以環(huán)氧乙烷為原料的化工裝置的管道專業(yè)設(shè)計要點(diǎn)分析

摘要：介紹了環(huán)氧乙烷的應(yīng)用及特性，并結(jié)合以環(huán)氧乙烷為原料的某化工裝置，從工程公司管道專業(yè)角度闡述了其設(shè)備布置要點(diǎn)，并介紹了環(huán)氧乙烷管道布置及材料選用原則。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧乙烷;管道;布置;材料

0 ? ?引言

環(huán)氧乙烷（簡稱“EO”）是乙烯工業(yè)衍生物中的重要化工產(chǎn)品，同時作為精細(xì)化工原料，可用于生產(chǎn)防凍劑、聚酯的原料乙二醇等多種精細(xì)化工產(chǎn)品，其下游產(chǎn)品也可用于生產(chǎn)表面活性劑、洗滌劑、乳化劑、抗凍劑、增塑劑等[1]，可見其應(yīng)用的廣泛性。但環(huán)氧乙烷是易燃易爆易自聚、有毒的危險化學(xué)品，屬于重點(diǎn)監(jiān)管的危險化學(xué)品。

某化工項目以環(huán)氧乙烷和二甲胺為原料，經(jīng)過胺基化反應(yīng)生產(chǎn)2-二甲氨基乙醇，產(chǎn)品可用于生產(chǎn)聚氨脂催化劑、涂料、水處理絮凝劑和醫(yī)藥行業(yè)等。該項目涉及的原料二甲胺、環(huán)氧乙烷屬于重點(diǎn)監(jiān)管的危險化學(xué)品，其生產(chǎn)工藝屬于安監(jiān)總局公布的首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險化工工藝目錄。由于EO的高毒性危害及火災(zāi)危險性，其管道多屬于特種設(shè)備安全監(jiān)察范圍內(nèi)的壓力管道，因此管道設(shè)計的安全性尤為重要。本文將結(jié)合該項目，從工程公司管道專業(yè)角度闡述此類裝置的管道設(shè)計要點(diǎn)。

1 ? ?環(huán)氧乙烷特性

環(huán)氧乙烷主要特性參數(shù)如表1所示。

EO沸點(diǎn)低（10.6 ℃），一旦泄漏容易氣化，由于其相對蒸汽密度大于空氣，EO氣體容易沿地擴(kuò)散積聚在低洼處，與空氣混合后達(dá)到爆炸極限。EO的爆炸極限范圍非常廣（3%～100%），遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險。接觸堿金屬、氫氧化物或高活性催化劑如鐵、錫和鋁的無水氯化物及鐵和鋁的氧化物可大量放熱，并可能引起爆炸[2]。按照GB 50160—2008（2018年版）《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》及EO物性，可確定氣態(tài)EO火災(zāi)危險性為甲類，液態(tài)EO火災(zāi)危險性為甲A[3]，由此可見，其火災(zāi)爆炸危險性極高。

EO是一種中樞神經(jīng)抑制劑，有致癌性，能引起急性中毒及慢性中毒。依據(jù)危險化學(xué)品目錄，EO的急性毒性為類別3*，標(biāo)記“*”的類別，是指在有充分依據(jù)的條件下，該化學(xué)品可以采用更嚴(yán)格的類別（類別2）[4]。因此，化工裝置中EO屬于高毒性危害物質(zhì)。

2 ? ?設(shè)備布置設(shè)計要點(diǎn)

該項目主要單元包含環(huán)氧乙烷卸車站及儲罐、二甲胺儲罐區(qū)、生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)裝置專用冷卻水塔、管廊。上下游裝置示意圖如圖1所示。

2.1 ? ?環(huán)氧乙烷卸車站布置

該項目EO采用槽車運(yùn)輸，其卸車站布置在廠區(qū)邊緣并避開辦公樓中控室等人員集中場所，同時滿足了方便運(yùn)輸、物流順暢、運(yùn)輸路徑短、與人員通道交叉少的要求[5]。EO采用頂部卸車，卸車鶴管布置在平臺上。平臺上方加設(shè)遮陽棚，避免陽光長時間直射EO卸車管線。卸車站設(shè)計需業(yè)主提供槽車參數(shù)，包括車長、車寬、車頂平臺高度及長寬、接口位置及形式。根據(jù)車長考慮回車場空間，卸車站平臺需設(shè)置折疊梯用于人員通行至槽車頂部，平臺高度應(yīng)與槽車頂部平臺高度相當(dāng)，鶴管長度應(yīng)根據(jù)槽車寬度及停車位置決定，鶴管接口應(yīng)能滿足槽車接口形式。卸車站平臺應(yīng)設(shè)置斜梯用于緊急逃生及日常操作。另外，緊急切斷閥應(yīng)布置在距裝卸車鶴位10 m以外裝卸管道并方便操作的位置，裝卸車鶴位與集中布置的泵的距離不應(yīng)小于10 m。EO卸車站布置如圖2所示。

