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三种液化烃球罐注水系统设计方案优劣对比

2023年02月03日 12:29:31 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：17

关于液化烃球罐注水系统的问题，一直以来都是同行热议的话题，为什么会争议不断呢？主要的原因有两点，，液化烃球罐的注水系统是强制性规定，并且也被2017年的121号文《化工和危险化学品生产经营单位重大生产安全事故隐患判定标准》收录，作为六的重大隐患而提出。所以，这就导致很多罐区企业不得不重视液化烃球罐的注水系统；第二，最让人捉摸不透的是，既然被列入重大隐患而提出的强制性规定，竟然没有细节上可供企业或者设计院进行设计改造的技术指南，无论是GB50160石化规还是《SH3136-2003液化烃球形储罐安全设计规范》，涉及到注水规定时，都是简短的一句话而已。这就导致很多企业陷入想改但不知道怎么改的困惑境地，故引起激烈的争议或讨论也在所难免了。

基于这个现实的问题，笔者想借这篇文章，详细探讨一下液化烃球罐注水系统的来龙去脉，然后再重点讲解一下液化烃球罐的注水系统到底应该怎么设计才能满足安全和实用的原则。

谈到液化烃球罐的注水系统，就不得不提到1998年发生在陕西省西安市的液化烃球罐爆炸事故。其实很多标准里的那些强制性条款都不是拍脑袋拍出来的，基本上都是来自于血淋淋的经验教训，注水系统自然也不例外。

1998年3月5日，西安市煤气公司液化石油气管理所发生液化石油气严重泄漏事故，一个贮量为400m³的球形储罐突然闪爆,共造成11人死亡，31人受伤。事故的直接原因是球形储罐下部排污阀上部法兰密封局部失效，造成大量的液化石油气泄漏，遇火花产生爆炸。

那么球罐的法兰密封失效的原因又是什么呢，主要是当时的液化石油气含有少量的水分，这些水分由于密封大，故沉积在球罐端，也就是排污阀附近。受天气的影响，当冬季来临时，这些水分会结冰，体积膨胀。夏季来临时，又暖化为水，体积缩小。而当时法兰采用的垫片是非金属石棉类垫片，本身就吸水，所以垫片也会随着季节的交替而发生膨胀或缩小，最终导致垫片失去弹性，发生泄漏。

由于该事故发生于1998年，所以到了次年，也就是1999年石化规GB 50160开始修订，在1999版的石化规里，新增的第5.3.16条，就是为了这次事故而增加的经验教训，并且提出了全压力式储罐应设置注水系统。

此后，关于全压力式储罐应设置注水系统的强制规定，一直被标准延续到今天，甚至将其作为一个重大隐患而提出，可见其备受重视的程度。

那些重视是一回事，怎么去实现它是另外一回事。毕竟行政化的条令和运动式的检查，终究解决不了技术问题。所以关于液化烃球罐的注水系统。从技术上应该怎么去实现它，在此我抛砖引玉，浅谈一下自己的看法，供大家参考。

首先，注水系统的适用范围，也就是什么样的球罐才能适用注水系统呢，，球罐的介质不能和水互溶，因为一旦互溶，不仅球罐中的介质会被严重污染，而且泄露出来的也是介质和水的混合物了，泄露出来的介质还是会蒸发或者到处流淌，很容易引起二次事故，这也违背了注水系统的初衷。

其次，球罐的介质密度不能比水大，换句话说，注入球罐内的水必须要流入到球罐部，只有这样才能将介质从泄漏处顶开，用水来代替介质从泄漏点泄漏出去，从而将介质牢牢限制在容器内。

第三，球罐注水系统只适用于球罐底部的接管发生泄漏的情况，至于罐体中上部位或罐顶发生泄漏，注水系统也只能爱莫能助，望洋兴叹。

我们只有理解了以上三点关于注水系统的原则性要求之后，就能明白不是所有的球罐都适合采用注水系统的，比如液氨球罐就不适用注水系统。

那么了解了注水系统的原则之后，我们才能进入下一步，也就是更为关键且重要的环节，就是液化烃球罐的注水系统到底应该怎么去实现，也就是如何去设计呢？这里我为了更好地方便大家在工程实践中参考，我把设计分为两个不同的场景，一个是新建项目的球罐，另一个就是在役装置的球罐。

