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來(lái) 源 | 石油化工安全環(huán)保技術(shù) 獨(dú)山子石化

作 者 | 劉昊陽(yáng) 丁書文

關(guān)鍵詞 | 重油儲(chǔ)罐  超壓撕裂  案例分析

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導(dǎo) 讀

石油煉化過(guò)程中，各二次加工裝置的原料通常都會(huì)經(jīng)中間儲(chǔ)罐暫存、緩沖，再由泵送至裝置加工。根據(jù)儲(chǔ)存介質(zhì)的不同性質(zhì)，儲(chǔ)罐的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形狀等也會(huì)有不同。按照SH/T 3007-2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，渣油、蠟油、加氫重油、催化油漿等重油儲(chǔ)罐通常為常壓拱頂罐，部分儲(chǔ)罐可設(shè)置氮?dú)饷芊夂秃粑y，但不是強(qiáng)制性的。

在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，由于生產(chǎn)工況的變化、操作和管理的失誤、自然環(huán)境的突變等因素，容易造成儲(chǔ)罐超壓、超溫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)介質(zhì)泄漏和火災(zāi)爆炸事故。其中，超壓是最為常見(jiàn)的一種事故類型。

某石油煉化企業(yè)自2017年以來(lái)，先后發(fā)生11起重油儲(chǔ)罐超壓事件，4次發(fā)生罐頂撕裂，其中2020年夏季發(fā)生的一起某加氫重油罐(渣油加氫后的重油，作為催化裂化原料)超壓撕裂的事故具有典型性。本文對(duì)該罐超壓原因進(jìn)行分析，并對(duì)重油儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和操作進(jìn)行探討，提出應(yīng)注意的事項(xiàng)。

儲(chǔ)罐概況

加氫重油儲(chǔ)罐是4.8Mt/a催化裂化裝置的原料罐，儲(chǔ)存介質(zhì)為上游4.0Mt/a固定床渣油加氫裝置送出的加氫后重油，于2017年9月投入使用。加氫重油罐的結(jié)構(gòu)形式為立式拱頂常壓罐，罐頂設(shè)氮封和呼吸閥，儲(chǔ)罐的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

事故經(jīng)過(guò)

事故當(dāng)晚00:25，同時(shí)進(jìn)行收油、付油的加氫重油罐244-T-06的頂部壓力由1.422kPa開(kāi)始上升，頂部呼吸閥明顯可見(jiàn)蒸汽冒出。00:54，操作人員進(jìn)行處置，將該罐的收油閥關(guān)閉，5min后，罐頂壓力滿量程，超過(guò)4.2kPa。01:29，東側(cè)罐頂與罐壁焊接處撕裂、大量水蒸氣噴出，罐頂壓力開(kāi)始回落。

事故前后罐頂壓力變化趨勢(shì)如圖1所示。

罐體溫度和液位趨勢(shì)如圖2所示。

因壓力表量程只有4.2kPa，罐體撕裂時(shí)的準(zhǔn)確壓力值無(wú)法得知，對(duì)圖1中壓力曲線的快速上升段作延長(zhǎng)線，延長(zhǎng)至罐撕裂的時(shí)間點(diǎn)01:29，再橫向與縱坐標(biāo)對(duì)齊，推測(cè)罐體撕裂時(shí)的壓力值為11kPa。從圖2可見(jiàn)，事故發(fā)生前后，罐內(nèi)液位和溫度緩慢下降但未大幅波動(dòng)。

原因分析

原因分析重油儲(chǔ)罐的壓力升高，原因一般只能是以下幾種：

①呼吸閥故障或堵塞；

②罐內(nèi)串入蒸汽、氮?dú)饣蚱渌麣怏w介質(zhì)；

③罐的進(jìn)料組分變化，輕組分逸出；

④液態(tài)水在罐內(nèi)快速汽化，也稱“突沸”。

該罐超壓撕裂后，第一時(shí)間對(duì)儲(chǔ)罐的呼吸閥和量油孔等附件、進(jìn)料線的關(guān)聯(lián)管線和介質(zhì)、消防泡沫管線、加熱蒸汽管線、頂部氮封閥門和管線進(jìn)行排查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，排除了上述原因①和②。

又對(duì)上游裝置的操作參數(shù)、產(chǎn)品的化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)和可能互串的關(guān)聯(lián)介質(zhì)進(jìn)行排查，也未發(fā)現(xiàn)明顯異常，排除上述原因③。

從圖2中事故前后罐內(nèi)介質(zhì)的溫度逐步下降也可看出，水汽化吸收熱量，因此可以基本確定，罐超壓的原因是液態(tài)水汽化。

 

重油儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生液態(tài)水“突沸”，只能有兩種情況：

一是罐底聚集液態(tài)水，在罐內(nèi)介質(zhì)溫度升高到其臨界值后，水快速汽化；

二是來(lái)料中夾帶液態(tài)水，進(jìn)罐后壓力突降，同時(shí)觸及罐內(nèi)高溫介質(zhì)發(fā)生快速汽化。

 