2.2 ? ?EO儲罐布置

EO儲罐與相鄰建筑物、道路、泵區(qū)、裝卸棧臺等的距離應(yīng)滿足GB 50160防火間距要求，布置在廠區(qū)邊緣靠近裝卸站并方便物流運(yùn)輸?shù)陌踩貛?，且位于明火及散發(fā)火花地點(diǎn)的全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)向。該項目EO儲罐屬于半冷凍式臥式儲罐，其操作溫度為10～17 ℃，操作壓力為0.36 MPa（G）。該儲罐設(shè)置了不高于0.6 m的防火堤，高度與其他類可燃液體儲罐防火堤相比較低，如有少量EO泄漏有利于擴(kuò)散。防火堤內(nèi)布置了可燃?xì)怏w探測儀，如有EO泄漏，將會觸發(fā)可燃?xì)怏w探測儀報警，便于及時發(fā)現(xiàn)，避免重大事故發(fā)生。由于EO蒸汽密度大于空氣，防火堤內(nèi)未設(shè)置雨水明溝，以防EO泄漏積聚在明溝內(nèi)。防火堤內(nèi)地坪坡向儲罐外側(cè)，防止泄漏的EO滯留在儲罐附近。防火堤不同方位設(shè)置了兩個斜梯，方便人員操作通行及緊急逃生。

2.3 ? ?生產(chǎn)裝置設(shè)備布置

該項目生產(chǎn)裝置的原料EO及二甲胺火災(zāi)危險性均為甲A類，按照火災(zāi)危險性劃分該裝置應(yīng)為甲類生產(chǎn)裝置，其管道布置及設(shè)備布置均應(yīng)至少滿足GB 50160防火間距要求，并位于明火及散發(fā)火花地點(diǎn)的全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)向。

該裝置主要設(shè)備包含反應(yīng)器、填料塔、再沸器、冷凝器、產(chǎn)品儲罐及附屬的機(jī)泵等設(shè)備。反應(yīng)器底部設(shè)有循環(huán)泵及蒸汽發(fā)生器，進(jìn)行物料循環(huán)，同時利用蒸汽發(fā)生器對反應(yīng)放出的熱量進(jìn)行回收利用，泵與反應(yīng)器之間管線盡量短。為了滿足應(yīng)力要求，泵的底部采用彈簧支撐，蒸汽發(fā)生器與反應(yīng)器都支撐在二層結(jié)構(gòu)鋼梁上。蒸汽發(fā)生器兩個設(shè)備鞍座采用不銹鋼材質(zhì)，鞍座下方鋪設(shè)PTFE板以降低摩擦系數(shù);兩個鞍座都為滑動支座，以減小熱脹對泵的推力，降低對泵管口應(yīng)力影響，該設(shè)計既滿足了工藝要求，也通過了應(yīng)力計算。

裝置內(nèi)2#塔為二甲胺回收塔，根據(jù)工藝需要，塔頂冷凝器和塔頂回流罐需要靠近塔頂布置，回流罐內(nèi)液體依靠重力流返回系統(tǒng)。此外，4#塔為2-二甲氨基乙醇精餾塔，此塔為真空操作，根據(jù)工藝需要，塔頂冷凝器需要靠近塔頂布置。綜合考慮，采用6層鋼結(jié)構(gòu)框架布置以滿足工藝需求。由于框架長度超過了8 m，為滿足安全逃生及操作要求，在兩個不同方向設(shè)置兩部斜梯。

管道專業(yè)在進(jìn)行設(shè)備布置時，除了滿足以上工藝要求外，還需考慮操作安全、布局經(jīng)濟(jì)合理、便于操作、方便施工及維修等因素。

3 ? ?環(huán)氧乙烷管道設(shè)計原則

3.1 ? ?EO管道布置

管道布置通常需考慮以下原則：應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、滿足工藝要求，統(tǒng)籌規(guī)劃、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，滿足操作維修及施工方便等方面的要求，并力求整齊美觀，成組布置，便于支撐，改變走向，改變標(biāo)高，滿足柔性要求，不妨礙設(shè)備和儀表的操作和維修等[6]。

