引起大气环境污染，事故概率为1×10-5[1]。甲醇本身的毒性不大，但是被人体吸收后在肝脏中生成的甲醛对身体危害很大。若人员持续处在甲醇储罐泄露现场，泄露的气体就会诱发一系列毒性反应。因此，在甲醇储罐的设计过程中必须要对安全措施给予充分的重视，配置相应的安全控制系统。

1.2 消防隐患

甲醇是一种易燃易爆的工业原料，其挥发蒸汽的最小燃爆点为0.215mJ。甲醇储罐区域的微小潜在性火源，如：静电火花、微小飞火、摩擦火花等，均能使甲醇爆燃。甲醇是易挥发低分子量化合物，在大中型储罐密集区域内必然会留有一定量的甲醇蒸气。当甲醇储罐内余留甲醇蒸汽和空气中其他物质发生混合后，逐步达到甲醇的爆炸浓度范围，容易引发爆炸性火灾，将产生不可估量的损失。如果甲醇储罐的密封不严密和管道破损引发甲醇泄露，会使得甲醇蒸汽和空气混合达到爆炸性程度的时间加快，将导致甲醇介质混合物瞬间达到易爆炸程度的浓度，一旦发生爆炸，将产生严重的后果。同时甲醇储罐区域的甲醇外泄、溢流和罐体破裂事故，不仅会降低生产单位的实际效益而且会深深侵害工厂工人和储罐附近住户的生活权益。

1.3 雷击隐患

当甲醇储罐遭受雷击，极有可能发生火灾和爆炸事故。经统计数字表明，储罐密封圈遭雷击是甲醇储罐最常见的火灾类型，它引发的火灾比例高达72.8%，而空隙火灾、液面火灾和储罐地面火灾只占不到30%的比例。

1.4 甲醇对储罐的腐蚀性

甲醇对储罐腐蚀的现象时有发生，介质有可能引起材料腐蚀和组织性能的改变。久而久之会使储罐报废，造成经济上的巨大损失。腐蚀还会阻碍储罐在设计上的新技术、新工艺的发展和进步，罐体被腐蚀必定会造成储罐内介质泄漏，产生安全隐患。

1.5 甲醇储罐的强度失效和刚度失效

强度失效和刚度失效普遍存在于储罐的设计中。在室温，无其他外力作用下的甲醇储罐的强度失效又被分为屈服和断裂。强度失效的设计准责中有弹性失效、塑性失效、爆破失效、弹塑性失效、疲劳失效、蠕变失效及脆性断裂失效。压力容器产生了不可恢复的变形以至于影响其本身的性能而引起的失效即刚度失效。

1.6 焊接缺陷

在储罐的设计中，各部件的组装大多采用焊接或熔焊的方式。焊接设计直接影响到焊接的质量和储罐的安全，若不合理进行设计就会使压力容器产生各种缺陷，主要影响储罐的焊接质量要考虑的情况为：裂纹、夹渣、未熔透、未融合、焊瘤、气孔、咬边等，若是这些缺陷存在于储罐中，必定会产生巨大的危害性。

2 甲醇储罐的设计技术

2.1 甲醇储罐设计的防泄漏措施

若能将一些先进的技术用于检测甲醇泄露，并在储罐泄露初期及时发现并采取一定的防范措施[3]。工业甲醇的液体及气体均具有剧毒，应避开接触皮肤和直接吸入甲醇蒸气。目前主要采用燃烧法、水洗分离法和冷凝法对甲醇储罐排放气进行处理；燃烧法主要应用于排出的气体有机物不适合进行水洗和冷凝的特殊情况；水洗分离法是利用甲醇易溶于水的特点实现技术类型的回收，该方法流程简单，操作方便，生产成本也较低；冷凝法对比其成本较高。甲醇气体的水洗分离法在我国的各大产业和各大公司的内部企业均能被较好的利用，原因是其技术上成熟可靠，又为系统的节能减排提供了充分的保障，例如：在甲醇储罐设计过程中一般需设置甲醇尾气洗涤塔、甲醇合成工段设置放气洗涤塔，精馏段设计不凝气洗涤塔，都是对排放气体加工洗涤分离其中的甲醇。设计甲醇储罐应该从源头上采纳措施，尽可能减少甲醇储存过程中对自然环境的投放；必须实现环保、低成本为目的，结构完整、使用安全，并能够有效保护现场操作人员的生命财产的安全；同时研制高效、无毒、无公害的储罐清洗剂；研制甲醇储罐专用的清洗工具和清洗器械。

2.2 甲醇储罐的防火防爆设计

甲醇的储罐区内发出火警应对措施主要有三种；第一，在实施初救中，首先应配置便携式移动灭火工具，供火灾初发阶段救援人员使用。第二，可设计泡沫灭火系统。第三，可以设计喷淋灭火系统来实施灭火，该灭火系统可以通过火灾探测系统来控制，从而迅速对火灾进行消除。为了提高防火防爆系统的安全可靠，应充分借鉴国外消防的技术经验，建议甲醇储罐的消防系统和安全系统可在以下几个方面加以改进：1）储罐区域在设计阶段时采用“三级防控系统”，确保事故状态下介质不会泄漏造成环境污染。2）在充分调研储罐泄漏检测技术的基础上，对储罐运行状况和成本进行全面考虑，使用多种储罐泄漏检测技术能实现较好效果。3）充分考虑储罐容量大小、储存介质危险性，防火堤内要规划溢流液体安全流通通道，或采用中间防火堤隔离，防止因介质溢流而危及与防火堤相邻的储罐。4）借鉴国外消防协会经验和做法，对国内气体探测器选型、设置和运行维护标准进行完善。5）致力于改进救火单元系统的可靠和稳定性，对于大型、巨型储罐应选用浮盘边沿式泡沫灭火系统。6）在设计固定顶储罐液下喷法泡沫扑救系统时应充分考虑泡沫液类型、泡沫发泡数量、泡沫管线防渗透措施等。7）多吸收采用国内外具有启动快、灭火概率高的新型灭火系统。8）建议国内甲醇储罐区域配备大功率移动式消防设备，用来扑灭储罐全面积火灾[4]。

