2×2000m3苯乙烯罐区安全设计与风险分析文献综述

文 献 综 述

1.引言

1.1苯乙烯的使用与发展

苯乙烯是现代石油化学工业中重要的有机原料之一，主要用于生产合成各类树脂和塑性弹性体。工业上制苯乙烯常用裂解汽油抽提蒸馏回收法、环氧丙烷-苯乙烯联产法、乙苯脱氢法。苯乙烯具有繁杂的下游产品种类，其可用于聚合生产聚苯乙烯并组成离子交换树脂，又可与丙烯腈、丁二烯等经共聚反应制取ABS树脂，与丁二烯及异戊二烯共聚别离制作SBS及SIS热塑性弹性体；与乙酸乙烯酯及丙烯酸酯类共聚制作乳液型胶黏剂及涂料。苯乙烯及其下游产品在橡胶/树脂、塑料在各领域的运用广泛，这使其成为我国国民生产与生活中各环节不可忽视的重要一环。

据中国化工信息中心咨询事业部统计，截止2012年10月，中国苯乙烯生产能力为655.5万吨/年，占总生产能力的20%；其次是美国，生产能力约为489万吨/年，占总生产能力的15%^[5]。2018年以来，国内厂家如中信国安瑞华、恒力石化等陆续引进高产能苯乙烯装置，为未来苯乙烯产能进一步释放做好了铺垫。

1.2化工储罐区安全问题日益明显

随着化工产业规模的不断扩大、市场需求不断增加，化工企业对罐区安全问题没有足够的重视，历史上关于化工储罐区的事故数不胜数，并由于现代化工储罐区逐渐向大型化发展的特点，导致事故严重程度攀升。表1为往年储罐区泄漏事故及发生原因。

表1 往年国内外罐区事故及原因

在这些事故中，不乏因储罐设计缺陷、制造缺陷等客观原因导致人员伤亡、巨量财产损失的案件，由此可见化工储罐及罐区设计的合理性直接影响到了其安全性。

在我国苯乙烯产业发展迅猛，苯乙烯及其下游产品产量节节高升的市场环境下，苯乙烯储罐、罐区设计的安全性与可靠性必然是关乎企业正常运行核心。随着化工产业规模的不断扩大、市场需求不断增加，化工企业对罐区安全问题没有足够的重视，并由于现代化工储罐区逐渐向大型化发展的特点，导致事故严重程度攀升。随着国家对化工罐区安全的重视、国家与行业规范的变更，储罐罐体及罐区的安全设计的要求越来越严格。

为契合国家安全第一，预防为主，综合治理的方针，本课题将查阅相关文献，根据各项新规范对苯乙烯储罐单罐及2x2000m³苯乙烯罐区进行设计，并运用定性、定量评价分析罐区安全风险，最后提出建设性的安全管理办法和预防措施。

2.化工企业苯乙烯罐区安全设计的研究现状

化工企业苯乙烯储罐区是指一个或多个苯乙烯储罐组构成的区域，具有巨大的火灾隐患。在众多关于化工企业苯乙烯罐区安全设计的研究中，大部分是结合苯乙烯事故频发的原因，即苯乙烯自聚反应引起的罐内温度、压力异常上升，有针对性地进行苯乙烯单罐罐体设计及其安全设施设计的研究，如储罐工艺设计、储罐制冷系统、储罐压力系统设计等。

