李鵬輝

(西安延鼎工程設(shè)計有限公司 ， 陜西 西安 710000)

乙炔是最基本的化工產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于聚乙烯醇、聚氯乙烯、1,4-丁二醇等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。乙炔分解是一個自發(fā)反應(yīng)過程，以爆燃和爆轟的形式發(fā)生，爆燃釋放能量產(chǎn)生的峰值壓力是初始壓力的10～11倍，高壓乙炔爆轟釋放能量產(chǎn)生的峰值壓力是初始壓力的50倍。乙炔聚合反應(yīng)需要熱量，反應(yīng)一旦開始，就釋放出熱量，聚合產(chǎn)生的熱量將進(jìn)一步導(dǎo)致乙炔爆炸性地分解為碳和氫。乙炔管道安全的本質(zhì)是控制乙炔不發(fā)生分解或者聚合，爆炸火焰不傳播。

設(shè)計采用改良的炔醛法(Reppe法)生產(chǎn)1,4-丁二醇。該工藝分兩步進(jìn)行，第一步為乙炔和甲醛在乙炔酮催化劑存在下反應(yīng)生成1,4-丁炔二醇(BYD)；第二步是1,4-丁炔二醇催化加氫制得1,4-丁二醇(BDO)。本裝置由5個系列BYD反應(yīng)器組成，每個系列有3個反應(yīng)器，共15臺BYD反應(yīng)器，主反應(yīng)如下：

丁炔二醇合成

加氫反應(yīng)有3個主反應(yīng)器和1個次反應(yīng)器組成，涉及到的主反應(yīng)如下：

HOCH2CH2CH2CH2OH (BDO)

改良Reppe法具有以下主要特點(diǎn)：①該工藝由于采用淤漿床，熱容量大，外擴(kuò)散系數(shù)高，反應(yīng)熱可通過反應(yīng)器夾套和物料外循環(huán)方式去除，催化劑活性高、強(qiáng)度好、壽命長、丁二醇收率高。②淤漿床具有很好的操作可靠性、安全性和靈活性，因此對生產(chǎn)廠家具有很大的吸引力。③該工藝技術(shù)成熟，國內(nèi)已經(jīng)有穩(wěn)定運(yùn)行的裝置，該技術(shù)為國外專利技術(shù)，需從國外引進(jìn)。

1 乙炔填充管設(shè)計

根據(jù)乙炔管道工作壓力的不同分為高、中、低壓乙炔，輸送乙炔的管道壓力越低，安全性越高[1]。根據(jù)工作壓力和管徑的組合工況分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個風(fēng)險區(qū)，I區(qū)危險性最小，Ⅱ區(qū)次之，Ⅲ區(qū)危險性最大。在設(shè)計過程中，盡可能將乙炔管道工作區(qū)域控制在Ⅰ區(qū)，降低乙炔發(fā)生爆燃或者爆轟風(fēng)險，同時應(yīng)采取保證乙炔管道安全運(yùn)行的措施。

1.1 乙炔管道的壓力分級及風(fēng)險分區(qū)劃分

乙炔管道的壓力分級見表1[2]。

表1 乙炔管道壓力分級

設(shè)計中工藝給出的乙炔管道工況為：操作壓力0.42 MPa，設(shè)計壓力2.2 MPa，操作溫度55 ℃，設(shè)計溫度75 ℃。按表1劃分屬于高壓乙炔管道，在此基礎(chǔ)上，IGC Doc 123/13針對乙炔分解產(chǎn)生的危險性，通過乙炔管道的操作壓力和管徑，將乙炔工況劃分為3個風(fēng)險分區(qū)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū))，見圖1。

圖1 乙炔風(fēng)險區(qū)劃分

由圖1可知，A線為爆燃極限壓力線，B線為爆轟極限壓力線。當(dāng)乙炔管道的工作條件在A線以下(Ⅰ區(qū))，乙炔有可能會開始分解，但僅發(fā)生在非常高的點(diǎn)火能量條件下，風(fēng)險極??；當(dāng)乙炔管道的工作條件在A線或A線和B線之間(Ⅱ區(qū))，中等的點(diǎn)火能量既會引起乙炔分解，分解將以爆燃形式沿管道傳播；當(dāng)乙炔管道的工作條件在B線或B線以上(Ⅲ區(qū))，分解將以爆燃形式開始，并在管道中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。

如上所述，當(dāng)乙炔的工作分區(qū)控制在Ⅰ區(qū)時，是相對安全的，按圖1所示，在管徑10 mm處作垂直線與A線相交，其交點(diǎn)位于0.42 MPa左右。本項(xiàng)目中高壓乙炔最高操作壓力為0.42 MPa，如果想將乙炔的工作分區(qū)控制在Ⅰ區(qū)，需要將乙炔管徑控制在10 mm以下，從而減小乙炔分解繼而產(chǎn)生爆燃和爆轟的風(fēng)險。

