浅论覆土式储存容器的现状及展望

杜晨阳 李晓威 刘 畅 王 辉

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

1 绪论

石化行业中常利用储罐、球罐等容器来储存原料、半成品及成品。而石化原料及产品通常是易燃、易爆的危化品,石化企业的罐区即成为重大风险源,同时也是企业安全防范级别最高的地方。

一般而言,石化企业已对危化品储罐加强了防范措施,但危化品储罐事故还是时有发生,并由此造成了极大的人员伤亡和财产损失。如1944年在美国克利夫兰市发生的LNG储罐爆炸事故造成133人死亡、300余人受伤[1]。1984年墨西哥石油公司LPG储运站,由于管道破裂导致大量LPG被释放,遇火发生爆炸,引发附近罐区发生爆炸,直接导致500人死亡、7 000余人受伤的惨剧[2-4]。近年来发生的事故,如2013年6月2日,大连某石化公司1个储罐发生爆炸,继而引发邻近3个储罐爆炸,造成2人重伤、2人死亡。2017年6月,山东某石化企业装卸车间内发生了液化气球罐的爆炸,造成1个球罐损毁、6个球罐过火,导致10人死亡、9人受伤重大事故[5]。

从以上的事故中可以看出,危化品储存容器失效或危化品储存容器附近设备失效引发的危化品储存容器爆炸,造成的后果相当严重。这主要是由于地上式储罐静置于地面上,容易受到火灾、撞击等外能作用,会直接导致危化品储存容器发生泄漏或容器内的液体发生沸腾膨胀蒸汽爆炸,造成较为严重的后果。为了避免受到地上外能的直接作用而发生爆炸,覆土式储存容器技术应运而生。

2 覆土式储存容器简介

覆土式储存容器在国外称为Mounded Storage Tank或Mounded Vessel,常见形式为覆土式的卧式容器。因其外形为长圆筒,也被称为覆土子弹罐。一般是将罐体置于砂床上,且外表面全部被土覆盖,仅有相关工艺接管（进出料、放空、排污）、人孔、仪表管口及设备安全附件等伸出覆土层之外。覆土式储存容器结构如图1所示。

图1 覆土式储存容器结构示意图

欧美发达国家中德国于1959年首次建造了30台200 m3覆土式储罐,1971年应用于储存液化石油气、丙烷等高压常温液化烃。日本自20世纪70年代末开始建造应用覆土式储罐。中国台湾地区于20世纪80年代末引进德国技术开始建造覆土式储罐。自20世纪90年代起,基于安全考虑,德国、法国、日本等国家开始采用覆土式储存容器来储存危化品。

国内对于覆土式储存容器的研究始于2000年前后。随着我国经济的迅速发展,石油化工行业也迅猛发展,国内也开始有少量的覆土式储存容器应用,多采用中外合资项目或国外独资项目在境内落户实施,如南京扬子石化BASF成品罐区项目、镇江巴斯夫造纸化学品有限公司的丁二烯覆土罐等项目。近年来,山东京博石化控股有限公司建造了10台3 300 m3卧式液化烃储罐及6个2 000 m3乙烯覆土储罐。

覆土式钢制储存容器建成后,其受大气温度和压力变化的影响小,操作条件仅与介质上游操作条件和地温有关；温度场恒定变化小,操作更安全,不用额外考虑夏季降温措施,运行费用低；节省占地面积和缩小了与周围相邻设施的安全间距；受外部火灾影响小,产生次生灾害的可能性小；避免了蒸气云爆炸的可能,避免了储存容器泄漏后发生爆炸造成的危害。可以取得显著的经济和社会效益。

3 覆土式储存容器的特点

3.1 安全性高

危化品储罐失效爆炸一般分为2种情况：一种为UVCE,即开放式蒸气云爆炸,指外泄的可燃性气体随大气进行扩散,遇火点燃后发生爆炸；另一种为BLEVE,即液体沸腾气体膨胀爆炸,指液体储存温度大于其大气压下的沸点时,突然从密闭容器中释放的物理现象。由于压力突然释放使得部分液体气化产生爆炸蒸气云,如遇火源点燃,会形成巨大的火球,同时释放大量的辐射热。这2种形式的破坏都会产生碎片、冲击波、热辐射等,进而对邻近的储罐产生威胁。

对于静置于地上的危化品储罐,由于缺少外物的遮挡,很容易受到外部环境（如相邻储罐或设备爆炸产生的碎片、冲击波、热辐射等）的影响而使自身失稳进而发生事故。而对于覆土式储存容器,由于表面被砂土覆盖,砂土是一种天然的绝热材料,导热系数很小,同时具有很好的缓冲作用,使得覆土储存容器基本不受地上热辐射、爆炸冲击波、飞行冲击物的影响,外部环境对其影响较小,相关研究表面,当覆土式储存容器的覆土深度达到0.6～1.0 m时,就可以应对外部火灾的侵袭。同时可以保持罐内恒温,不受外界环境影响,这样可以避免储存物质发生热膨胀爆炸。

3.2 土地利用率高

罐区的危化品储罐发生事故,不仅造成单一储罐破坏,往往还会产生多米诺效应,进而引发储罐区其他储罐的连环爆炸及火灾,造成区域内的灾难性后果。所以对于罐区中储罐的安全距离设定至关重要。