我们先来探讨个，也就是新建项目的液化烃球罐，该怎么去设计注水系统呢？新建项目的一个就是我们可以随心所欲地去设计，不像在役装置那样，改造就会受到种种制约和束缚。既然是新建项目，那么我们就可以地去保证注水系统的安全性和可执行性。为了方便大家参考，我直接采用示意图说明，形象化的图示比繁琐的语言更容易让人理解。

对于新建的球罐来说，我把注水系统设计分成两种方案A、B和C，分别如下图：

方案A：注水管线采用独立的一根管线，直接和储罐连接，管线上设置罐根阀+单向阀+注水操作阀(可远程操作)，其中罐根阀常开，注水操作阀常关。方案A的优势在于注水线不受工艺介质管线的影响，注的消防水能直接通到罐内，并且注水线的管道尺寸和压力等级可以单独设计，注水量能得到保证。方案A的劣势在于，在球罐上多了一个开孔，并且相连接的管线阀门法兰都成了潜在的泄漏源。

方案B：注水管线不直接和储罐相连，而是通过接入储罐的工艺介质管线来实现消防水的注入，管线在接入工艺管道之前设置一道单向阀和注水操作阀。方案B的优势在于，减少了储罐罐壁的开孔，减少了潜在的泄漏源。方案B的劣势在于注水系统会受到工艺介质管线状态的干扰，比如工艺介质管线上的紧急切断阀内漏或者失效，造成紧急切断阀关不严，此时消防水就会串入管道下游，污染整个物料。还有一个容易忽略的是，球罐的紧急切断阀一般是和罐液位联锁，而不是和罐底法兰的泄露联锁，所以只要罐液位不报警，紧急切断阀是不会自动切断的。如果罐底大法兰发生泄漏，除非气体检测报警或者人员巡检发现，然后再人工关闭该紧急切断阀，然后打开注水操作阀，才能实现有效的注水。这种一连串的操作，很容易导致疏忽大意，节外生枝，存在很大的现实风险。而方案A则不用考虑工艺管道的紧急切断阀状态，哪怕紧急切断阀忘了关或者失效，也不影响消防水注水球罐。最后方案B还有一个细节需要注意，那就是注水线的接入点一定要选择在紧急切断阀和罐根之间，不能接入到紧急切断阀的下游，那样一旦紧急切断阀关闭，注水系统就失效了，形同虚设。

方案C：注水管线通过接入罐底部人孔盖上的排污管线实现注水。该方案在很多企业里确实存在，方案C的优势在于，既避免了罐壁上开孔，也不受工艺介质管线状态的干扰。看起来相对比较，但是这种方案的劣势在于人孔盖上的排污管线，一般和切水管线都是同一根管线，所以管道的尺寸一般不会太大，常见的DN50-DN80之间，注水量很可能是不满足的，所以采用方案C，前提是必须注水量计算通过，否则无法适用。

以上A、B和C三种方案都各有各自的优缺点，在此我列出来仅供大家参考，经验丰富的工程公司可能会有更的D方案。但是不管采用哪种方案，注水系统的设置原则一定是简单、实用，副作用的原则。

说完了新建项目球罐的注水系统设置，我们接下来就重点谈谈在役球罐的注水系统设置问题，这也是目前大家关注的一个问题，因为目前还有很多球罐并未设计注水系统，或者现有的注水系统有这样或那样的问题，导致不能实现应有的注水功能，且每个专家对此也有不同的观点和解读，所以造成了大部分企业不知道该怎么去改造球罐的注水系统。在役装置的改造的困难，就是现场受到了太多的制约因素，包括管线位置，动火作业，倒罐清理等等，太多的因素让企业在改造的过程中困难重重，畏首畏尾。我们就来逐个分析一下。

首先，注水口的选择。在役储罐的注水口不可能选择在罐体上新开一个孔了，因为但凡球罐，基本上属于第三类压力容器，对罐体的任何变更，都牵涉到压力容器的重大变更，整个流程跑下来繁琐不说，关键是后期的压力试验，包括气压试验，都是非常危险的，所以如果只是为了增加一个注水系统而对球罐本体大动干戈的话，在我看来是得不偿失的，所以不建议直接在罐体上开孔。另外球罐的钢板壁厚都非常厚，一般40mm-50mm左右，焊接的话，为了焊缝的均匀，势必要做热处理，稍微不慎的话，焊缝缺陷就很难消除，这对于高压容器是非常危险的。