1.2 乙炔管道的安全措施

乙炔管道屬于壓力管道范疇，與普通工藝管道一樣，設(shè)計時應(yīng)符合壓力管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。不同的是，乙炔管道除了要承受最大允許工作壓力之外，還要考慮承受乙炔分解時發(fā)生的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，因此壁厚計算方法和普通工藝管道有很大差別。IGC Doc 123/13針對乙炔管道在不同風(fēng)險區(qū)的壁厚計算公式如下：

式中：e，計算壁厚，mm；p，當(dāng)量壓力，MPa；[其中，風(fēng)險Ⅰ區(qū)：p，2×pw；風(fēng)險Ⅱ區(qū)：p，11(pw+1)-1；風(fēng)險Ⅲ區(qū)：p，35(pw+1)-1]；pw，最大允許工作壓力，MPa；De=管道外徑(mm)；f=計算系數(shù)，風(fēng)險Ⅰ區(qū)：f=fy/1.3；風(fēng)險Ⅱ區(qū)：f=fy/1.1；風(fēng)險Ⅲ區(qū)：f=fy/1.1；fy=材料屈服強(qiáng)度，N/mm2。

以操作壓力為0.42 MPa，DN200管徑為例，如果不采用填充管，按照圖1劃分為Ⅲ區(qū)，通過風(fēng)險Ⅲ區(qū)的壁厚計算公式得出e=8.26 mm；如果采用填充管時，可以將乙炔風(fēng)險分區(qū)控制在I區(qū)時，通過風(fēng)險I區(qū)的壁厚計算公式得出e=0.33 mm。由此可見，當(dāng)乙炔處于風(fēng)險I區(qū)時，壁厚值比風(fēng)險Ⅲ區(qū)時小很多，除此之外，當(dāng)乙炔在風(fēng)險Ⅲ區(qū)時，設(shè)計時須考慮5D彎管，會給管道布置造成很多不便。綜合考慮，本項(xiàng)目采用填充管型式，將乙炔管道控制在風(fēng)險Ⅰ區(qū)，減小管道壁厚的同時，方便管道布置。

乙炔性質(zhì)活潑，當(dāng)與銅、銀、汞或這些金屬的鹽接觸時，形成具有爆炸性的炔化物。因此在選材過程中，不能采用這些金屬的管道輸送乙炔，尤其在閥門選型過程中，閥體、內(nèi)件、密封面等部位的材質(zhì)，均需在規(guī)格書中注明不能含銅、銀、汞材質(zhì)，同時閥門應(yīng)選用全通徑閥門。

乙炔管道應(yīng)敷設(shè)在頂層，不允許與氧氣、氫氣、爆炸危險和腐蝕性流體同一層敷設(shè)。乙炔管道應(yīng)防止被蒸汽或熱管道加熱，管壁溫度不能超過70 ℃；架空坡度不得小于0.001 5，在低點(diǎn)處應(yīng)設(shè)排凝；乙炔管道應(yīng)盡可能減少急變徑、急拐彎情況，避免引起乙炔流速紊亂，增加乙炔爆炸風(fēng)險。

乙炔壓力、溫度及流量的紊亂容易造成乙炔分解或聚合，引起安全事故的發(fā)生，因此乙炔管道應(yīng)設(shè)置壓力、溫度及流量監(jiān)測裝置，實(shí)時監(jiān)控管道系統(tǒng)的運(yùn)行情況，這些監(jiān)測信號不但能就地顯示在指示器上，還需要能傳輸?shù)街醒肟刂剖遥⑴c報警系統(tǒng)聯(lián)鎖，以便巡查人員和中控室人員能及時發(fā)現(xiàn)危險信號并做出調(diào)整，以達(dá)到管道系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。

乙炔管道應(yīng)有可靠的靜電接地和防雷措施，避免靜電積聚和雷電引起火災(zāi)事故；在重要部位應(yīng)設(shè)置固定式乙炔報警器，巡查人員進(jìn)入裝置區(qū)應(yīng)帶有便攜式乙炔報警器，以便及時發(fā)現(xiàn)乙炔泄漏危險；管道系統(tǒng)中應(yīng)安裝阻爆轟型阻火器，阻止乙炔發(fā)生分解或聚合時產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