地上式储罐的罐体之间及罐体与其他设备、建筑物之间通常会设置较大的安全距离来防范多米诺效应,故罐区占地面积较大,土地利用率不高[6-7]。

覆土式储存容器由于有覆土的防护,可以大大减小地上的使用面积,且不用设置防火堤,节省土地资源,降低工程成本[8]。根据欧洲工程设备和材料用户协会EEMUA 190指南的规定,可将多个储罐布置在同一覆土结构内[9],只要相邻储罐之间的间距不小于1 m即可。目前国内外规范都没有关于同一覆土结构内容器数量限制。对于覆土式储存容器与相邻重要设施的最小间距,可参考美国防火协会标准NFPA 58的规定,即覆土式储存容器与相邻设施之间的安全距离可按地上球罐间距的1/2考虑[10]。此外,王惠勤[11]还专门对比研究了不同数量、不同容积的地上储罐与覆土式储存容器所需的占地面积,通过对比研究可以明显地看出,在相同容积及数量的情况下,覆土式储存容器的占地面积更小,土地利用率更高。且随着容器数量的增加,覆土式储存容器土地利用率高的优势愈发显著。

3.3 绿色节能

根据EEMUA 190指南规定,覆土后,可以采用植被加固的方法对覆土层进行保护,植被可以选取植根系广泛、生长缓慢的覆盖植物（如棉花）,也可以使用草,同时需配置不少于0.3 m厚的肥沃黏性土壤覆盖填沙。通过植被覆盖,可以起到美化环境、保护生态的作用。同时,由于覆土式储存容器表面被砂土覆盖,其罐内温度可以保持恒定,不受外界环境影响,这样可以减少罐内物质的挥发损耗,同时也省去了由于环境温度升高而进行的喷淋降温等措施,起到节能作用。

4 覆土式储存容器发展面临的问题

4.1 标准体系未完全建立

覆土式储存容器的发展既需要标准的指引,也需要法规的规范,但目前国内有关覆土式储存容器的标准体系还未建立,这极大地阻碍了覆土式储存容器在国内的大范围推广应用。

随着国内部分企业覆土式储存容器的逐步建造投用,为了提升本质安全,填补国内相关法规规范空白,推进覆土式储存容器在国内的技术发展及应用,笔者单位与山东京博控股集团有限公司、中国特种设备安全与节能促进会等单位联合编制了T/CPASE GP020—2022《覆土式钢制储存容器通用要求》团体标准,为国内首个有关覆土式储存容器的标准。该标准规定了用于储存危险化学品的覆土式钢制储存容器和其配套设施的设计、材料、制造、防腐保护、验收、检验、监测等方面的通用要求。标准的发布、实施和应用,既体现存储技术先进性,又满足我国现有法规标准要求,推广安全节能创新技术发展,与国际标准接轨。

4.2 建造技术手段有待改进

虽然目前覆土式储存容器在国外已经有了较为成熟的应用,但是国内覆土式储存容器的建造还处于起步发展阶段,部分技术手段有较大的改进空间。如筒体的变形控制、现场组焊的热处理技术、砂土选择、砂床结构、安装的基础沉降控制、阴极保护的安装、覆土式储存容器表面防腐涂层的处理、光固化施工等问题都是亟待改进加强的关键点。这些问题会直接影响覆土式储存容器的建造成本和使用寿命。

4.3 检验检测难度大

覆土式储存容器储存的介质,如含有少量水分,会与介质中的盐、硫化物、氧原子等发生化学或电化学反应,对罐壁造成腐蚀乃至穿孔泄漏。同时,容器外部直接与土壤接触,土壤中的水分、微生物、杂散电流作用在罐体上都会给其带来较大的侵蚀作用,例如罐壁与沥青砂石等接触时就会造成罐壁各部位产生氧浓度差,形成一个电池回路产生腐蚀现象[12],这些都是覆土式储存容器使用中存在的潜在损伤。

由于覆土式储存容器大部分被覆层覆盖,仅有工艺接管、检查口、监测仪表接管及设备安全附件露于覆土层外,很难从外部对覆土式储存容器进行检验检测及日常维护管理,相较于地上容器,覆土式储存容器的检测难度高很多。

覆土式储存容器的推广使用的先决条件是要满足国内的法规要求,尤其是检验检测方面要满足TSG 21ü2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中对年度检查和定期检验的要求。

5 展望

对于覆土式储存容器面临的问题,目前多家单位已开展了相应的科研攻关。由笔者单位牵头的覆土式储存容器相关的团体标准正在有序的推进。《覆土式钢制储存容器设计规范》《覆土式钢制储存容器腐蚀防护要求》和《覆土式钢制储存容器检验规范》等系列团体标准正在有序地编制,于2023年陆续发布。相信本系列团体标准的实施,将填补国内标准空白,助力覆土式储存容器在国内的发展,解决其使用过程中的合法合规问题。而覆土式储存容器建造中的相关问题,随着建造经验的不断丰富和相关科研力量的投入,短期内就会取得较大的突破。

随着这些问题的解决,覆土式储存容器的安全、节省土地资源的优势将愈发显著。尤其鉴于国家对危化品罐区存储安全管理需求的紧迫性和加强工业用地节约利用相关政策的陆续颁布,化工企业对于其新建装置的合理布局及老旧装置的改造的需求也十分紧迫,而罐区占据了化工装置用地的大部分。同时,新安全规范也对球罐的安全距离有了更高的要求,很多老旧装置的罐区布局已不能满足新规范的要求,面临安全与发展协调的严峻问题。

基于以上现状,笔者认为,覆土式储存容器技术今后主要会在两方面具有广阔的应用前景。一方面是覆土式储存容器代替大型新建球罐,这既可以满足社会经济发展的需求,又可以解决重大风险源的安全问题和土地利用率问题。另一方面是覆土式储存容器可以作为老旧罐区的改造方向。由于历史遗留问题,加之近些年社会快速发展,很多大型罐区已不能满足安全距离的规定,将老旧罐区进行覆土改造,就可以兼顾企业发展和本质安全。覆土式储存容器技术和标准的推广应用将有效支撑平安中国建设、双碳等国家重大战略,也会成为落实国家创新驱动发展战略的良好范例。