甲醇儲罐設計技術及注意事項

徐夢豪，劉龍飛，郭 勤，苗瑾超，楊成玉

（新疆理工學院，新疆 阿克蘇 843000）

隨著煤炭制甲醇及甲醇下游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，甲醇的需求呈現(xiàn)快速增長的趨勢。甲醇作為一種可再生能源，其產(chǎn)能在近幾年得到了快速擴張。隨著甲醇產(chǎn)能的提高，其對儲罐的要求就越多，甲醇儲罐設計過程中需綜合考慮的因素也顯著增加。

1 甲醇儲罐設計中應考慮的因素

1.1 儲罐泄露的危害

甲醇儲罐氣化單元混合氣外泄，會造成比甲醇儲罐液體泄露所造成的風險更大。氣化單位混合氣泄漏是甲醇儲存項目的最大概率事件，泄漏后迅速擴散引起大氣環(huán)境污染，事故概率為1×10-5[1]。甲醇本身的毒性不大，但是被人體吸收后在肝臟中生成的甲醛對身體危害很大。若人員持續(xù)處在甲醇儲罐泄露現(xiàn)場，泄露的氣體就會誘發(fā)一系列毒性反應。因此，在甲醇儲罐的設計過程中必須要對安全措施給予充分的重視，配置相應的安全控制系統(tǒng)。

1.2 消防隱患

甲醇是一種易燃易爆的工業(yè)原料，其揮發(fā)蒸汽的最小燃爆點為0.215mJ。甲醇儲罐區(qū)域的微小潛在性火源，如：靜電火花、微小飛火、摩擦火花等，均能使甲醇爆燃。甲醇是易揮發(fā)低分子量化合物，在大中型儲罐密集區(qū)域內(nèi)必然會留有一定量的甲醇蒸氣。當甲醇儲罐內(nèi)余留甲醇蒸汽和空氣中其他物質(zhì)發(fā)生混合后，逐步達到甲醇的爆炸濃度范圍，容易引發(fā)爆炸性火災，將產(chǎn)生不可估量的損失。如果甲醇儲罐的密封不嚴密和管道破損引發(fā)甲醇泄露，會使得甲醇蒸汽和空氣混合達到爆炸性程度的時間加快，將導致甲醇介質(zhì)混合物瞬間達到易爆炸程度的濃度，一旦發(fā)生爆炸，將產(chǎn)生嚴重的后果。同時甲醇儲罐區(qū)域的甲醇外泄、溢流和罐體破裂事故，不僅會降低生產(chǎn)單位的實際效益而且會深深侵害工廠工人和儲罐附近住戶的生活權益。

1.3 雷擊隱患

當甲醇儲罐遭受雷擊，極有可能發(fā)生火災和爆炸事故。經(jīng)統(tǒng)計數(shù)字表明，儲罐密封圈遭雷擊是甲醇儲罐最常見的火災類型，它引發(fā)的火災比例高達72.8%，而空隙火災、液面火災和儲罐地面火災只占不到30%的比例。

1.4 甲醇對儲罐的腐蝕性

甲醇對儲罐腐蝕的現(xiàn)象時有發(fā)生，介質(zhì)有可能引起材料腐蝕和組織性能的改變。久而久之會使儲罐報廢，造成經(jīng)濟上的巨大損失。腐蝕還會阻礙儲罐在設計上的新技術、新工藝的發(fā)展和進步，罐體被腐蝕必定會造成儲罐內(nèi)介質(zhì)泄漏，產(chǎn)生安全隱患。

1.5 甲醇儲罐的強度失效和剛度失效

強度失效和剛度失效普遍存在于儲罐的設計中。在室溫，無其他外力作用下的甲醇儲罐的強度失效又被分為屈服和斷裂。強度失效的設計準責中有彈性失效、塑性失效、爆破失效、彈塑性失效、疲勞失效、蠕變失效及脆性斷裂失效。壓力容器產(chǎn)生了不可恢復的變形以至于影響其本身的性能而引起的失效即剛度失效。

1.6 焊接缺陷

在儲罐的設計中，各部件的組裝大多采用焊接或熔焊的方式。焊接設計直接影響到焊接的質(zhì)量和儲罐的安全，若不合理進行設計就會使壓力容器產(chǎn)生各種缺陷，主要影響儲罐的焊接質(zhì)量要考慮的情況為：裂紋、夾渣、未熔透、未融合、焊瘤、氣孔、咬邊等，若是這些缺陷存在于儲罐中，必定會產(chǎn)生巨大的危害性。