01

罐底存水分析

該罐發(fā)生事故前，一直處于邊收油邊付油的“活罐”狀態(tài)，罐底溫度長(zhǎng)期穩(wěn)定在132～133℃。再計(jì)算事故前罐底壓力：

計(jì)算可得，罐底壓力為213.62kPa。查飽和水蒸汽表可知，此壓力下水的沸點(diǎn)為121℃。從理論上來(lái)看，事故前罐底不可能存在液態(tài)水。另外從圖2中事故發(fā)生前后罐液位沒(méi)有發(fā)生突變和波動(dòng)可知，不存在罐底水汽化突沸的情況。因此，可以排除罐底聚集液態(tài)水的可能性。

 

02

來(lái)料帶水分析

①水含量分析

該罐接收的物料是加氫后的重油，自上游渣油加氫裝置分餾塔底抽出，分餾塔底長(zhǎng)期注入一股汽提蒸汽，蒸汽的設(shè)計(jì)壓力為0.45MPa，設(shè)計(jì)溫度為220℃，流量為7.8t/h。因汽提蒸汽的連續(xù)注入，加氫重油也是必然含水的，設(shè)計(jì)的加氫重油水含量為147kg/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.037%。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于系統(tǒng)問(wèn)題，蒸汽溫度一直處于155℃左右的較低值，且在事故發(fā)生前，因環(huán)境氣溫升高裝置停用了部分伴熱，裝置的蒸汽耗量下降，導(dǎo)致蒸汽壓力和溫度進(jìn)一步下降，汽提蒸汽的溫度最低時(shí)甚至降低至120℃，這就導(dǎo)致部分飽和態(tài)蒸汽進(jìn)入塔底并攜帶至加氫重油，從而使加氫重油的水含量升高。表2是事故前后加氫重油的水含量分析。

從表2可知，事故前加氫重油的水含量最高時(shí)已達(dá)0.18%，是設(shè)計(jì)值的5倍還多。

事故發(fā)生前，裝置內(nèi)的加氫重油每隔一周分析一次水含量，而進(jìn)罐界區(qū)處不分析。事故發(fā)生后，對(duì)進(jìn)罐的界區(qū)處重油進(jìn)行連續(xù)采樣。從表2可知，加氫重油在進(jìn)罐前的水含量顯著高于裝置內(nèi)，說(shuō)明在管輸?shù)倪^(guò)程中，重油中的水發(fā)生了富集。

在發(fā)現(xiàn)界區(qū)重油的水含量高達(dá)1.01%后，迅速改至低液位罐收油，并打開(kāi)收油罐的量油孔加強(qiáng)泄壓，后續(xù)觀察未發(fā)現(xiàn)異常。

②管路介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)

加氫重油送出裝置的界區(qū)壓力為0.95MPa，溫度為135℃；重油進(jìn)罐前的界區(qū)壓力為0.55MPa。查飽和水蒸汽表，135℃時(shí)蒸汽臨界壓力為0.313MPa，故重油在輸送過(guò)程中，水都是以液態(tài)形式存在的。再考慮管路中介質(zhì)的流型，由雷諾數(shù)計(jì)算公式倒推流速：

管徑d=0.35m，介質(zhì)密度ρ=921kg/m³，運(yùn)動(dòng)黏度(135℃)v=12.5mm²/s，其中動(dòng)力黏度μ=ρv。經(jīng)計(jì)算可得，當(dāng)加氫重油至罐區(qū)的質(zhì)量流量小于317t/h時(shí)，管路中的介質(zhì)就會(huì)呈比較穩(wěn)定的層流狀態(tài)。事故發(fā)生前兩個(gè)月，出于降本增效考慮，將一部分加氫重油改直接供料，罐區(qū)流量從410t/h降低至220t/h左右并一直維持，即管內(nèi)重油長(zhǎng)期處于穩(wěn)定層流狀態(tài)，這就為液態(tài)水析出和沉集創(chuàng)造了有利條件。

③管道設(shè)計(jì)與布置

分析加氫重油從裝置到罐區(qū)的管道設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)布置，為了節(jié)省空間，從裝置到罐區(qū)沿途的11個(gè)膨脹節(jié)全部設(shè)計(jì)成垂直抬高的U形彎，而非水平彎。由于密度差和重力作用，液態(tài)水會(huì)在U形彎的底部沉聚和富集，膨脹節(jié)的U形彎和液態(tài)水聚集示意圖如圖3所示。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)U形彎低點(diǎn)的液態(tài)水不斷積累時(shí)，油水界面與底部管內(nèi)壁的距離逐步增加，其邊界層速度也在增加。當(dāng)速度達(dá)到一定值、其動(dòng)能大于勢(shì)能和摩擦阻力后，邊界層處的部分明水就被重油攜帶至第二個(gè)U形彎，這就使得本來(lái)已經(jīng)有部分水積累的第二個(gè)U形彎低點(diǎn)處的水量進(jìn)一步增加，并很快被重油帶至第三個(gè)U形彎。如此連鎖反應(yīng)，在經(jīng)過(guò)多個(gè)U形彎后逐步匯集成為一股較大量明水，這股明水直接進(jìn)入儲(chǔ)罐，在壓力快速降低的同時(shí)又接觸到130℃的熱油，從而發(fā)生大量汽化，最終導(dǎo)致儲(chǔ)罐超壓撕裂。

