环氧乙烷罐区设计要点

摘  要：本文围绕环氧乙烷罐区的高风险特性，系统研究了储罐本体结构及材料选择、安全泄放系统设置、管道与卸车系统布设、辅助系统独立性与优化手段等关键设计要点，深入分析了各环节中易诱发事故的技术隐患，明确提出以冷却温控、泄放路径控制、氮封隔离等为核心的工程对策。研究结果表明，基于风险源的系统性设计思路能够有效提升罐区本质安全水平，研究对推动高危化工装置向工程本质安全方向发展具有重要的实践价值和指导意义。

关键词：环氧乙烷罐区；安全设计；泄放系统；冷却控制；本质安全

1 引言

环氧乙烷作为重要的化工原料具有极高的工业价值，但因其低沸点、高爆炸极限、自聚倾向和剧毒性等特点使其储运过程成为工艺装置中的高风险环节。罐区作为储存与作业的核心区域，其设计水平直接影响装置运行的稳定性与本质安全。基于对事故诱因的深度识别，本文围绕关键部位设计要点展开系统性研究，明确高风险介质场景下的工程应对路径。

2 储罐设计

2.1 结构选型

环氧乙烷储罐设计需充分考虑其热敏性、不稳定性及具有容易自聚倾向等特点，储罐本体结构与材质选择必须满足长期稳定、安全运行的要求。储罐通常设计为卧式全压力式储罐，罐体应设置外保温层并配备防晒措施（见下图1）。结构设计应保证强度、刚度和稳定性，在地震荷载、风荷载及内部蒸汽压力共同作用下仍具有可靠的承载能力。罐体顶部应设置气相缓冲空间，用于调节内部压力波动，减小因快速升温或外界温差导致的气体膨胀。

在材料选择方面，尽管环氧乙烷对碳钢本身无腐蚀性，但其易与铁锈反应并诱发自聚反应，存在较高的安全风险，故必须选用奥氏体不锈钢以确保系统稳定性与耐蚀性。304或316L不锈钢因其良好的耐蚀性能，被广泛应用于储罐本体、内管和附件制造。根据材料的机械性能与腐蚀裕度，储罐壳体和封头常设计壁厚在10～12 mm之间，必要时进行热处理以提高结构稳定性。热负荷控制是抑制环氧乙烷自聚的关键因素，因此储罐必须配备冷却系统。可采用外循环制冷系统，将环氧乙烷输送到制冷机里降温后打回储罐，防止夹套泄漏污染环氧乙烷，造成巨大经济损失，制冷机介质可采用乙二醇。若设内置盘管，会增加罐内结构复杂度，不利于排液与清洗。冷却系统设计可引入热交换方程计算所需冷却面积：

其中，Q为热负荷（W），K为总传热系数（W/m²·K），A为换热面积（m²）， 为对数平均温差（K）。

2.2 储存工况控制

罐区应设有实时温度监测系统和高低温报警装置，探头布点需考虑液面上下与气相区分布，便于全面反映储罐内部热分布状况。监测信号接入DCS（Distributed Control System，DCS）系统，实现温控系统与安全联锁装置的联动响应[1]。

罐区设计还应考虑热量传导路径上的热桥问题，对管道、阀门、接头等可能形成导热路径的部位进行隔热处理，避免局部温度升高引发局部聚合反应。罐体外壳保温层材料选用低导热系数的泡沫玻璃，并加装反射层减少辐射吸热。为保证温控系统的稳定性与可维护性，应设计冷却系统的冗余管路，设置手动旁通回路用于系统检修或突发状况切换。在实际工程中，常因冷却回路结垢或压降波动影响冷却效率，设计阶段应提前预留清洗口与排污接口，便于系统在线清洗和维护。

