淺論覆土式儲存容器的現(xiàn)狀及展望

杜晨陽 李曉威 劉 暢 王 輝

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

1 緒論

石化行業(yè)中常利用儲罐、球罐等容器來儲存原料、半成品及成品。而石化原料及產(chǎn)品通常是易燃、易爆的危化品,石化企業(yè)的罐區(qū)即成為重大風(fēng)險源,同時也是企業(yè)安全防范級別最高的地方。

一般而言,石化企業(yè)已對?；穬藜訌?qiáng)了防范措施,但?；穬奘鹿蔬€是時有發(fā)生,并由此造成了極大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。如1944年在美國克利夫蘭市發(fā)生的LNG儲罐爆炸事故造成133人死亡、300余人受傷[1]。1984年墨西哥石油公司LPG儲運站,由于管道破裂導(dǎo)致大量LPG被釋放,遇火發(fā)生爆炸,引發(fā)附近罐區(qū)發(fā)生爆炸,直接導(dǎo)致500人死亡、7 000余人受傷的慘劇[2-4]。近年來發(fā)生的事故,如2013年6月2日,大連某石化公司1個儲罐發(fā)生爆炸,繼而引發(fā)鄰近3個儲罐爆炸,造成2人重傷、2人死亡。2017年6月,山東某石化企業(yè)裝卸車間內(nèi)發(fā)生了液化氣球罐的爆炸,造成1個球罐損毀、6個球罐過火,導(dǎo)致10人死亡、9人受傷重大事故[5]。

從以上的事故中可以看出,?；穬Υ嫒萜魇Щ蛭；穬Υ嫒萜鞲浇O(shè)備失效引發(fā)的?；穬Υ嫒萜鞅?造成的后果相當(dāng)嚴(yán)重。這主要是由于地上式儲罐靜置于地面上,容易受到火災(zāi)、撞擊等外能作用,會直接導(dǎo)致?；穬Υ嫒萜靼l(fā)生泄漏或容器內(nèi)的液體發(fā)生沸騰膨脹蒸汽爆炸,造成較為嚴(yán)重的后果。為了避免受到地上外能的直接作用而發(fā)生爆炸,覆土式儲存容器技術(shù)應(yīng)運而生。

2 覆土式儲存容器簡介

覆土式儲存容器在國外稱為Mounded Storage Tank或Mounded Vessel,常見形式為覆土式的臥式容器。因其外形為長圓筒,也被稱為覆土子彈罐。一般是將罐體置于砂床上,且外表面全部被土覆蓋,僅有相關(guān)工藝接管（進(jìn)出料、放空、排污）、人孔、儀表管口及設(shè)備安全附件等伸出覆土層之外。覆土式儲存容器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 覆土式儲存容器結(jié)構(gòu)示意圖

歐美發(fā)達(dá)國家中德國于1959年首次建造了30臺200 m3覆土式儲罐,1971年應(yīng)用于儲存液化石油氣、丙烷等高壓常溫液化烴。日本自20世紀(jì)70年代末開始建造應(yīng)用覆土式儲罐。中國臺灣地區(qū)于20世紀(jì)80年代末引進(jìn)德國技術(shù)開始建造覆土式儲罐。自20世紀(jì)90年代起,基于安全考慮,德國、法國、日本等國家開始采用覆土式儲存容器來儲存?；?。

國內(nèi)對于覆土式儲存容器的研究始于2000年前后。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,石油化工行業(yè)也迅猛發(fā)展,國內(nèi)也開始有少量的覆土式儲存容器應(yīng)用,多采用中外合資項目或國外獨資項目在境內(nèi)落戶實施,如南京揚子石化BASF成品罐區(qū)項目、鎮(zhèn)江巴斯夫造紙化學(xué)品有限公司的丁二烯覆土罐等項目。近年來,山東京博石化控股有限公司建造了10臺3 300 m3臥式液化烴儲罐及6個2 000 m3乙烯覆土儲罐。

覆土式鋼制儲存容器建成后,其受大氣溫度和壓力變化的影響小,操作條件僅與介質(zhì)上游操作條件和地溫有關(guān)；溫度場恒定變化小,操作更安全,不用額外考慮夏季降溫措施,運行費用低；節(jié)省占地面積和縮小了與周圍相鄰設(shè)施的安全間距；受外部火災(zāi)影響小,產(chǎn)生次生災(zāi)害的可能性??；避免了蒸氣云爆炸的可能,避免了儲存容器泄漏后發(fā)生爆炸造成的危害。可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3 覆土式儲存容器的特點

3.1 安全性高

?；穬奘Пㄒ话惴譃?種情況：一種為UVCE,即開放式蒸氣云爆炸,指外泄的可燃性氣體隨大氣進(jìn)行擴(kuò)散,遇火點燃后發(fā)生爆炸；另一種為BLEVE,即液體沸騰氣體膨脹爆炸,指液體儲存溫度大于其大氣壓下的沸點時,突然從密閉容器中釋放的物理現(xiàn)象。由于壓力突然釋放使得部分液體氣化產(chǎn)生爆炸蒸氣云,如遇火源點燃,會形成巨大的火球,同時釋放大量的輻射熱。這2種形式的破壞都會產(chǎn)生碎片、沖擊波、熱輻射等,進(jìn)而對鄰近的儲罐產(chǎn)生威脅。

