聚醋酸乙烯儲罐氮封系統(tǒng)失效原因分析與對策

周 波

(中國石化重慶川維化工有限公司，重慶 401200)

0 前言

聚乙烯醇為白色片狀體或絮狀體，無毒無味，具有良好的力學性能和可調節(jié)的表面活性，是一種廣泛應用于紡織、建筑、包裝、高分子化工等行業(yè)的可溶性高分子聚合物。目前普遍采用的聚乙烯醇生產工藝為：以醋酸乙烯為原料，偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑，甲醇為溶劑，采用溶液聚合法，首先得到聚醋酸乙烯溶液，然后再通過皂化醇解反應生成聚乙烯醇。聚醋酸乙烯溶液主要為聚醋酸乙烯和甲醇，在進行醇解反應前作為生產原料儲存在罐區(qū)儲罐內，為了保證儲罐運行安全，設置了氮封系統(tǒng)。

儲罐氮封系統(tǒng)主要包括自力式供氮調節(jié)閥(以下簡稱供氮閥)、自力式泄氮調節(jié)閥(以下簡稱泄氮閥)和帶阻火功能的呼吸閥。氮封系統(tǒng)是一套自力式微壓力控制系統(tǒng)，主要用于保持儲罐頂部保護氣(一般為氮氣)的壓力恒定，避免儲罐內物料揮發(fā)和被氧化，同時保護儲罐運行安全。氮封系統(tǒng)具有節(jié)能、動作靈敏、運行可靠、操作與維護方便、無需外加能源等特點，廣泛用于石油、化工行業(yè)。

氮封系統(tǒng)的工作原理為：當儲罐出料時，儲罐液位降低，罐內氣相部分容積增大，壓力降低。當壓力低于供氮閥設定壓力值時，供氮閥開啟，向儲罐加入氮氣，罐內壓力上升，當罐內壓力上升到供氮閥設定壓力值時，供氮閥自動關閉；當儲罐進料時，儲罐液位升高，罐內氣相部分容積減小，壓力升高。當壓力高于泄氮閥設定壓力值時，泄氮閥開啟，罐內甲醇、氮氣混合氣體向尾氣管泄壓，罐內壓力下降，當罐內壓力下降到泄氮設定壓力值時，泄氮閥自動關閉[1]。

1 聚醋酸乙烯儲罐氮封系統(tǒng)設置現(xiàn)狀

醇解罐區(qū)共設置聚醋酸乙烯儲罐12個，用于儲存聚醋酸乙烯溶液，其中10個儲罐用于正常運行，其位號為R43107C～L；其余2個儲罐作為事故儲罐使用，其位號為R43108A/B，主要用于儲存聚合開停車及轉產時產生的不合格聚醋酸乙烯溶液。正常情況下，聚醋酸乙烯溶液中聚醋酸乙烯和甲醇的體積濃度分別為33%，67%(不同產品其濃度會有變化)，儲存溫度為50～65 ℃，每個儲罐均為固定拱頂儲罐，容積均為300 m3。每個儲罐均設置一套氮封系統(tǒng)，主要由供氮閥、泄氮閥、阻火器3部分組成，同時為避免儲罐泄壓時甲醇氣體直接外排，在泄氮閥后設置了尾氣收集管道，經冷凝器冷凝后甲醇液體自動回流到R43108A/B儲罐。其流程見圖1(以R43107C罐為例)。

圖1 聚醋酸乙烯儲罐流程

2 運行中存在的問題

2.1 尾氣管道積液不暢通

在實際運行過程中，操作人員發(fā)現(xiàn)各儲罐的呼吸閥頻繁打開，大量甲醇氣體逸出，罐頂甲醇氣味大。操作人員進一步檢查發(fā)現(xiàn)，在泄氮閥后法蘭處長期有甲醇液體聚積，拆開此處法蘭螺栓后，管道內有甲醇液體流出，初步判斷為儲罐尾氣管積液導致尾氣不暢通。

泄氮閥為某控制閥有限公司生產的ZZDX型產品，其工作原理：介質由閥體上箭頭方向流經閥體，受控的上游壓力(P1)進入檢測室，并在此轉換成定位力。根據(jù)彈簧力大小，定位力調整閥芯位置。當閥前壓力P1升高時，閥芯位移，閥門趨向開啟，從而達到泄壓目的；相反,當閥前壓力P1降低時，調壓閥主閥趨向關閉，從而達到穩(wěn)壓目的。ZZDX型泄氮閥結構原理見圖2。