3 泄放系统

3.1 装置布局

环氧乙烷储罐在常压低温状态下仍具有较高蒸汽压，气相空间极易因温升或操作异常导致超压，因此泄放系统需具备快速响应能力和多级保护功能。泄放路径通常设置两套完全相同的独立泄压系统，每套均由爆破片与安全阀串联组成，通过分级启跳实现压力控制与紧急排放联动，系统间具备冗余性，以避免因单点失效导致压力失控。泄放装置设计遵循《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG 21-2016）和《石油化工企业设计防火标准》GB50160，爆破片入口段设氮封装置，隔绝空气回流并抑制自聚反应；安全阀出口设氮气稀释措施，使排出气体中环氧乙烷浓度始终低于爆炸极限。爆破片与安全阀之间增设压力监测与报警系统，一旦检测到残压即判定安全阀堵塞，通过报警与放空联动实现故障闭锁。当爆破片泄放压力后，报警信号发出提示，操控人员可确认泄放状态并启动后续应急程序。安全阀应选用全启式结构，动作灵敏、启闭稳定，阀体宜垂直安装于储罐顶部气相空间。阀前后设置手动全通径切断阀，利于检修或系统隔离。同时，为了不影响泄压通畅，安全阀出口不得设置阻火器，应采用氮气稀释后通过专线导入水喷淋塔或吸收池，实现安全排放。

3.2 尾气处理

尾气处理系统是防止环氧乙烷泄漏扩散和回火爆燃的关键环节，必须具备收集、吸收与排放全过程的闭环控制能力。环氧乙烷浓度超过3%时即可引发爆炸，若排空尾气未经处理直接排往大气或火炬系统，将造成极高安全风险。设计中应将尾气统一引入水喷淋系统（见下图3），利用其高水溶性与水解反应特性，生成乙二醇（ethylene glycol），削弱可燃性与毒性。尾气流经喷淋塔后，水与环氧乙烷反应生成水解产物并进行稀释吸收。该过程应保持恒定的液气比（L/G）控制值，推荐比值不低于1：10，以保证吸收效率[2]。尾气处理后的气体应经阻火器再导入引风机抽送至高空排放，形成防回火封闭路径。

4 管道与卸车系统

4.1 布设方案

环氧乙烷管道系统的设计需充分考虑其气液两相混合及容易自聚的特性，保证输送过程中的密闭性、安全性与稳定性。由于环氧乙烷接触铁锈、碱金属或金属氧化物可诱发剧烈自聚反应，所有与物料直接接触的管道及连接件均应选用304或316L不锈钢，严禁使用碳钢管道或衬塑管材。系统连接应尽量采用自动焊接或氩弧焊，控制焊缝质量并避免焊渣残留。

设计环氧乙烷罐区管道系统时应特别关注气液相分布对运行稳定性的影响[3]。合理的管道走向应控制安装坡度，并使管线在流向上保持一致避免高低起伏。排液部位需设置双阀排放结构，液封段应预设盲板，并设置氮气吹扫来防止物料长期滞留通道。系统需结合工艺节点布置氮气吹扫接口，保障停工与切换状态下的残余物料及时清除。支撑结构设计需充分吸收温度变化引起的膨胀影响，长距离管道宜布置滑动支座与弹性补偿结构，缓解热应力集中效应。阀门控制应考虑介质瞬态变化对启闭特性的影响，关键部位配设压力变送元件并接入DCS，实现过程参数动态监测与联锁响应。

4.2 卸车配置

卸车方式应采用上装上卸的方式，以减少物料流经地面或人员高度区域。连接管道应使用耐压性能好、柔韧性强的不锈钢金属波纹软管，连接过程中应尽量减少弯折半径，避免应力集中导致疲劳破坏。卸车鹤管设置紧急拉断阀，并配有自动关闭功能。当外力或异常牵引发生时，系统可在毫秒级时间内自动切断流体通道，有效隔离泄漏源[4]。

系统还应设置一键停泵控制回路，将操作权限延伸至人员可及范围外的安全位置，使操作者在发现异常情况时可迅速切断泵源，防止物料继续输送。卸车区10米外设紧急切断阀，并通过DCS联锁至卸车泵，形成远程隔离系统。为应对短时大量泄漏或误操作造成的风险，储罐区附近应设置事故收集池，用于接收储罐本体泄漏液体，事故池水封容量应按最大可能泄漏量的1：24比例设计。卸车区应设置自动喷淋系统，用于吸收环氧乙烷蒸汽云，其泄漏处理路径应经地面排水系统收集后，通过专设引流管线导入事故应急池，防止易燃蒸汽扩散并降低爆炸风险。卸车过程中的所有信号均应接入视频监控系统，控制中心可实时观察人员行为与连接状态。泵选型上应使用磁力驱动无泄漏泵，避免机械密封磨损造成潜在泄漏。泵体及管道接口处配置气体检测仪，联锁自动喷淋系统，可在检测到浓度超过预设值时迅速启动局部降温和稀释，避免爆炸条件形成。