针对苯乙烯的罐体选型、单罐安全设计属于本质安全的设计环节，合理的设计与选型可以保证苯乙烯品质、储罐与周边环境的安全，因此是大部分学者关注的焦点。

2.1罐体选型方面的研究：

相关国家标准与规范明确规定了不同罐型适用场景^[1,2]。罐体选型的第一步关键需要明确物质的物理化学性质、储存温度、储存压力后选择合适的储罐。第二步，在不同储罐形式之间进行对比，从经济成本、储存容量、符合规范等要求进行综合考虑，确定一个最优的罐型。第三步，确定罐组容积和数量后根据标准进行罐组布置。因此罐型选择与罐内储存的物质性质、储存量密切相关^[7]。参考石油化工储运系统罐区设计规范^[1]并结合苯乙烯高度易自聚、易燃等特性，需要罐体密封性能较好，避免苯乙烯挥发气与空气接触形成爆炸性混合物，同时避免外界天气对苯乙烯的干扰以免苯乙烯自聚分应，因此苯乙烯储罐设计一般采用立式圆筒形拱顶储罐或立式內浮顶罐^[7~9]。两种罐型各有优劣：若选用固定顶罐则对罐内气体的限制要求更加严格，需要采用保护措施（如氮气保护措施），不可以直接排入大气；若选用内浮顶罐则有效防止苯乙烯挥发，但造价较为昂贵。同时，储罐选择还与其用途有关，储罐若用于运输，则优先满足运输时的安全性能和稳定性，应选择固定拱顶罐进行运输储存^[8]。

2.2储罐防聚合安全设计方面的研究：

苯乙烯由于其特殊储存性质，在常温下可发生聚合反应放出大量热，导致聚合反应加剧，从而影响苯乙烯产品质量并造成超压影响储罐安全^[10]。苯乙烯在储罐工艺流程的几个环节会导致聚合反应的发生：一是罐体未加装保冷层或未加装氮气保护措施；二是苯乙烯在运输环节温度升高造成聚合反应；三是苯乙烯输送管线未经保冷设计，呼吸阀、通光孔、人孔等与外界有频繁热传导处没有采用保冷措施；四是未加阻聚剂或罐内阻聚剂指标过低^[11,12]。石油化工储运系统罐区设计规范关于可燃液体储存温度规定，苯乙烯储存属于低温储存，储罐设计时需考虑在罐外层加装厚度合适的保冷层，避免罐体因环境传热过快升温；也可以在储罐外部使用冷却器，采用外循环冷却确保温度达到要求^[7]。

因此从苯乙烯进出料、苯乙烯日常储存、苯乙烯储罐检维修等场景提出苯乙烯防聚合措施可以有效避免苯乙烯自聚^[8][11][13]：

苯乙烯日常储存时：需要加装氮气保护并选择合适保冷层严控罐内温度（或可在罐外设喷淋降温系统）。其次，在苯乙烯内加入阻聚剂（TBC）的同时须控制罐内氧气含量以免TBC难以发挥较好的阻聚效果^[3][15]。在苯乙烯罐体设备方面，罐壁内涂含有TBC的防腐阻聚层可以增加阻聚效果同时增加罐壁罐顶平滑度，防止聚合物挂壁；紧急泄压人孔，泄压阀及呼吸阀等须进行保冷措施且须采用抗冻型号^[11]。且需要配合罐组设立独立制冷机组。苯乙烯进出料时：苯乙烯输送管道（出料过程）采用保冷设计；入料时尽量保持高液位，减少苯乙烯气相空间；入料苯乙烯温度应稍低与罐内苯乙烯温度，满足制冷需要。苯乙烯储罐检维修时：可采用乙苯冲洗管线，用于清除苯乙烯管线内的聚合物^[8]。

苯乙烯储罐工艺中减少聚合物的产生，既可以有效地减少堵塞的情况出现，缩短了储罐清扫周期，减少了因蒸罐产生的废气；同时提高了所存苯乙烯的质量，避免因聚合物超标的事故发生，有着经济与环境双重效益^[16]。

2.3防泄漏、火灾爆炸安全设计方面的研究：

苯乙烯储罐事故主要为苯乙烯泄漏事故引起的火灾、爆炸事件或中毒事件及罐内苯乙烯爆聚造成的超压蒸汽爆炸事故^[12~13][17]。苯乙烯储罐内涂防腐蚀层，可以有效防止储罐泄漏。加装可燃气体泄漏警报-通风连锁系统可以有效监测泄漏的苯乙烯气体并在泄漏情况下控制苯乙烯气体浓度在爆炸极限之外。此外，为了防止苯乙烯罐超压事故演变成BLEVE等灾难级事故，罐体内外除了防聚合措施以外，还需要安装罐内压力检测和泄放连锁系统（压力计-泄压阀连锁）、呼吸阀、温度高报警措施、高低液位报警和低液位连锁停泵系统。