泄氮閥可調節(jié)壓力范圍為1.0～5.5 kPa[2]，實際設定壓力值為1.5 kPa，調節(jié)閥為水平安裝。當儲罐壓力高于1.5 kPa時，泄氮閥開啟，儲罐泄壓，儲罐上部空間甲醇和氮氣的混合氣體被泄放，通過尾氣管進入尾氣冷凝器。當儲罐壓力低于1.5 kPa時，泄氮閥關閉，保持儲罐內壓力穩(wěn)定。

圖2 ZZDX型泄氮閥結構原理

從泄氮閥排出的混合氣體主要為甲醇和氮氣，為了避免甲醇損失和對環(huán)境造成影響，將泄放的尾氣統(tǒng)一收集后進行冷凝回收甲醇。經過現(xiàn)場查看，由于尾氣收集管道高于泄氮閥安裝水平位置，部分甲醇氣體會在管道內冷凝成液體，通過尾氣管回到儲罐內，而泄氮閥結構原理顯示其為高進低出，形成了水平狀的“S”形，冷凝的甲醇液體沉積在泄氮閥的最低部，即使泄氮閥開啟后，冷凝的甲醇液體也無法回流到儲罐內部，在運行過程中，造成了泄氮閥后法蘭處積液，形成液封，使尾氣管道不暢通。

2.2 呼吸閥頻繁開啟

罐頂呼吸閥是儲罐安全設施之一，是在氮封裝置失靈或不能滿足流量要求，儲罐內壓力劇增或劇減時，呼吸閥開啟，排出氮氣或者吸入空氣，起到保護儲罐作用。呼吸閥的工作原理是利用閥盤的重量，來控制儲罐的呼出壓力和吸入的真空度。對于可燃易燃介質儲罐，呼吸閥呼出的介質進入大氣中存在火災爆炸的風險，因此需使用帶阻火功能的呼吸閥。同時，為避免空氣被吸入到儲罐內，在罐內與可燃介質形成爆炸性混合氣體，呼吸閥一般與氮封裝置配套使用，供氮閥設定壓力高于呼吸閥吸入的真空度。在供氮閥和泄氮閥壓力設定調整好后，為避免呼吸閥頻繁開啟，呼吸閥的呼出壓力設定值應高于泄氮閥的設定值。

聚醋酸乙烯儲罐頂部呼吸閥呼出、呼入壓力設定值分別為1.765，-0.295 kPa，供氮閥、泄氮閥壓力設定值分別為1.0，1.5 kPa。當儲罐壓力低于1.0 kPa時，供氮閥向罐內補充氮氣；當儲罐壓力高于1.5 kPa時，泄氮閥開啟泄壓；當泄氮閥故障或尾氣管堵塞，儲罐壓力高于1.765 kPa時，罐頂呼吸閥開啟泄壓[2]。在實際運行中，由于泄氮閥后尾氣管積液，泄氮閥開啟后無法泄壓，儲罐只能通過呼吸閥泄壓，這是造成呼吸閥頻繁開啟的主要原因。另一方面，當呼吸閥失靈或呼吸閥設定開啟壓力低于供氮閥設定壓力時，呼吸閥也會處于開啟狀態(tài)。

2.3 供氮閥不按設定值開閉

供氮閥為某控制閥有限公司生產的ZZDG型產品，其工作原理：介質由閥體上箭頭方向流經閥體，同時P1經空氣過濾減壓器減壓進入指揮器B室作為驅動能源使用。系統(tǒng)沒有運行時，閥門主閥關閉。受控的下游壓力(P2)經導壓管傳送到指揮器檢測室A，并在此轉換成定位力。根據(jù)彈簧力大小，定位力調整指揮器閥芯位置。當閥后壓力P2升高時，使指揮器閥芯位移，指揮器趨向關閉，相應PS壓力減小，調壓閥主閥趨向關閉。從而達到減壓、穩(wěn)壓目的。相反當閥后壓力P2降低時，指揮器閥芯位移，指揮器開啟度增大，相應PS壓力增大，調壓閥主閥趨向開啟度增大，從而達到減壓、穩(wěn)壓目的。ZZDG型供氮閥結構原理見圖3。

