1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

本文的设计为8000m³ 大型天然气罐区安全设计。该罐区位于某城市边缘某大型炼油厂的西北角，地势十分平坦且视野开阔，其周围住户很少，基本无大型居住区，该地区常年风向为东南风。

设计内容包括：

1、从经济角度和客观的地理条件考虑，根据国家相关规范（《石油化工企业设计防火规范》）（GB50160-92）（2008年版））确定罐区形状、大小、面积等客观情况；防火堤的计算，画出总平面布置图。

2、 根据储存的条件，对4只2000m³ 球罐容积的储罐分别进行材料选型、强度计算、安全附件选型等基础计算；并画出相应的平面图和剖面图等。

3、由介质危险性分析入手（如确定是否重大危险源），分析罐区危险因素危害因素，并有针对性的提出防火、防爆对策措施。

4、对罐区进行消防系统的设计：固定的灭火剂，喷淋水系统的计算。

5、对整个罐区进行安全评价，拟用安全检查表、道化学法和事故树法。

液化天然气(LNG)其主要成分甲烷，是一种洁净环保的优质能源，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生二氧化碳少于其他化工燃料，十分广泛的应用于工业生产和人民生活中。

分子式：CH4	分子量：16.04	UN编号：1972
危险号：21008	RTECS号：PA1490000	CAS号：74-82-8
危险性类别：第2.1类 易燃气体	化学类别：烷烃

液化天然气具有易燃易爆的特性，在其生产、贮运和使用过程中极易引起爆炸火灾事故，尤其在液化天然气的贮罐区，贮罐集中且贮量大，一旦发生爆炸火灾，其产生的爆炸冲击波及爆炸火球热辐射破坏、伤害作用极大，并且危害范围大，极易导致次生灾害。本设计将对液化天然气罐区的危险性做出评价并探讨其安全对策。

一LNG储罐以及分类

1.1LNG储罐

LNG目前的几种储存工艺：高压常温、常压低温和加压低温,各种形式储罐各有优缺点 , 应根据 LNG 储存 容量、压力、建造面积和投资等因素, 综合考虑选用合适的储罐。对体积在 200 m³ 以下的应用领域, 小型真空粉末绝热储罐具有较大优势。 体积在200 ～ 10 000 m³ 的应用领域 , 低温双层球罐的日损耗蒸发最低, 投资最少, 具有绝对的优势。而对于体积超过 10 000 m³ 的应用领域 , 粉末堆积绝热常压罐具有较大优势。

本设计使用的是4只2000m³低温双层半冷冻式球罐 。半冷冻式， 在较低温度和较低压力下储存液化烃或其他类似可燃液体，相应的储罐为半冷冻式储罐。。低温双层球罐的内外罐选用受力最好的球罐 , 内罐带压储存液体 , 外罐为真空球罐, 夹层抽真空 ,并填充珠光砂绝热。 体积一般在 100 ～ 10 000 m ³ , 可满足液化天然气制造工厂终端储存和城市居民用 气的调峰。低温双层球罐适用于容量较大的 LNG 液化工厂, 用量较大的 LNG 气化站以及建造面积 紧张、容量需求较大的空分装置。依靠其良好的绝 热性能和容量大的特点, 也可用作城市天然气的战 略储备装置。低温双层球罐具有以下优势。

(1)在相同的压力下 ,低温双层球罐的受压状态最好 , 其设计壁厚大约是圆筒形储罐的 1/2 , 可极大减轻球罐的质量 , 节约大量投资;在相同的体积下,低温双层球罐的表面积约是圆筒形储罐的 1/2 , 可有效减少球罐受热辐射的表面积 ,减少球罐日蒸发损耗率。

(2)低温双层球罐是带压储存 , 靠自身的压力即可排液。 LNG 带压气化后 , 不需要增压即可直接进 入管道。 而粉末堆积绝热常压罐为常压容器, 需要输液泵排液, 气化后需再增压后才可进入天然气管道, 增加了日常运行和维护的成本。

(3)低温双层球罐采用真空粉末绝热, 设备本体不与地面接触, 绝热效果明显优于圆筒形储罐 , 可有效降低日蒸发损耗量。

（4）粉末堆积绝热常压罐对场地的选址要求较高,建造成本高 , 同时占地面积大。 而低温双层球罐占地面积小,对场地几乎没有要求。

本设计使用全容罐。全容罐是在设计和建造上使其内罐和外罐都能单独容纳所储存的低温液体产品的双层储罐，其外罐或外 壁与内罐之间的距离应在1～2 m之间。全容罐的结构采 用5 %~9 %镍钢内罐、5 %~ 9 %镍钢或混凝土外罐和顶盖。在正常情况下，内罐盛装低温液体产品。外罐顶由外罐支撑，外罐既能够容纳低温液体产品，也能够有控制 地排放因液体泄漏而产生的蒸发气。全容罐无需再设置围堰，热辐射距离从储罐壁算起，相应热辐射量及其安全间距成倍减小。