設(shè)計(jì)、操作應(yīng)注意事項(xiàng)

該儲(chǔ)罐超壓撕裂事故的直接原因?yàn)椋?/span>上游裝置汽提蒸汽溫度降低導(dǎo)致加氫重油的水含量升高，輸送流量降低之后在U形管路的低點(diǎn)形成了液態(tài)水的富集，最終較大量的液態(tài)水進(jìn)入儲(chǔ)罐汽化導(dǎo)致超壓撕裂。基于該事故的原因，再結(jié)合該公司其他超壓事故的分析，從設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)等方面進(jìn)行探討，可采取優(yōu)化措施避免重油儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓事故。

 

01

合理設(shè)計(jì)、配置罐頂呼吸閥

儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)中，除了考慮正常的工藝需求外，還應(yīng)考慮異常工況下所需的排氣量和吸氣量，重點(diǎn)應(yīng)考慮極端天氣、介質(zhì)變化等異常情況下的工況，在投資成本不大幅增加的情況下，可適當(dāng)多設(shè)置幾臺(tái)呼吸閥，從而保證儲(chǔ)罐在絕大多數(shù)情況下都能正常呼吸、確保安全運(yùn)行。

 

02

優(yōu)化罐體保溫

該案例中的重油儲(chǔ)罐罐體保溫材料是80mm硅酸鋁，但頂部只是噴涂保溫涂料，在暴雨、臺(tái)風(fēng)、冬季夜晚低溫等極端天氣情況下，罐內(nèi)頂部的水蒸氣冷凝落入高溫油品中，再發(fā)生汽化突沸，此時(shí)的氮封也因儲(chǔ)罐壓力降低而大量補(bǔ)入，這就有可能導(dǎo)致超壓。因此，高溫重油罐可以設(shè)計(jì)為全罐體均采用硅酸鋁包裹保溫的形式。

 

03

優(yōu)化儲(chǔ)罐熱電偶設(shè)置

儲(chǔ)罐的熱電偶通常只設(shè)置一只，安裝高度距罐底0.5~1.5m不等，這種情況下測(cè)量溫度并不能準(zhǔn)確反映罐底介質(zhì)的真實(shí)溫度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)測(cè)溫的對(duì)比，罐底部最低溫度與熱電偶顯示的溫度差可達(dá)10~15℃，尤其是在進(jìn)料口對(duì)側(cè)遠(yuǎn)端的罐底處，溫度與熱電偶顯示的溫差能達(dá)到20℃以上，這就使得罐底處存水的概率大幅增加，從而增加突沸超壓的風(fēng)險(xiǎn)。因此，可以在儲(chǔ)罐的不同方位、不同高度增設(shè)熱電偶，從而更全面、準(zhǔn)確反映罐內(nèi)介質(zhì)的真實(shí)溫度。

 

04

強(qiáng)化變更管理、提前預(yù)判和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)

操作參數(shù)的改變，短期內(nèi)可能不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，但經(jīng)過(guò)積累就有可能引發(fā)事故。該案例中，渣油加氫裝置汽提蒸汽溫度降低、裝置送至罐區(qū)流量降低，都是在事故發(fā)生前2個(gè)月左右發(fā)生的，但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才誘發(fā)了事故。要全方位對(duì)工藝參數(shù)變更后可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

 

05

優(yōu)化操作避免事故

精細(xì)化的管理和不斷優(yōu)化的日常操作可以很大程度上避免事故，提高儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行水平：

一是適當(dāng)提高儲(chǔ)罐的操作溫度，避開(kāi)罐底存水的臨界溫度區(qū)域；

二是定期檢查加熱盤管、避免泄漏后蒸汽串入儲(chǔ)罐；

三是對(duì)關(guān)聯(lián)管線和介質(zhì)進(jìn)行盲板隔離、杜絕輕組分和氣體串入；

四是定期檢查消防泡沫閥門和管線、避免消防水泄漏進(jìn)入儲(chǔ)罐；

五是盡量活罐操作，長(zhǎng)期不使用的罐盡量保持低液位，在重新進(jìn)油時(shí)一定要緩慢接收；

六是管線檢修、吹掃后重新投用，必須要脫水干凈，有條件的還要甩一定量的油頭后再引油進(jìn)罐。