5 安全优化

5.1 氮气区分

环氧乙烷罐区中氮气系统主要承担氮封保护与置换清扫两类功能。两者在目的、操作方式与控制逻辑上均存在显著差异，若系统设计未能明确区分，将引发运行控制失效或联锁紊乱等重大隐患。氮封系统用于保持储罐气相空间的微正压环境，避免空气进入形成爆炸性混合气。其运行状态应长期稳定且压力波动小，压力控制阀（Pressure Control Valve，PCV）是关键控制元件，常设定在0.2～0.5 kPa范围内并与DCS（Distributed Control System，DCS）联锁，具备自动补气与超压泄放功能[5]。

氮气置换系统主要用于储罐或管道检维修前的可燃气清扫，其操作周期性强、压力变化大、流量需求高。系统设计应配备独立的流量调节阀与手动阀门组，并设置吹扫排放口至火炬或吸收装置。吹扫过程中的高流速易对储罐结构及阀门造成冲击，操作顺序与阀位状态应由DCS严格控制，防止误操作引发局部真空或正压冲击。设计中应将两套系统的主管、支管、调节阀组、电磁切断装置分开布置，所有交叉点应设置止回装置，阻断置换氮气倒灌入储罐气相空间。

5.2 安全设计优化

环氧乙烷罐区设计除满足规范最低要求外，应结合运行数据与事故统计结果，系统性提出结构性安全提升方案。优化工作的核心在于实现危险识别前置、事故响应闭环与本质风险最小化。就储罐区域而言，应在冷却系统中设置双回路并联换热模块，在主循环系统失效或效率下降时自动切换至备用通道，防止温控失效导致温升失控。冷却系统回路间应设压差监控与热交换效率分析模块，提升系统自诊断能力。

为提升输送环节的密封完整性与系统安全性，泵体应采用磁力驱动型式，避免机械密封磨损失效造成介质泄漏。泵壳体设置表面温度监测点，与气体检测器信号联动，当泵体温升超过设定值或周围气体浓度升高，系统应触发喷淋并强制停泵。在卸车区，应设视频监控并纳入DCS报警联锁，若操作区域人员滞留时间过长或异常动作频发，系统可主动发出提示。高危点位应加强冗余检测，气体检测仪布设密度需与风险强度匹配，优先布置在静态连接、密闭空间及地势低洼处。报警联锁策略不应依赖单点信号，应实现多点触发互证机制，在多个传感器均发出异常信号后才执行联锁动作，避免因单点误差误触停产系统。

6 结论

针对环氧乙烷罐区在运行过程中存在的高危特性，本文提出了若干在工程实践中可操作性强的关键设计策略。研究表明，只有在功能区域划分明确且具备实时联锁响应机制的前提下，储运系统的安全性才能获得实质性提升。文章所形成的技术路径不仅在工程设计阶段具有指导意义，也为罐区运行过程中关键参数的动态管理提供了理论支撑。上述成果对于推动高危化学品储罐区向本质安全方向的工程转型具有现实价值和普适参考意义。

参考文献

[1]赵金龙，胡振启，李信江，等. 不同液位深度储罐火行为模拟教学实验平台设计 [J/OL]. 实验室研究与探索， 1-5[2025-04-16].

[2]晏妮，王晓东. 钢制储罐外底板阴极保护优化布置分析 [J]. 石化技术， 2025， 32 （03）： 36-38.

[3]张洪信. 化工储罐气体存储稳定性提升策略 [J]. 造纸装备及材料， 2025， 54 （02）： 106-108.

[4]童金燕. 环氧乙烷储罐安全泄放工艺系统设计 [J]. 广东化工， 2022， 49 （16）： 163-165+197.

[5]唐智亮. 环氧乙烷球罐储运工艺现状与优化 [J]. 山东化工， 2022， 51 （12）： 148-150.