2.选材

9Ni钢为低碳马氏体型低温钢 ,镍及合金的含量高 ,具有一定的淬硬倾向,低温韧性较好。常温下,9Ni钢焊接接头的抗拉强度为735M Pa左右低温状态下,抗拉强度有所增加, -196 ℃时可以达到1078 MP a,而延伸率和断面收缩率与常温时相 比几乎没有什么变化 ,且具有较高的数值。

9Ni钢具有强度高、低温韧性好的特点 ,已经成 为制造液化天然气储罐的主要材料。因此,研究分析液化天然气储罐用9Ni钢的焊接技术及其低温韧性的影响因素,对于提高焊接质量保证液化天然气储罐的安全运行是极为重要的。

3.LNG球罐强度设计计算

产生球壳应力的因素很多，气体内压力、储存的液体介质的液柱静压力，球壳内外壁的温度差、安装和使用的温度差、自重、局部外载荷以及安装施工等因素都会使球壳产生应力。本设计中主要计算由液体静压力引起的球壳应力。

球壳的强度条件可按第一强度理论建立，当不考虑径向应力时，结果与按第三强度理论所得的结果一致，即强度条件为：当量应力小于或等于许用应力。将球壳的平均直径换算成内直径，引进焊接接头系数、壁厚附加量，可导出球壳在设计压力作用下所需的厚度。

二 总平面布置

符合工艺流程 应将关系紧密的设施（如预处理装置、 液化装置、储罐区、装车区）相对集中布置，缩短低温管 道的长度，降低BOG气量。 冷剂储存应靠近液化装置，并考虑运输冷剂车辆装卸和回车场地。 闪蒸气（BOG）增压装置应靠近储罐、装车和液化装置。在满足规范的条件下，应尽量缩短火炬区和储罐区的距离，保证低压气放空。

确定LNG储罐区围堰大小和高度 不同类型LNG储罐的围堰大小及热辐射影响范围不同。

满足安全间距要求 LNG、冷剂的火灾危险性为甲A类，在规范执行中应特别注意安全间距。参照 NFPA 59A-2009 中提供的 ”LNG 火灾辐射模 型”，结合LNG储罐区围堰大小，可计算出围堰至室外活 动场所、建（构）筑物的隔热距离。

充分考虑噪声因素 厂内原料气压缩机、冷剂压缩机、BOG压缩机、空氮 站、循环水冷却装置和装车区均为噪声源，在总平面布置时，应尽量将以上设施靠近厂区边缘布置，并远离人员集中办公区。

合理布置装车区 装车区应独立成区布置在工厂边缘并设置围栏。LNG槽车转弯半径18 m，转弯半径较大，规划装车路线很重要。

消防系统的设计

针对所设计的储罐区完成相应部分的消防设计：

（1）泡沫灭火系统设计

确定泡沫灭火系统的形式及组成，以此为基础进行水力计算，确定管线的管径、泡沫储罐大小、泡沫喷头的数量、消防水量及水泵规格等；

（2）喷淋冷却系统设计

在水力计算的基础上，确定消防用水量、消防水池的大小、喷头数量、冷却管网的布置和管径大小、冷却用消防泵的规格等。

本次设计主要针对喷淋灭火系统和消火栓系统设计。

三．天然气罐区的危险因素识别

1、储存介质的危险因素

天然气易燃易爆，泄漏后与空气混合，当其浓度处于一定范围内，遇火即发生着火或爆炸。同时天然气具有易扩散性、易缩胀性、具有腐蚀性和一定毒性的特点。

1、易扩散性 质在空气或者其它介质中的扩散能力称为扩散性，天然气的扩散能力取决于扩散系数和比重两个因素。

2、易缩胀性 天然气与其它气体一样，具有明显的压缩与膨胀性质，并遵循P V=n RT定律。天然气着火受热时，球罐的压力变化与温度升高成正比关系，当压力超过球罐的承受压力时，则球罐将会同时发生物理爆炸。球罐一旦爆炸破损，会造成天然气的大量泄漏和扩散，以致产生更大的火灾和爆炸事故。