2 乙炔填充管施工

為了降低乙炔管道的危險性，本設(shè)計乙炔管道采用填充管形式，將母管內(nèi)乙炔均勻分布在子管中，通過控制子管口徑將乙炔限制在相對安全的Ⅰ風(fēng)險區(qū)，同時子管管束可以快速分散熱量，降低爆燃和爆轟的風(fēng)險。

2.1 直管段

乙炔填充管道由母管和填充子管組成，為方便施工，填充管段長度一般不超過3 m。①將母管和子管切割成所需長度規(guī)格，子管比母管短8～10 mm。②先在母管內(nèi)填充Φ10 mm×0.5 mm的304不銹鋼管，填充到不能再塞進(jìn)Φ10 mm規(guī)格管子時，邊緣空位再填充Φ6 mm×0.5 mm的304不銹鋼管使母管內(nèi)密實(shí)不松動。③將相鄰填充子管之間，子管與母管內(nèi)壁之間進(jìn)行點(diǎn)焊固定，防止填充管滑動，同時保證子管端面相比母管端面縮進(jìn)3～4 mm。④打磨子管和母管端面毛刺，焊瘤，確保端面平整光滑，吹掃干凈后用膠帶或防潮布封口。見圖2。

圖2 直管段填充

2.2 管件

這里的管件主要指彎頭、三通、大小頭。①制作固定圓環(huán)，根據(jù)所需填充管件的內(nèi)徑大小，用20 mm寬的鋼帶制作與管件內(nèi)徑一致的圓環(huán)，也可以切割相同口徑的直管段代替圓環(huán)。②制作堵頭，將填充子管切割為50 mm的短管，將切割好的短管密實(shí)排列在圓環(huán)內(nèi)，短管之間點(diǎn)焊在一起。③取下固定圓環(huán)，用制作好的堵頭將管件的一端封堵，并將堵頭的外圓短管與管件內(nèi)壁進(jìn)行點(diǎn)焊，防止松動，同時保證堵頭端面相比管件端面縮進(jìn)3～4 mm。④將Φ10 mm的拉西環(huán)從管件的另一端裝填進(jìn)管件內(nèi)部，裝填過程中不斷搖晃管件，讓拉西環(huán)填滿整個管件內(nèi)部。⑤重復(fù)以上前三步，將管件的另一端進(jìn)行封堵。⑥打磨堵頭和管件端面毛刺，焊瘤，確保端面平整光滑，吹掃干凈后用膠帶或防潮布封口。見圖3。

圖3 管件填充

2.3 閥門

本設(shè)計高壓乙炔管線均采用旋塞閥。①測量閥門需填充部位的內(nèi)部尺寸，按照上述制作堵頭的方法制作符合填充尺寸的堵頭。②用制作好的堵頭對閥門端部進(jìn)行填充，保證填充管離旋塞和法蘭面3～4 mm間距并點(diǎn)焊固定。③打磨堵頭端面毛刺，焊瘤，確保端面平整光滑，吹掃干凈后用膠帶或防潮布封口。閥門填充見圖4。

圖4 閥門填充

2.4 無損檢測

乙炔填充管子管端面相比母管端面縮進(jìn)3～4 mm，母管焊縫寬度為8～10 mm(與母管壁厚有關(guān))，則焊縫中心兩側(cè)各4～5 mm。在RT檢測時，一根母管在不同角度均需進(jìn)行貼片檢測，則子管位于焊縫檢測探測區(qū)域內(nèi)，會造成母管射線檢測底片反映出子管的端部產(chǎn)生的黑線或其他影響評定判別的偽缺陷，不能真實(shí)反映焊縫本體內(nèi)部是否存在缺陷。本設(shè)計結(jié)合以往乙炔填充管設(shè)計及施工經(jīng)驗(yàn)，組織業(yè)主、設(shè)計院、監(jiān)理及施工單位討論交流，對乙炔填充管母管焊縫進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級合格，方法為：氬弧焊打底后做一次PT檢測，焊接完成后再進(jìn)行一次PT檢測。同時此類焊縫抽取1%進(jìn)行RT檢測，作為參考以綜合評判焊縫焊接質(zhì)量。

3 結(jié)束語

本設(shè)計參考了ICG標(biāo)準(zhǔn)和其他類似工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際條件，對高壓乙炔管道采用填充管的方法，將乙炔的工作分區(qū)控制在安全區(qū)域，減少乙炔的爆炸風(fēng)險，在設(shè)計和施工過程中，多次組織業(yè)主、設(shè)計單位和施工單位對遇到的問題進(jìn)行評審，積累不少高壓乙炔管道設(shè)計和施工經(jīng)驗(yàn)和可操作性，目前本項(xiàng)目已經(jīng)成功開車并產(chǎn)出合格產(chǎn)品。