圖3 ZZDG型供氮閥結構原理

在實際運行中，操作人員發(fā)現(xiàn)供氮閥動作不靈敏或在儲罐壓力低于1.0 kPa時不能開啟，進一步檢查發(fā)現(xiàn)供氮閥采壓點處積液。查閱氮封裝置使用說明書，發(fā)現(xiàn)供氮閥安裝位置錯誤。供氮閥安裝在地面上，離儲槽頂部垂直高度約9 m，在供氮閥關閉時，儲罐內甲醇氣體會在管道冷凝成液體，聚積在最低處的水平管道上，而泄氮閥的取壓點剛好在此處，因而會造成取壓不準，使供氮閥不按設定值開閉。另一方面，供氮閥取壓點離儲槽頂部距離過長，管道壓損過大，產生了較大的壓差(壓差值=閥門設定壓力值-儲罐內壓力-管道壓損)，這也是造成供氮閥不按設定值開閉的重要原因。

3 解決措施

由于供氮閥取壓接頭安裝在管道上，約束了取壓接頭至儲罐之間連接管道兩端的壓差(壓差值=閥門設定壓力值-儲罐內壓力-管道壓損)[3]。因管道內介質流速與兩端的壓差值成正比，所以管道的流通能力受限制，即介質流量受到限制。故當儲罐內出料量大時或者閥門設定壓力值較小時，可能會出現(xiàn)因氮氣來不及補充而出現(xiàn)罐內負壓現(xiàn)象或者罐內壓力達不到設定值現(xiàn)象。泄氮閥類同，可能會出現(xiàn)罐內壓力超壓報警現(xiàn)象。因此供氮閥、泄氮閥安裝在罐頂，供氮閥取壓點直接取在儲罐頂部，或者增大閥門與儲罐之間連接管道直徑。因而，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，需對氮封系統(tǒng)進行整改。改造后的氮封裝置示意見圖4。

3.1 改造尾氣收集總管，避免泄漏氮閥后尾氣管積液

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將泄氮閥后收集總管的安裝位置進行調整，收集總管安裝水平位置低于泄氮閥位置。這樣泄氮閥后管道冷凝的甲醇液體通過位差直接經收集總管進入冷凝器，有效避免了泄氮閥后管道積液造成泄氮閥失效。

3.2 改造供氮閥裝置，避免供氮閥管道積液

對供氮閥的安裝位置進行調整改造，將供氮閥安裝位置從地面改到儲罐頂部，取壓點設置在供氮閥后管道頂部，避免取壓點離罐頂距離過長造成壓差過大，取壓不準，引起供氮閥不按設定值開閉。另一方面，管道內甲醇氣體在冷凝后直接流入罐內，不會聚積在供氮管道上，也避免取壓不準確的問題。

圖4 改造后的氮封裝置

由于聚醋酸乙烯溶液存在黏度高、流動慢的特殊性，同時遇水會水解堵塞管道和閥門，儲罐無法徹底清掃、清洗干凈，罐頂安裝尾氣管道和改造供氮閥動火施工有極大的安全風險[4]，因而無法對氮封裝置進行徹底改造。為解決儲罐氮封系統(tǒng)存在的問題，結合現(xiàn)場實際情況，可實施下述改造，以滿足運行要求。

3.3 泄氮閥后增設排液低點

在泄氮閥后管道最低點(集液點)增設一處排液低排閥門，并統(tǒng)一收集到R43108A/B事故儲罐或其他儲罐，排液吊頭下方設置高度約200 mm的U形液封，確保R43108A/B儲罐在正常壓力2 kPa以下運行時不受影響，從而實現(xiàn)氣液分離。

3.4 改造供氮閥取壓點

將供氮閥取壓點設置在罐頂?shù)墓┑芫€上，一是避免取壓值的壓差損失，保證取壓的準確性；二是防止供氮管線底部積液后取壓不準造成供氮閥不按設定值開閉。

4 結語

10×104t/a聚乙烯醇裝置聚醋酸乙烯儲槽氮封裝置失效的主要原因是供氮閥和泄氮閥安裝位置不規(guī)范，未按照廠家提供的氮封裝置使用說明書進行安裝，特別是泄氮閥后的尾氣收集管道形成了U形液封，導致泄氮閥失去作用，引起呼吸閥頻繁開啟。由于聚醋酸乙烯物料的特殊性，徹底整改具有非常大的安全風險，但可以通過在泄氮閥后U形管道上增設排液管線，并統(tǒng)一收集的方案進行整改，從而解決氮封裝置失效的問題。