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精細化工儲罐氮封閥裝置優化方案

某化工廠儲存醋酸和乙炔合成反應液的儲罐液位整體出現下降，導致罐內形成負壓并吸入空氣，與罐內氣相物質（90%為乙炔）混合形成爆炸性混合氣體，遇靜電火花，發生爆燃，罐內物料流出，蒸發成大量可燃爆蒸氣云隨風擴散，繼而引發空間爆炸。常壓內浮頂儲罐是石油化工企業包括庫區最常見的一個罐體類型，其儲存介質通常為甲B、乙類的液體，雖然稱呼為常壓儲罐，但是其內部氣相空間的壓力也是頻繁波動的，其壓力波動的來源通常包括物料裝卸帶來的氣相空間體積的變化，以及外界環境對于罐體氣相溫度帶來的變化，專業名詞稱呼為大呼吸和小呼吸。

既然存在氣相壓力的波動，那么就需要對氣相壓力進行無級變速式的調節。早期建設的儲罐一般是在罐壁四周的上方設置排放口，和大氣互通，后來為了減少大氣VOC的排放，更多地儲罐安裝了呼吸閥、單呼閥，甚至密閉油氣回收設施等。這種技術上的改進帶給常壓儲罐的一個典型特性，就是儲罐內部氣相空間的壓力特性不斷增強，基于此，為了解決這種越來越顯著的壓力特性，一系列的泄壓設施被用來解決此類問題。其中呼吸閥是一類，屬于常規泄壓設施，也可以稱為非緊急泄壓設施。自然另一類就是緊急泄壓設施了。標準規范上常常提及的“緊急泄放人孔"“事故泄壓設備"“緊急泄放閥"等，都是同一個東西。為了寫作方便，以下統一用“緊急泄壓人孔"術語來代替。

案例的直接原因是爆炸性混合氣體與空氣混合，遇到點火源爆炸。在此情況下氮封是最常見的預防措施之一，可有效防止儲罐發生火災爆炸事故。

化工企業，特別是精細化工企業通常有兩方面疑問：第一，哪些情況需要設氮封？第二，氮封如何設置？安在什么位置？多大的流量能夠避免爆炸環境產生？

《石油化工企業設計防火標準（2018年版）》（GB50160-2008）規定，當單罐容積小于或等于5000m3的內浮頂儲罐采用易熔材料制作的浮盤時，應設置氮氣保護等安全措施；儲存溫度超過120℃的重油時，固定頂罐應設置氮氣保護。

《精細化工企業工程設計防火標準》（GB51283-2020）規定，固定頂罐或低壓罐（單罐容積不小于100m3）儲存甲B、乙A類液體時，應采用氮氣或惰性氣體密封措施。

個別精細化工企業，由于存在早期設計不完善、常壓儲罐未經正規設計、或者經由其他儲罐改造等情況，儲罐沒有設置氮封或設置不合規的情況依然存在。氮封裝置是本廠自主開發、研制的一套自力式微壓力控制系統，主要用于保持容器頂部保護氣（一般為氮氣）的壓力恒定，以避免容器內物料與空氣直接接觸，防止物料揮發、被氧化，以及容器的安全。該產品具有節能、動作靈敏、運行可靠、操作與維修方便等特點。廣泛應用于石油、化工等行業。產品特點：無需外加能源，能在無電、無氣的場合工作，既方便，又節約能源，降低成本；·氮封裝置供氮、泄氮壓力設定方便，可在連續生產的條件下進行；·壓力檢測膜片有效面積大，設定彈簧剛度小，動作靈敏，裝置工作平穩；·采用無填料設計，閥桿所受摩擦力小，反應迅速，控制精度高；·供氮裝置采用指揮器操作，減壓比可達100:1,減壓效果好，控制精度高；·為確保儲罐的安全，需在罐頂設置呼吸閥；·呼吸閥僅起安全作用，避免了常規氮封裝置中啟閉頻繁易損壞的缺陷。 氮封裝置由供氮裝置和泄氮裝置兩部分組成。供氮裝置由指揮器和主閥兩部分組成；泄氮裝置由內反饋的壓開型微壓調節閥組成。氮氣壓力一般設為100mmH2O.通過氮封裝置控制。 當儲罐進液閥開啟，向罐內添加物料時，液面上升，氣相部分容積減小，壓力升高，當罐內壓力升至高于泄氮裝置壓力設定值時，泄氮裝置打開，向外界釋放氮氣，使罐內壓力下降，降至泄氮裝置壓力設定點時，泄氮裝置自動關閉。當儲罐出液閥開啟，用戶放料時，液面下降，氣相部分容積增大，罐內壓力降低，供氮裝置開啟，向儲罐注入氮氣，使罐內壓力上升，當罐內壓力上升至供氮裝置自動關閉。

精細化工儲罐氮封閥裝置優化方案

氮封裝置主要用于儲罐頂部氮氣壓力恒定控制，以保護罐內物料不被氮化及儲罐安全。氮封裝置由ZZYVP微壓供氮閥及ZZV微壓泄氮閥兩大部分組成。泄氮閥由壓力控制器及ZMQ-16K型單座切斷閥組成。當儲罐內壓力升高至設定壓力時，泄氮閥迅速開啟，將罐內多余壓力泄放。微壓調節閥在儲罐內壓力降低時，開啟閥門，向罐內充注氮氣。因微壓調節閥必須使用在壓力為0.1Mpa壓力以下，現場壓力較高，必須安裝ZZYVP型壓力調節閥將壓力調節閥將壓力降低至0.1Mpa以下才可使用。公稱壓力0.1Mpa，壓力可按分段設定，從0.5Kpa 至66 Kpa以下，介質溫度溫度≤80℃。