對于靜置于地上的?；穬?由于缺少外物的遮擋,很容易受到外部環(huán)境（如相鄰儲罐或設(shè)備爆炸產(chǎn)生的碎片、沖擊波、熱輻射等）的影響而使自身失穩(wěn)進(jìn)而發(fā)生事故。而對于覆土式儲存容器,由于表面被砂土覆蓋,砂土是一種天然的絕熱材料,導(dǎo)熱系數(shù)很小,同時具有很好的緩沖作用,使得覆土儲存容器基本不受地上熱輻射、爆炸沖擊波、飛行沖擊物的影響,外部環(huán)境對其影響較小,相關(guān)研究表面,當(dāng)覆土式儲存容器的覆土深度達(dá)到0.6～1.0 m時,就可以應(yīng)對外部火災(zāi)的侵襲。同時可以保持罐內(nèi)恒溫,不受外界環(huán)境影響,這樣可以避免儲存物質(zhì)發(fā)生熱膨脹爆炸。

3.2 土地利用率高

罐區(qū)的危化品儲罐發(fā)生事故,不僅造成單一儲罐破壞,往往還會產(chǎn)生多米諾效應(yīng),進(jìn)而引發(fā)儲罐區(qū)其他儲罐的連環(huán)爆炸及火災(zāi),造成區(qū)域內(nèi)的災(zāi)難性后果。所以對于罐區(qū)中儲罐的安全距離設(shè)定至關(guān)重要。

地上式儲罐的罐體之間及罐體與其他設(shè)備、建筑物之間通常會設(shè)置較大的安全距離來防范多米諾效應(yīng),故罐區(qū)占地面積較大,土地利用率不高[6-7]。

覆土式儲存容器由于有覆土的防護(hù),可以大大減小地上的使用面積,且不用設(shè)置防火堤,節(jié)省土地資源,降低工程成本[8]。根據(jù)歐洲工程設(shè)備和材料用戶協(xié)會EEMUA 190指南的規(guī)定,可將多個儲罐布置在同一覆土結(jié)構(gòu)內(nèi)[9],只要相鄰儲罐之間的間距不小于1 m即可。目前國內(nèi)外規(guī)范都沒有關(guān)于同一覆土結(jié)構(gòu)內(nèi)容器數(shù)量限制。對于覆土式儲存容器與相鄰重要設(shè)施的最小間距,可參考美國防火協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA 58的規(guī)定,即覆土式儲存容器與相鄰設(shè)施之間的安全距離可按地上球罐間距的1/2考慮[10]。此外,王惠勤[11]還專門對比研究了不同數(shù)量、不同容積的地上儲罐與覆土式儲存容器所需的占地面積,通過對比研究可以明顯地看出,在相同容積及數(shù)量的情況下,覆土式儲存容器的占地面積更小,土地利用率更高。且隨著容器數(shù)量的增加,覆土式儲存容器土地利用率高的優(yōu)勢愈發(fā)顯著。

3.3 綠色節(jié)能

根據(jù)EEMUA 190指南規(guī)定,覆土后,可以采用植被加固的方法對覆土層進(jìn)行保護(hù),植被可以選取植根系廣泛、生長緩慢的覆蓋植物（如棉花）,也可以使用草,同時需配置不少于0.3 m厚的肥沃黏性土壤覆蓋填沙。通過植被覆蓋,可以起到美化環(huán)境、保護(hù)生態(tài)的作用。同時,由于覆土式儲存容器表面被砂土覆蓋,其罐內(nèi)溫度可以保持恒定,不受外界環(huán)境影響,這樣可以減少罐內(nèi)物質(zhì)的揮發(fā)損耗,同時也省去了由于環(huán)境溫度升高而進(jìn)行的噴淋降溫等措施,起到節(jié)能作用。

4 覆土式儲存容器發(fā)展面臨的問題

4.1 標(biāo)準(zhǔn)體系未完全建立

覆土式儲存容器的發(fā)展既需要標(biāo)準(zhǔn)的指引,也需要法規(guī)的規(guī)范,但目前國內(nèi)有關(guān)覆土式儲存容器的標(biāo)準(zhǔn)體系還未建立,這極大地阻礙了覆土式儲存容器在國內(nèi)的大范圍推廣應(yīng)用。