考慮到EO的火災(zāi)危險性及高毒性危害，除上述原則外，其管道布置還需考慮以下方面：EO管線應(yīng)架空或沿地敷設(shè)，不得埋地或布置在管溝內(nèi)。禁止穿越工廠內(nèi)危險區(qū)域及與其無關(guān)的建筑物。其跨越道路的管線上不應(yīng)設(shè)置閥門及易泄漏的管道附件。如管廊上布置有氧氣管道，氧氣管道屬于助燃介質(zhì)，與EO管線平行布置時凈距不應(yīng)小于500 mm，交叉布置時凈距不應(yīng)小于250 mm。進(jìn)出裝置的EO管線、可燃?xì)怏w和可燃液體管線在裝置的邊界處應(yīng)設(shè)隔斷閥和8字盲板，并應(yīng)設(shè)置平臺方便操作隔斷閥。避免EO管線與高溫管線布置在一起，最大程度上遠(yuǎn)離高溫管線布置，以免造成EO管線溫度升高引發(fā)自聚反應(yīng)。避免EO管線與含有腐蝕性化學(xué)品的管線就近布置。管線應(yīng)做到步步高或步步低，避免氣袋和液袋。分支處閥門應(yīng)距主管距離應(yīng)做到最短，以減少管線死端。由于EO具有自聚性，EO管線末端都需考慮氮?dú)獯祾吖芫€，一旦EO管線停止運(yùn)行，需立即清空管線，并使用氮?dú)獯祾咧廖矚馕账M(jìn)行尾氣洗滌處理，絕不允許EO長期滯留在管線中。

3.2 ? ?EO管道材料設(shè)計

EO接觸堿金屬、氫氧化物或高活性催化劑如鐵、錫和鋁的無水氯化物及鐵和鋁的氧化物可大量放熱，并可能引起爆炸，因此管道材料應(yīng)選用奧氏體不銹鋼。管線除需要用法蘭連接外，均應(yīng)采用焊接連接。其墊片應(yīng)采用PTFE纏繞式墊片，禁止使用石棉橡膠墊片。螺栓應(yīng)采用不銹鋼材質(zhì)。

閥門應(yīng)選用波紋截止閥或者性能可靠的球閥，該項目EO管線上選用的全部是進(jìn)口球閥。閥門關(guān)閉時，密封在密封腔內(nèi)的EO液體將受熱蒸發(fā)，會產(chǎn)生額外的壓力并破壞閥門，根據(jù)EO的特點(diǎn)要求此球閥結(jié)構(gòu)本身具有放空腔體，并在腔體兩側(cè)加設(shè)彈簧，采用此措施釋放壓力，避免EO長時間積聚在閥腔內(nèi)造成自聚。

EO管道保冷采用阻燃性能高的泡沫玻璃，外保護(hù)皮采用薄不銹鋼皮。保冷施工應(yīng)保證管道防潮和外保護(hù)皮的密封性能，嚴(yán)禁水滲透到保冷材料內(nèi)。通常閥門及法蘭連接處不保冷，目的是及時監(jiān)測到EO泄漏，并防止泄漏到保溫層里積聚造成嚴(yán)重事故。該項目設(shè)計了法蘭夾將法蘭包裹起來，并在法蘭夾上開小孔再焊接一小段管子，一旦法蘭連接處出現(xiàn)EO泄漏，通過小管子末端很容易被及時發(fā)現(xiàn)并避免事故發(fā)生。

4 ? ?結(jié)語

化工行業(yè)中環(huán)氧乙烷應(yīng)用廣泛，同時環(huán)氧乙烷也是易燃易爆易自聚高危害毒性化學(xué)品，管道專業(yè)在進(jìn)行此類裝置設(shè)備布置、管道布置及選材設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合其特性進(jìn)行安全性設(shè)計，保證裝置安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 于雪燕.關(guān)于環(huán)氧乙烷在罐區(qū)設(shè)計中安全問題的討論[J].山東化工，2016，45（10）：138-139.

[2] 劉書華.環(huán)氧乙烷儲罐工藝控制及安全設(shè)計[J].化工設(shè)計，2012，22（6）：7-8.

[3] 危險化學(xué)品目錄（2015版）：國家安全監(jiān)督管理總局等10部門公告2015年第5號[A].

[4] 石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)：GB 50160—2008（2018年版）[S].

[5] 化工企業(yè)總圖運(yùn)輸設(shè)計規(guī)范：GB 50489—2009[S].

[6] 張德姜，王懷義，劉邵業(yè).石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊[M].北京：中國石化出版社，2004.

收稿日期：2020-02-12

作者簡介：李雪峰（1983—），男，河北吳橋人，工程師，研究方向：管道設(shè)計。