3、易燃性 气体物质易于燃烧的主要原因:一是经过的燃烧历程较少，所有燃气无须像

液体、固体那样经过蒸发或蒸发、熔化阶段，便可在具备燃烧条件下进入初始燃

烧:二是天然气的最小点火能量都较低，其范围在0.19-}-0.28MJ之间，即使在

微弱的火源能作用下，也很容易起火燃烧;三是火焰传播速度快，表明燃气火焰

的扩散能力强。

4、易爆炸性 在天然气火灾事故中，约有一半以上是由爆炸引起的。决定燃气发生爆炸的

条件是:天然气是否与空气混合达到了爆炸极限的浓度范围，以及是否具备引起

天然气爆炸的最小点火能量。爆炸浓度极限范围越宽，爆炸下限浓度越低，则着

火或爆炸危险性就越大，天然气的爆炸极限范围约为5%^' 15% o

5、腐蚀性 对天然气球罐来说，腐蚀性是导致设备寿命缩短或破坏的主要原因之一。天然气含有CO:和H2S，在天然气的游离水尚未脱净的情况下，H2S是导致球罐腐

蚀的主要原因。Hz S的水溶液与钢材表面接触时，会发生电化学腐蚀。C02溶于水后形成H2C03，对金属也有一定的腐蚀作用，主要有以下两种:一种是不均匀的全面腐蚀与点蚀。CO:引起的腐蚀往往是一种类似溃疡状的不均匀全面腐蚀，严重时呈蜂窝状，在金属表面形成许多大小、形状不同的蚀坑、沟槽等。几乎所有的合金在CO:环境中都可以发生点蚀，并在较短时间内完全穿透器壁。另外一种是促进H2S的腐蚀作用。H2S腐蚀产生的Fe S在pH为中性时是不溶解的，并且可以在管道表面形成保护性金属膜。但CO:出现后可使pH值降低，使Fe S溶解不能形成保护膜，金属表面更容易被腐蚀。

6、毒性 天然气属于烃类混合物，有一定的毒性，人们在长期接触的情况下可能会导致神经衰弱综合症状。天然气中的甲烷属于单纯窒息性气体，在高浓度时人们会因缺氧而导致窒息，当空气中的甲烷浓度在25%^-30%之间时人们会出现头昏、呼吸加速、运动失调等症状。

2、球罐及其附属设施的危险因素

1、球罐

(1)球罐破裂

引起球罐破裂的原因主要有:

①球罐基础处理不当，当基础设计失误或基础处理不好，球罐会发生不均匀下沉或地基局部塌陷，造成罐壁撕裂或罐底板断裂。

②球罐板材质量差，或焊缝质量差，使用前或完工后未做全面质量检查，在外界条件(如寒冷或高温等)下，罐体破裂。

③地震、滑坡或咫风可能对球罐罐造成毁坏，使球罐破裂。

(2)球罐腐蚀

球罐泄漏主要是由球罐内外腐蚀，特别是罐底板的腐蚀造成的。球罐内部防腐层脱落，天然气中的HZS、CO:等长期作用造成球罐内壁腐蚀减薄，从而使壳体强度降低。在罐内壁上涂刷防腐涂料既可阻止罐壁微电池的形成，也可降低罐壁与介质接触，起到对罐壁的保护作用。利用牺牲阳极保护技术或外加电流阴极保护技术可有效弥补涂层缺陷引起的腐蚀，更为有效地防止球罐的电化学腐蚀，使球罐的使用寿命大大延长。在球罐外壁上涂刷防锈涂层可起到将罐壁与空气隔离的作用，从而防止罐壁氧化。

(3)球罐爆炸

调压器和球罐进气阀门失效，同时各安全阀未开启造成球罐的压力升高，超过极限压力，且球罐壳体存在缺陷，会发生物理性爆炸，进而会引起火灾和化学性爆炸。

(4)罐疲劳行

球罐遭受内压和外载荷的双重应力作用，并且内压和外载荷都是随着时间不断变化的交变载荷，交变载荷引起变应力使得球罐发生疲劳失效。

(5)球罐边缘板缝隙泄漏

球罐罐底边缘板与罐基础间通常存在缝隙，很大一部分球罐底部腐蚀穿孔就是由于水汽或雨水从边缘板缝隙中进入罐底而引起的。通过对边缘板和圈梁之间的缝隙进行防水密封可有效防止此类泄漏。