由于本篇文章重點是寫緊急泄壓人孔相關的內容，也就是偏重于儲罐內部氣相壓力的正壓特性，對于負壓及真空特性，和本篇文章關系不大，涉及到的我會一筆帶過。提前聲明一下，防止引起大家的誤解。好了，下面開始進入正題。我們知道常壓固定頂儲罐（包含內浮頂）其罐內氣相上方的壓力上升主要來源于兩個因素：第一就是物料在進罐過程中導致的氣相空間體積變化而引起壓力變化，第二就是外界環境因素（溫升、日曬等）引起的罐內氣相空間溫度變化而引起的壓力變化。根據理想氣體狀態方程的三大定律：

依據《SH/T 3007-2014 石油化工儲運系統罐區設計規范》第5.1.6條的規定，可知呼吸閥所解決的壓力源主要就是大呼吸（物料進罐）和小呼吸（儲罐溫升）所帶來的氣相壓力增加。

也就是說，對于呼吸閥來說，從原生的設計階段開始，其呼吸量的計算和設備選型都是基于這兩種常規的呼吸（大呼吸和小呼吸）來設定的。但是凡事總有例外，如果儲罐氣相空間出現了第三種壓力急劇增大的情景，導致原有的呼吸閥即使在100%的開度下也無法及時泄放增大的氣壓，就會帶來潛在的罐體撕裂的風險后果。那么這第三種壓力急劇增大的情景又是什么呢？主要有兩類場景：氮封失效和外部火災。我們先說第一類：氮封失效。

對于固定頂類的儲罐（包括內浮頂儲罐），尤其是涉及到易燃易爆有毒介質的固定頂儲罐，都會設計氮封系統的（具體哪些儲罐設置氮封，可參考我之前寫的這篇文章《罐區VOC改造閃爆事故思考：儲罐氮封的最大意義到底是什么》）。對于帶氮封的儲罐來說，所謂的氮封失效，專指氮封閥（包括各類型的調節閥）無法關閉，導致氮氣源源不斷地進入儲罐內部氣相空間。這種場景就會導致儲罐內部的氣相空間壓力不斷增加，如果沒有有效地泄壓措施，就會超過儲罐的設計壓力，造成儲罐撕裂。針對這種情況應該怎么辦呢？標準中給出的答案是增加緊急泄壓人孔。

■精細化工儲罐氮封閥裝置優化方案產品特點

    氮封裝置的供（泄）氮壓力設定方便，且可在連續生產的條件下進行；氮氣壓力設定范圍廣，低至0.5Kpa（50mm.w.c）,高至Kpa，比值達132倍，壓力檢測膜片有效面積大，設定彈簧剛度小，動作極靈敏。 
       供氮壓力調整：在ZZV型微壓調節閥壓力調節范圍內選定一設定值如1Kpa（100mm.w.c）,通過調節調整螺絲2以改變彈簧3的預壓縮（拉伸）量來達到；泄氮壓力調整：在ZZDQ快速泄放閥在的壓力控制器部分，通過調整座3，改變彈簧4預壓縮量達到。一般為避免氮封裝置啟閉頻繁，泄氮設定值應遠離供氮壓力值，如2Kpa（200mm.w.c）;呼吸閥高定值調整：在上述兩設定值調整好后，為避免呼吸閥啟閉頻繁，呼吸閥設定值應大于泄壓設定值。

精細化工儲罐氮封閥裝置優化方案自力式氮封閥 產品特點

（1）不用外加能源，能在無電、無氣的場合工作，既方便又節約能源。
（2）氮封裝置供氮，泄氮壓力設定方便，可在連續生產的條件下進行。
（3）壓力檢測膜片有效面積大，設定彈簧剛度小、動作靈敏、裝置工作平衡。
（4）采用無填料設計，閥桿所受磨擦力小、反應迅速、控制精度高。
（5）供氮裝置采用指揮器操作，減壓比可達100:1，減壓效果好、控制精度高。
（6）需在罐頂設置呼吸閥。
（7）呼吸閥制止了常規氮封裝置中啟閉頻繁易損壞的缺陷。

■精細化工儲罐氮封閥裝置優化方案主要零件材質

閥體：ZG230-450、ZG1Cr18Ni9Ti、ZG1Cr18Ni12No2Ti
閥芯閥座：1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12No2Ti
膜片：丁腈橡膠增強滌綸織物
波紋管：1Cr18Ni9Ti

■精細化工儲罐氮封閥裝置優化方案技術參數

三、精細化工儲罐氮封閥裝置優化方案自力式氮封閥 主要技術參數

四、精細化工儲罐氮封閥裝置優化方案自力式氮封閥 主要外形圖

五、精細化工儲罐氮封閥裝置優化方案自力式氮封閥 主要外形尺寸

關于氮封安裝，分享兩種錯誤安裝場景：一種是直接安裝在呼吸閥下部短節位置（圖1），另外一種是靠近呼吸閥位置直接焊接在法蘭接管處（圖2）。這兩種場景均會導致氮氣直接排出，無法起到氮封作用。

若呼吸閥用在氮封罐上，建議氮氣供氣管的接管位置一定要遠離呼吸閥接口，并由罐頂部插入貯罐內，使氮氣進罐后不直接排出，從而達到氮封目的。大部分工廠設置氮封多采用自力調節閥或者壓力控制閥，關于操作方面可參照《石油化工儲運系統罐區設計規范》（SH/T3007-2014）規定，采用氮氣保護的儲罐，其操作壓力宜為0.2Kpa～0.5Kpa；其他設置有呼吸閥的儲罐，其操作壓力宜為1Kpa～1.5Kpa。同時有些儲罐因介質含有腐蝕性，要注意定期檢查清理氮氣管線，防止氮封失效。