2 甲醇儲罐的設計技術

2.1 甲醇儲罐設計的防泄漏措施

若能將一些先進的技術用于檢測甲醇泄露，并在儲罐泄露初期及時發(fā)現(xiàn)并采取一定的防范措施[3]。工業(yè)甲醇的液體及氣體均具有劇毒，應避開接觸皮膚和直接吸入甲醇蒸氣。目前主要采用燃燒法、水洗分離法和冷凝法對甲醇儲罐排放氣進行處理；燃燒法主要應用于排出的氣體有機物不適合進行水洗和冷凝的特殊情況；水洗分離法是利用甲醇易溶于水的特點實現(xiàn)技術類型的回收，該方法流程簡單，操作方便，生產(chǎn)成本也較低；冷凝法對比其成本較高。甲醇氣體的水洗分離法在我國的各大產(chǎn)業(yè)和各大公司的內(nèi)部企業(yè)均能被較好的利用，原因是其技術上成熟可靠，又為系統(tǒng)的節(jié)能減排提供了充分的保障，例如：在甲醇儲罐設計過程中一般需設置甲醇尾氣洗滌塔、甲醇合成工段設置放氣洗滌塔，精餾段設計不凝氣洗滌塔，都是對排放氣體加工洗滌分離其中的甲醇。設計甲醇儲罐應該從源頭上采納措施，盡可能減少甲醇儲存過程中對自然環(huán)境的投放；必須實現(xiàn)環(huán)保、低成本為目的，結構完整、使用安全，并能夠有效保護現(xiàn)場操作人員的生命財產(chǎn)的安全；同時研制高效、無毒、無公害的儲罐清洗劑；研制甲醇儲罐專用的清洗工具和清洗器械。

2.2 甲醇儲罐的防火防爆設計

甲醇的儲罐區(qū)內(nèi)發(fā)出火警應對措施主要有三種；第一，在實施初救中，首先應配置便攜式移動滅火工具，供火災初發(fā)階段救援人員使用。第二，可設計泡沫滅火系統(tǒng)。第三，可以設計噴淋滅火系統(tǒng)來實施滅火，該滅火系統(tǒng)可以通過火災探測系統(tǒng)來控制，從而迅速對火災進行消除。為了提高防火防爆系統(tǒng)的安全可靠，應充分借鑒國外消防的技術經(jīng)驗，建議甲醇儲罐的消防系統(tǒng)和安全系統(tǒng)可在以下幾個方面加以改進：1）儲罐區(qū)域在設計階段時采用“三級防控系統(tǒng)”，確保事故狀態(tài)下介質(zhì)不會泄漏造成環(huán)境污染。2）在充分調(diào)研儲罐泄漏檢測技術的基礎上，對儲罐運行狀況和成本進行全面考慮，使用多種儲罐泄漏檢測技術能實現(xiàn)較好效果。3）充分考慮儲罐容量大小、儲存介質(zhì)危險性，防火堤內(nèi)要規(guī)劃溢流液體安全流通通道，或采用中間防火堤隔離，防止因介質(zhì)溢流而危及與防火堤相鄰的儲罐。4）借鑒國外消防協(xié)會經(jīng)驗和做法，對國內(nèi)氣體探測器選型、設置和運行維護標準進行完善。5）致力于改進救火單元系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定性，對于大型、巨型儲罐應選用浮盤邊沿式泡沫滅火系統(tǒng)。6）在設計固定頂儲罐液下噴法泡沫撲救系統(tǒng)時應充分考慮泡沫液類型、泡沫發(fā)泡數(shù)量、泡沫管線防滲透措施等。7）多吸收采用國內(nèi)外具有啟動快、滅火概率高的新型滅火系統(tǒng)。8）建議國內(nèi)甲醇儲罐區(qū)域配備大功率移動式消防設備，用來撲滅儲罐全面積火災[4]。

2.3 甲醇儲罐的防雷設計

1）通過分析計算，若能使一二次密封間甲醇氣體成分含量降低，確?？扇蓟旌蠚馓幱诒ㄅR界點下，就能消除火災和爆炸發(fā)生的必要條件，即便是遭受雷擊也能有效避免引發(fā)火災。為進一步降低雷擊概率，還須設計完善的避雷線、避雷網(wǎng)、避雷塔、避雷帶、避雷器、避雷針等設備。2）防雷設備的接地和工藝必需嚴格要求：法蘭（灌頂和管線上）進行跨接,管線平行或交叉間隙小于100mm處進行跨接,突出建筑物的放空管線必須就近與建筑物防雷裝置連接。3）對配電房及周邊電源進線安裝過電壓保護器。4）定期對人孔蓋板進行安全檢查，對相關的操作檢查人員進行專業(yè)知識的培訓和檢驗。