2.4苯乙烯储罐自动控制系统设计的要求：

罐区自动控制系统应具备罐区运行的过程控制、信号检测、数据处理、记录储存、人机接口、生产操作、报表、数据服务等功能^[4]。

由于罐区作业属于缓慢过程，操作与连锁都属于简单控制、两位式控制和批量控制，应直接采用DCS、SCADA、PLC实现。

2.5罐区总平面布局设计的介绍：

苯乙烯罐区总平面布局设计对储罐工艺运行至关重要，合理的平面布局设计能大大增加罐区的安全性，并能在事故发生时将损失降到最低。罐区总平面设计包含罐区防火间距设计、防火堤设计及罐区选址等，设计依据主要参考《石油化工企业设计防火规范》 ^[2]。下面对罐区的防火间距、防火堤设置作简要介绍。

（1）防火间距的要求：苯乙烯属于乙A类可燃液体，因此参考《石油化工企业设计防火规范》6.2节内容进行具体设计。两个苯乙烯2000m³单罐应成组布置且相邻储罐之间的间距应符合下列要求，见表2.

表2 罐组内相邻可燃液体地上储罐的防火间距不应小于表2的规定

注：

1.表中D为相邻较大罐的直径，单罐容积大于1000m³的储罐取直径或高度的较大值；

2.储存不同类别液体的或不同型式的相邻储罐的防火间距应采用本表规定的较大值；

3.现有浅盘式內浮顶罐的防火间距同固定顶罐；

4.可燃液体的低压储罐，其防火间距按固定顶罐考虑；

5.储存丙B类可燃液体的浮顶、內浮顶罐，其防火间距大于15m时，可取15m。

且两排立式储罐的间距不应小于5m；两排直径小于5m的立式储罐及卧式储罐的间距不应小于3m。

（2）防火堤的要求：6.2.11条规定可燃液体罐组应设防火堤，规定中包括防火堤有效容积设置、防火堤内外堤脚线距离设置、隔堤设置、事故存液池设置等详细内容。下为防火堤有效容积及隔堤的相关规定。

I．容积：且防火堤的有效容积不应小于罐组内1个最大储罐的容积，当浮顶、內浮顶罐组不能满足此要求时，应设置事故存液池储存剩余部分，但储罐防火堤内的有效容积不应小于罐组内1个最大储罐容积的一半。

II．隔堤的设置：单罐容积小于或等于5000m³时，隔堤所分隔的储罐容积之和不应大于20000m³。

3苯乙烯罐区风险分析的研究现状

3.1风险分析的国内外风险分析发展现状

风险分析，包括危险性识别和危险程度评价^[18]，其目的是通过定性和定量方法分析区域内安全事故的发生概率及其后果严重度，用于评估区域的平面布局、安全与消防设计的合理性，并以此提出应采取的安全保障措施，为事故前预警防范、事故后果评估、应急预案编制等提出建设性意见。

1.国外风险分析发展及研究现状

风险分析自上个世纪六十年代首次运用于美国军事工业领域以来逐渐发展并运用到石油、航天、化工等各个高危行业^[19]。国外研究经历了两个阶段：其一，20世纪70年代至90年代的起步阶段：这一时期关于风险分析的研究主要集中在定性研究上，如1964年，美国道化学公司提出用于化工场的火灾、爆炸危险指数法（也称道化学法），英国ICI公司基于道化学法提出的蒙德法及日本劳动省提出的化工企业六步骤安全评价法。而自1974年拉姆逊教授（Rasmussen）评价民用核电站安全性且核能工厂概率风险评估措施指南由美国管理机构与1975年首次完成后，定量方法开始逐渐应用在实际生产和决议上；其二，20世纪90年代以后的成熟阶段，风险分析开始运用于风险管理、保险行业等，各项新指标，新风险评价体系开始陆续被提出^[20~21]。

2.国内风险分析发展及研究现状

国内的研究随着国外风险分析技术的成熟也不断得到发展。2003年，王志荣，蒋军成等人首次对事故树分析法、道化学法等进行讨论而后建立了化工过程灾害模拟分析模型^[22]；2011年，承奇等人^[23]在国家安监总局划分的15种危险化工工艺的基础上，将危险化工工艺风险等级分为工艺固有危险性及安全补偿两部分分别进行分析研究，最终建立了一个拥有多达67个指标的动态指标体系。