2.3 甲醇储罐的防雷设计

1）通过分析计算，若能使一二次密封间甲醇气体成分含量降低，确保可燃混合气处于爆炸临界点下，就能消除火灾和爆炸发生的必要条件，即便是遭受雷击也能有效避免引发火灾。为进一步降低雷击概率，还须设计完善的避雷线、避雷网、避雷塔、避雷带、避雷器、避雷针等设备。2）防雷设备的接地和工艺必需严格要求：法兰（灌顶和管线上）进行跨接,管线平行或交叉间隙小于100mm处进行跨接,突出建筑物的放空管线必须就近与建筑物防雷装置连接。3）对配电房及周边电源进线安装过电压保护器。4）定期对人孔盖板进行安全检查，对相关的操作检查人员进行专业知识的培训和检验。

2.4 甲醇储罐的防腐设计

甲醇储罐常用的防腐蚀技术有：负极保护法、正极保护法等电化学技术以及传统砖板衬里防腐蚀方法，目前选用具有良好的耐性和耐磨性橡胶制备砖板衬里，应用也较为广泛。防腐结构[5]的设计需要重视不同断面的焊接，不同金属间的焊接，螺栓焊接，管子与管板连接，管道连接，轴的连接等易产生腐蚀点位的重点保护。此外储罐内外皆可使用涂料防腐[6]，由于防腐涂料涂装方法简单，施工方便，适用设备结构复杂程度高，防腐涂料的发展使得涂料涂装防腐的范围更加宽广。

2.5 甲醇储罐的压力保护措施

在储罐设计的工艺上需注意，据实际情况可区别进行冷或热压力加工，必要时还应该考虑热处理工艺。而现阶段甲醇储罐压力保护设计中成熟的系统有呼吸阀、氮气调节阀、紧急泄放阀[7]，通过三者共同作用保护储罐压力平衡稳定。由于甲醇是属于GB50160--2008（石油化工企业设计防火规范）中的B类液体，对于储存此类液体储罐应设计选用金属材料的浮舱式浮顶或内浮顶结构[8]，因为内浮顶及浮舱式浮顶结构与介质液面间完全没有气体空间，可以有效减少介质的挥发，相同条件下就能减少90%以上的挥发度。目前国内外应用相对广泛的甲醇储罐浮顶组成的分别是单盘式浮顶式和双盘式浮顶式；其密封形式大多采用一次密封和二次密封类型，一次密封大多采用三芯软密封，二次密封采用带油气隔膜的密封结构[10]。

2.6 甲醇储罐焊接方式的选择

焊接是通过加热和加压，让工件结合的方法，而熔焊是制作压力器皿中应用最广泛的方法。制订合理的焊接工艺，选择契合的焊接材料，焊前预热处理工序[9]和焊后热处理工序能较好的消弭瑕疵和降低内应力及变形。甲醇储罐设计工作人员应从结构设计和焊接工艺两方面考虑，尽可能减少焊接接头的数目，相邻焊缝间应维持充沛距离，尽可能避开交织，应力高区需避免焊缝，或避免焊缝呈现十字。

3 结语

甲醇储存的环境是甲醇储罐设计者必须考虑的因素，鉴于本文提及的需考虑因素以及多种潜在风险，从根源上解决甲醇储罐的设计问题及其注意事项就显得尤为重要。这要求设计人员结合现有的甲醇储罐的设计规范，考虑其应用环境，进一步从严设计、提高设计指标并按压力容器设计和管理。在甲醇储罐的设计和改造设计应注意以下几点：

1）按照常压容器设计的甲醇储罐，最低标准必须加装阻火器和呼吸阀；

2）增加隔热材料，根据甲醇具体用途和实际条件，储罐内外皆可安排布置涂刷合格的隔热材料[11]；

3）若各项条件允许，可在新建在甲醇储罐的设计氮封系统，这能使甲醇与大气进行隔离，防止形成易爆炸性的混合气体，同时减少介质的挥发，一举两得[12]。完整的储罐设计还需包含后续甲醇储罐区管道和阀门的建设和安装过程，须格外注意以下几点：

①管道首选无缝管道，并采用严格的焊接方法连接；

②物料运输管道不得越过无关建筑上下方；

③主管道和储罐连接部位需设置双重阀门；

④在甲醇储罐群区域设计隔断装置，降低整个储罐区域火灾和爆炸发生的概率；

⑤储罐的材质应尽量采用全塑或者钢衬塑储罐、PE滚塑储罐，滚塑一次成形，无需任何焊接，法兰一体成形，能够有效防止渗漏，经久耐用。我国甲醇储罐行业内的钢衬塑储罐是较好的选择，内部塑料防酸腐蚀，外部碳钢加强，既防腐蚀，强度也高，能够完美结合塑料和碳钢二者的优点。