其次，既然在储罐本体上新开注水口不太现实，那么采用已有的管线也就成了在役球罐注水改造的现实选择。这个现实选择很多企业是不尽相同的，因为每家企业的球罐工艺进出口管道是不太一样的，这里面影响的一个区别就是球罐进出口管道上罐根阀和紧急切断阀的布置问题。根据布置状况的不同，我把在役装置的球罐按照工艺管道进出口阀门的不同配置，按图分为A、B、C三种类型，如下图：

对于类型A：由于带联锁的紧急切断阀就安装在罐根，所以这种情况下注水管线是无法接到工艺介质管线上的，因为一旦紧急切断阀由于其他原因而联锁关闭，同时也就切断了注水的通道，所以这个是行不通的，可行的方案就是将该紧急切断阀变更为非联锁的切断阀，然后再在远端重新切割管道后安装一个新的紧急切断阀，然后将注水接入点选择在紧急切断阀和罐根阀之间，如下图。

方案B和方案C：基本上差别不大，只要将注水点接入到紧急切断阀和罐根之间就可以了，但是的不同就是施工方案，方案B由于有罐根阀，可以在阀门处加盲板，不需要清罐。方案C无法安装盲板，故需要清罐，施工周期较长。但是我的建议，企业尽量在清罐检修的时候，进行施工焊接作业。液化烃球罐带料动火的作业风险太大了，不到万不得已，一定不要这样干。

上述两张图中的A、B、C方案，不管采用哪一种，有一个控制方面的细节，我要强调一下，就是远程操作注水操作阀的时候，一定要同时确保工艺管线上的紧急切断阀保持关闭状态，这个方法，是在控制系统中增加一个二者之间的状态联锁，即当系统监测到注水操作阀打开动作时，联锁关闭紧急切断阀，且此联锁具有优先权。因为注水过程中，一旦紧急切断阀打开的话，消防水就串入工艺管道下游了，压力分流之后，就不能保证球罐泄露处的注水压力了。

以上内容讲解了在役球罐注水改造中关于注水接入点的选择，由于注水系统实际上是一个体系，而注水接入点只是末端的一个节点而已，出了这个节点，还有一个普遍且重要的现实问题，那就是消防水的动力源，我们知道，化工企业厂区的消防水系统一般压力为8kg/cm²~10kg/cm²，而作为注水用的消防水，必须操作压力要达到15kg/cm²~20kg/cm²，才能成功注入到液化烃球罐内，所以怎么给消防水提压，也是一个关键的问题。

目前大多数企业的普遍做法，无外乎两种。种，就是设置单独的注水增压泵，将来自消防水管网或其他渠道的消防水进一步增压后进入注水管道，第二种，就是采用该液化烃球罐的工艺泵，将消防水管网作为其中一个支管接入到工艺泵的入口，然后通过工艺泵实现消防水的增压，增压后进入注水管道，如下图。

采用专用泵注水的话，优势在于，可以更好地单独进行操作控制，不用考虑工艺泵状态的影响。并且消防水源管线可以采用固定管线，直接从消防水源处接入，比半固定式接头效率更快。半固定式接头，前期是需要花费一定的时间，将消防水带接到半固定式消防接头上的。其劣势在于，改造费用较高，施工周期较长，但这很难说是一个劣势。

采用工艺泵实现增压的话，是否可行是需要进行核算的，包括泵的工艺参数，额定流量，压头等都必须满足注水系统的要求。更为关键的是，如果采用工艺泵的话，消防水管线只能采用半固定消防接头，当然如果采用固定管线连接至消防水源的话，一旦阀门内漏的话，工艺介质会串入消防水源，这些易燃易爆的介质一旦串入到消防水系统的话，后果是相当严重的。此前曾经发生过换热器内漏，造成易燃易爆介质串入到冷却水系统，最终造成冷却水塔爆炸的事故。

以上全部内容就是笔者关于目前液化烃球罐注水系统的一个观点和建议，也是参考了中石化和中石油的企业标准之后，总结出来的一点浅见。最后笔者要说的是，球罐的注水系统只是！只是！只是解决球罐罐底部法兰泄露的一个临时应急措施，它只是确保泄露出来的是无害的消防水，而不是易燃易爆的介质。但是！但是！但是它解决不了泄露本身的问题。所以！所以！所以，怎么去解决泄露这个根本问题，才是接下来关键的。那么目前在工程实践中又有哪些可行的解决方案呢？敬请大家持续关注昌晖仪表网，笔者会在后续文章中继续分享探讨。
作者：闫长岭

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