2.4 甲醇儲罐的防腐設計

甲醇儲罐常用的防腐蝕技術有：負極保護法、正極保護法等電化學技術以及傳統(tǒng)磚板襯里防腐蝕方法，目前選用具有良好的耐性和耐磨性橡膠制備磚板襯里，應用也較為廣泛。防腐結構[5]的設計需要重視不同斷面的焊接，不同金屬間的焊接，螺栓焊接，管子與管板連接，管道連接，軸的連接等易產(chǎn)生腐蝕點位的重點保護。此外儲罐內(nèi)外皆可使用涂料防腐[6]，由于防腐涂料涂裝方法簡單，施工方便，適用設備結構復雜程度高，防腐涂料的發(fā)展使得涂料涂裝防腐的范圍更加寬廣。

2.5 甲醇儲罐的壓力保護措施

在儲罐設計的工藝上需注意，據(jù)實際情況可區(qū)別進行冷或熱壓力加工，必要時還應該考慮熱處理工藝。而現(xiàn)階段甲醇儲罐壓力保護設計中成熟的系統(tǒng)有呼吸閥、氮氣調(diào)節(jié)閥、緊急泄放閥[7]，通過三者共同作用保護儲罐壓力平衡穩(wěn)定。由于甲醇是屬于GB50160--2008（石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范）中的B類液體，對于儲存此類液體儲罐應設計選用金屬材料的浮艙式浮頂或內(nèi)浮頂結構[8]，因為內(nèi)浮頂及浮艙式浮頂結構與介質(zhì)液面間完全沒有氣體空間，可以有效減少介質(zhì)的揮發(fā)，相同條件下就能減少90%以上的揮發(fā)度。目前國內(nèi)外應用相對廣泛的甲醇儲罐浮頂組成的分別是單盤式浮頂式和雙盤式浮頂式；其密封形式大多采用一次密封和二次密封類型，一次密封大多采用三芯軟密封，二次密封采用帶油氣隔膜的密封結構[10]。

2.6 甲醇儲罐焊接方式的選擇

焊接是通過加熱和加壓，讓工件結合的方法，而熔焊是制作壓力器皿中應用最廣泛的方法。制訂合理的焊接工藝，選擇契合的焊接材料，焊前預熱處理工序[9]和焊后熱處理工序能較好的消弭瑕疵和降低內(nèi)應力及變形。甲醇儲罐設計工作人員應從結構設計和焊接工藝兩方面考慮，盡可能減少焊接接頭的數(shù)目，相鄰焊縫間應維持充沛距離，盡可能避開交織，應力高區(qū)需避免焊縫，或避免焊縫呈現(xiàn)十字。

3 結語

甲醇儲存的環(huán)境是甲醇儲罐設計者必須考慮的因素，鑒于本文提及的需考慮因素以及多種潛在風險，從根源上解決甲醇儲罐的設計問題及其注意事項就顯得尤為重要。這要求設計人員結合現(xiàn)有的甲醇儲罐的設計規(guī)范，考慮其應用環(huán)境，進一步從嚴設計、提高設計指標并按壓力容器設計和管理。在甲醇儲罐的設計和改造設計應注意以下幾點：

1）按照常壓容器設計的甲醇儲罐，最低標準必須加裝阻火器和呼吸閥；

2）增加隔熱材料，根據(jù)甲醇具體用途和實際條件，儲罐內(nèi)外皆可安排布置涂刷合格的隔熱材料[11]；

3）若各項條件允許，可在新建在甲醇儲罐的設計氮封系統(tǒng)，這能使甲醇與大氣進行隔離，防止形成易爆炸性的混合氣體，同時減少介質(zhì)的揮發(fā)，一舉兩得[12]。完整的儲罐設計還需包含后續(xù)甲醇儲罐區(qū)管道和閥門的建設和安裝過程，須格外注意以下幾點：

①管道首選無縫管道，并采用嚴格的焊接方法連接；

②物料運輸管道不得越過無關建筑上下方；

③主管道和儲罐連接部位需設置雙重閥門；

④在甲醇儲罐群區(qū)域設計隔斷裝置，降低整個儲罐區(qū)域火災和爆炸發(fā)生的概率；

⑤儲罐的材質(zhì)應盡量采用全塑或者鋼襯塑儲罐、PE滾塑儲罐，滾塑一次成形，無需任何焊接，法蘭一體成形，能夠有效防止?jié)B漏，經(jīng)久耐用。我國甲醇儲罐行業(yè)內(nèi)的鋼襯塑儲罐是較好的選擇，內(nèi)部塑料防酸腐蝕，外部碳鋼加強，既防腐蝕，強度也高，能夠完美結合塑料和碳鋼二者的優(yōu)點。