2、管线、法兰和阀门

(1)管线泄漏

管线裂缝或破裂可造成天然气泄漏，产生的主要原因有:

①多数是因焊缝和管道母材中的缺陷在天然气带压输送中引起管道破裂，造成天然气泄漏事故，据统计约30%管道泄漏事故是由焊缝和母材缺陷引起的。

②管道腐蚀穿孔，是由于防腐材料质量差，施工时防腐层受到机械损伤，土壤中含水、盐、碱及地下杂散电流腐蚀等原因导致的，严重的可造成管道穿孔，引发天然气泄漏事故。

③地基沉降、地层滑动及地面支架失稳，造成管线扭曲断裂。

④焊接、施工缺陷以及制造缺陷等同样会引起管道泄漏。

⑤第三方破坏，包括外力碰撞，可导致管道破裂。

⑥自然灾害，如地震、洪水、海潮、滑坡、塌陷、雷雨等都可能对管道造成破坏，在雨季或遇台风、雨水冲刷引起地面管道不均匀变形，也可能引发管道泄漏事故。

(2)阀门和法兰破损

阀门和法兰破损有可能导致天然气泄漏，其主要原因有:

①法兰、法兰紧固件及阀门用料缺陷或制造工艺不符合要求。

②垫片、填料老化。

③操作不当。

3、安全设施失效

为避免球罐区设备设施故障和操作危险因素导致天然气泄漏的发生，以及发生泄漏后能及时停止或减少泄漏，从根源上为火灾爆炸设置屏障，球罐区都必须配置了安全设施(包括安全附件)，制定安全措施。如果这些设施一旦失效，则可能导致天然气泄漏事故和火灾爆炸事故的发生。这些设施包括:防爆、泄压、阻火等设施、球罐安全附件、管线安全附件和防火堤等。

3.人员和安全管理危险因素

1、人员的影响

企业生产活动的主体是人，人的不安全行为是许多事故发生的根木因素，主要表现为操作人员违章操作。

2、安全基础管理缺陷

安全基础管理缺陷主要表现在以下几个方面:

①对安全生产管理复杂系统认识不足，以及管理上的缺陷所产生的形式主义。例如，即使有关安全的制度、规程、措施制定的比较完备，但落实不彻底。

②安全生产和安全管理上存在薄弱环节。

③对设备、作业环境的安全没有实施全过程、全方位的管理。

④安全管理上”制度管人”、”人管人”等硬性管理和注重文化建设的软管理没有很好的融合。

所以安全管理在企业管理中的位置非常重要，其进行的计划、组织、协调、检查等工作是在预测、分析危害因素的基础上完成的，在预防故障和人员失误发生等方面发挥着重要作用。

4.环境危险因素

1、自然环境及地质条件危害

自然环境包括咫风、台风、洪水、地震、滑坡、泥石流等具有破坏性的突发事件，还有气温、湿度、雾等具有安全危害的因素。

2、社会环境危害

社会环境危害主要包括飞射物打击、施工破坏等第三方破坏以及人为蓄意破坏等，这些因素在一定程度上也会影响球罐区设备设施的失效。

四. 储罐区安全评价

（1)对天然气球罐区的危害因素进行辨识，分析天然气球罐区主要事故类型和事故原因。

(2)建立天然气球罐失效故障树并进行定性分析，求解最小割集和结构重要度。

(3)对天然气球罐区事故进行多米诺效应分析，分析多米诺效应的发生机理、

发生条件和影响因素;分析并求解多米诺效应影响区域范围;建立相应的多米诺效应计算模型，分别计算目标设备损坏概率和多米诺效应场景概率;最后对天然气球罐区事故后果进行综合评价。

(4)建立天然气球罐区失效可能性和事故后果评价指标体系，利用层次分析法和模糊综合评价方法对天然气球罐区的失效可能性和事故后果进行模糊综合评价，并结合算例，求得天然气球罐区的相对风险值，从而可以确定天然气球罐区的风险等级。

（5)提出天然气球罐区风险管理措施，为天然气球罐区实际运营和科学管理提供依据。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、研究或解决的问题

本课题为设计4只2000m³ 天然气储罐，通过对罐体的选型，材料的选择，结构的设计，强度计算，焊接工艺的选用，对单罐进行完整的机械设计，并对安全附件进行选型，同时对消防系统中的固定式喷水灭火系统设计计算。最后，运用安全检查表法和道化学法对整个罐区进行安全评价，确保设计的有效性和安全性。

二、研究手段