目前，化工领域常用的分析方法有定性的安全检查表法、作业条件危险性LEC评价法、化工厂六阶段安全评价法、作业安全分析法等；半定性或定量的方法有事故树分析、事件树分析、道化学火灾爆炸指数法、故障模式影响分析等。然而，不同的方法适用的情况、阶段不一样，每种评价方法都有一定的适用范围^[24]，如：安全检查表法只适用于定性方法，故障模式影响分析只适用设计阶段，而道化学火灾爆炸指数法虽然提供清晰的危险源识别且能提供定量评价，但是结果取值繁琐。

3.2苯乙烯储罐工艺风险分析

1.基于事故风险的研究：

2014年，晁岱清等人^[25]对含有4台2000m³容量苯乙烯储罐的罐组工艺进行了HAZOP方法运用，通过对该厂苯乙烯储罐工艺流程及罐PID图进行节点区分，综合分析了各关键节点的工艺危险性。分析结果发现苯乙烯罐组的主要问题集中在连锁保护系统不全面，氮封压力控制不灵活且缺少声光报警系统，储罐及管线检测维护力度不够三个方面。

2018年，吕宗洋等人^[26]对某公司乙苯-苯乙烯联合装置的苯乙烯罐区进行评价单元划分、运用道化学法得出各单元火灾、爆炸危险指数。最后对比补偿措施前后的火灾、爆炸危险指数，成功地将道化学法运用在苯乙烯储罐区的风险分析上。

2.基于事故后果的研究：

2007年，Gabriele Landucci，Gianfilippo Gubinelli等人^[27]通过采用多层次的方法分析了不同火灾条件下的容器壁失效，得到了容器失效时间与壳体辐射强度关系的简化模型与火灾下事故升级的阈值及升级概率。并成功在几个事故案例中运用该模型分析由火灾触发的多米诺效应升级后的个人风险（是指因危险化学品生产、储存装置各种潜在的火灾、爆炸、有毒气体泄漏事故造成区域内某一固定位置人员的个体死亡概率，即单位时间内（通常为一年）的个体死亡率。通常用个人风险等值线表示。）与社会风险（是对个人风险的补充，指在个人风险确定的基础上，考虑到危险源周边区域的人口密度，以免发生群死群伤事故的概率超过社会公众的可接受范围。通常用累积频率和死亡人数之间的关系曲线（F-N曲线）表示）^[28] 。

2017年，卢亚菁，李林芳等人^[29],通过构建模拟环境分别对中毒事故、火灾爆炸事故进行定量分析，采用ALOHA软件进行各项事故伤害等级，得出减少中毒事故风险的措施（修建储罐周围围堰）及火灾爆炸事故中紧急疏散区的安全距离。

2018年，蒲文晶,张冰鑫^[30]等人对苯乙烯罐体3种连续泄漏模型进行定量分析，结合RiskSystem软件进行风险预测：模拟泄漏事故引起的有害气体扩散、池火灾强度及影响范围并得出罐体紧急切断系统可以有效降低泄漏事故风险、防火围堤可以控制事态升级。

3.总结

国内外学者对苯乙烯储罐安全设计进行了细致研究，主要围绕着苯乙烯的特殊性质进行其罐体安全、工艺等进行设与改进，侧重化工领域的实际用途，相关的资料和事故案例充足。而在风险分析方面，针对苯乙烯储罐区进行的风险分析模式较为单一，没有考虑到事故发生时多个储罐互相影响的情况。

罐区安全设计方面，本课题将针对2x2000m³苯乙烯罐区进行单罐罐体选型、强度与结构设计、安全附件及消防设计、自动控制方案设计、罐区平面布局设计。

罐区风险分析方面，本课题使用HAZOP、道化学法进行定性定量风险分析其工艺危险性（基于事故风险）。区域定量风险评价（基于事故后果）尝试使用ALOHA软件进行苯乙烯储罐泄漏发生池火灾、BLEVE、VCE事故的威胁范围的定量分析，并建立该储罐组的一级多米诺模型，计算事故扩展概率。最后，通过运用人体脆弱模型得出触发多米诺效应前后的个人风险及社会风险概率大小，并提出相应的安全管理措施。

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