隨著國內(nèi)部分企業(yè)覆土式儲存容器的逐步建造投用,為了提升本質(zhì)安全,填補國內(nèi)相關(guān)法規(guī)規(guī)范空白,推進(jìn)覆土式儲存容器在國內(nèi)的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用,筆者單位與山東京博控股集團(tuán)有限公司、中國特種設(shè)備安全與節(jié)能促進(jìn)會等單位聯(lián)合編制了T/CPASE GP020—2022《覆土式鋼制儲存容器通用要求》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),為國內(nèi)首個有關(guān)覆土式儲存容器的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于儲存危險化學(xué)品的覆土式鋼制儲存容器和其配套設(shè)施的設(shè)計、材料、制造、防腐保護(hù)、驗收、檢驗、監(jiān)測等方面的通用要求。標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布、實施和應(yīng)用,既體現(xiàn)存儲技術(shù)先進(jìn)性,又滿足我國現(xiàn)有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求,推廣安全節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展,與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。

4.2 建造技術(shù)手段有待改進(jìn)

雖然目前覆土式儲存容器在國外已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用,但是國內(nèi)覆土式儲存容器的建造還處于起步發(fā)展階段,部分技術(shù)手段有較大的改進(jìn)空間。如筒體的變形控制、現(xiàn)場組焊的熱處理技術(shù)、砂土選擇、砂床結(jié)構(gòu)、安裝的基礎(chǔ)沉降控制、陰極保護(hù)的安裝、覆土式儲存容器表面防腐涂層的處理、光固化施工等問題都是亟待改進(jìn)加強(qiáng)的關(guān)鍵點。這些問題會直接影響覆土式儲存容器的建造成本和使用壽命。

4.3 檢驗檢測難度大

覆土式儲存容器儲存的介質(zhì),如含有少量水分,會與介質(zhì)中的鹽、硫化物、氧原子等發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng),對罐壁造成腐蝕乃至穿孔泄漏。同時,容器外部直接與土壤接觸,土壤中的水分、微生物、雜散電流作用在罐體上都會給其帶來較大的侵蝕作用,例如罐壁與瀝青砂石等接觸時就會造成罐壁各部位產(chǎn)生氧濃度差,形成一個電池回路產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象[12],這些都是覆土式儲存容器使用中存在的潛在損傷。

由于覆土式儲存容器大部分被覆層覆蓋,僅有工藝接管、檢查口、監(jiān)測儀表接管及設(shè)備安全附件露于覆土層外,很難從外部對覆土式儲存容器進(jìn)行檢驗檢測及日常維護(hù)管理,相較于地上容器,覆土式儲存容器的檢測難度高很多。

覆土式儲存容器的推廣使用的先決條件是要滿足國內(nèi)的法規(guī)要求,尤其是檢驗檢測方面要滿足TSG 21ü2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對年度檢查和定期檢驗的要求。

5 展望

對于覆土式儲存容器面臨的問題,目前多家單位已開展了相應(yīng)的科研攻關(guān)。由筆者單位牽頭的覆土式儲存容器相關(guān)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正在有序的推進(jìn)?！陡餐潦戒撝苾Υ嫒萜髟O(shè)計規(guī)范》《覆土式鋼制儲存容器腐蝕防護(hù)要求》和《覆土式鋼制儲存容器檢驗規(guī)范》等系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正在有序地編制,于2023年陸續(xù)發(fā)布。相信本系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的實施,將填補國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)空白,助力覆土式儲存容器在國內(nèi)的發(fā)展,解決其使用過程中的合法合規(guī)問題。而覆土式儲存容器建造中的相關(guān)問題,隨著建造經(jīng)驗的不斷豐富和相關(guān)科研力量的投入,短期內(nèi)就會取得較大的突破。

隨著這些問題的解決,覆土式儲存容器的安全、節(jié)省土地資源的優(yōu)勢將愈發(fā)顯著。尤其鑒于國家對?；饭迏^(qū)存儲安全管理需求的緊迫性和加強(qiáng)工業(yè)用地節(jié)約利用相關(guān)政策的陸續(xù)頒布,化工企業(yè)對于其新建裝置的合理布局及老舊裝置的改造的需求也十分緊迫,而罐區(qū)占據(jù)了化工裝置用地的大部分。同時,新安全規(guī)范也對球罐的安全距離有了更高的要求,很多老舊裝置的罐區(qū)布局已不能滿足新規(guī)范的要求,面臨安全與發(fā)展協(xié)調(diào)的嚴(yán)峻問題。

基于以上現(xiàn)狀,筆者認(rèn)為,覆土式儲存容器技術(shù)今后主要會在兩方面具有廣闊的應(yīng)用前景。一方面是覆土式儲存容器代替大型新建球罐,這既可以滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,又可以解決重大風(fēng)險源的安全問題和土地利用率問題。另一方面是覆土式儲存容器可以作為老舊罐區(qū)的改造方向。由于歷史遺留問題,加之近些年社會快速發(fā)展,很多大型罐區(qū)已不能滿足安全距離的規(guī)定,將老舊罐區(qū)進(jìn)行覆土改造,就可以兼顧企業(yè)發(fā)展和本質(zhì)安全。覆土式儲存容器技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用將有效支撐平安中國建設(shè)、雙碳等國家重大戰(zhàn)略,也會成為落實國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的良好范例。