BDO裝置乙炔填充管設計和施工

李鵬輝

(西安延鼎工程設計有限公司 ， 陜西 西安 710000)

乙炔是最基本的化工產品，被廣泛應用于聚乙烯醇、聚氯乙烯、1,4-丁二醇等產品的生產中。乙炔分解是一個自發(fā)反應過程，以爆燃和爆轟的形式發(fā)生，爆燃釋放能量產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生的峰值壓力是初始壓力的50倍。乙炔聚合反應需要熱量，反應一旦開始，就釋放出熱量，聚合產生的熱量將進一步導致乙炔爆炸性地分解為碳和氫。乙炔管道安全的本質是控制乙炔不發(fā)生分解或者聚合，爆炸火焰不傳播。

設計采用改良的炔醛法(Reppe法)生產1,4-丁二醇。該工藝分兩步進行，第一步為乙炔和甲醛在乙炔酮催化劑存在下反應生成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反應器組成，每個系列有3個反應器，共15臺BYD反應器，主反應如下：

丁炔二醇合成

加氫反應有3個主反應器和1個次反應器組成，涉及到的主反應如下：

HOCH2CH2CH2CH2OH (BDO)

改良Reppe法具有以下主要特點：①該工藝由于采用淤漿床，熱容量大，外擴散系數(shù)高，反應熱可通過反應器夾套和物料外循環(huán)方式去除，催化劑活性高、強度好、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，因此對生產廠家具有很大的吸引力。③該工藝技術成熟，國內已經有穩(wěn)定運行的裝置，該技術為國外專利技術，需從國外引進。

1 乙炔填充管設計

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)生爆燃或者爆轟風險，同時應采取保證乙炔管道安全運行的措施。

1.1 乙炔管道的壓力分級及風險分區(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

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

圖1 乙炔風險區(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)生在非常高的點火能量條件下，風險極??；當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，并在管道中逐漸轉變?yōu)楸Z。

如上所述，當乙炔的工作分區(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，其交點位于0.42 MPa左右。本項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生爆燃和爆轟的風險。

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，設計時應符合壓力管道標準規(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)生的熱應力和機械應力，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險區(qū)的壁厚計算公式如下：

式中：e，計算壁厚，mm；p，當量壓力，MPa；[其中，風險Ⅰ區(qū)：p，2×pw；風險Ⅱ區(qū)：p，11(pw+1)-1；風險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)，風險Ⅰ區(qū)：f=fy/1.3；風險Ⅱ區(qū)：f=fy/1.1；風險Ⅲ區(qū)：f=fy/1.1；fy=材料屈服強度，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，可以將乙炔風險分區(qū)控制在I區(qū)時，通過風險I區(qū)的壁厚計算公式得出e=0.33 mm。由此可見，當乙炔處于風險I區(qū)時，壁厚值比風險Ⅲ區(qū)時小很多，除此之外，當乙炔在風險Ⅲ區(qū)時，設計時須考慮5D彎管，會給管道布置造成很多不便。綜合考慮，本項目采用填充管型式，將乙炔管道控制在風險Ⅰ區(qū)，減小管道壁厚的同時，方便管道布置。

乙炔性質活潑，當與銅、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、內件、密封面等部位的材質，均需在規(guī)格書中注明不能含銅、銀、汞材質，同時閥門應選用全通徑閥門。

乙炔管道應敷設在頂層，不允許與氧氣、氫氣、爆炸危險和腐蝕性流體同一層敷設。乙炔管道應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，在低點處應設排凝；乙炔管道應盡可能減少急變徑、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，因此乙炔管道應設置壓力、溫度及流量監(jiān)測裝置，實時監(jiān)控管道系統(tǒng)的運行情況，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)危險信號并做出調整，以達到管道系統(tǒng)安全運行的目的。

乙炔管道應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事故；在重要部位應設置固定式乙炔報警器，巡查人員進入裝置區(qū)應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)中應安裝阻爆轟型阻火器，阻止乙炔發(fā)生分解或聚合時產生的火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

2 乙炔填充管施工

為了降低乙炔管道的危險性，本設計乙炔管道采用填充管形式，將母管內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先在母管內填充Φ10 mm×0.5 mm的304不銹鋼管，填充到不能再塞進Φ10 mm規(guī)格管子時，邊緣空位再填充Φ6 mm×0.5 mm的304不銹鋼管使母管內密實不松動。③將相鄰填充子管之間，子管與母管內壁之間進行點焊固定，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)所需填充管件的內徑大小，用20 mm寬的鋼帶制作與管件內徑一致的圓環(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排列在圓環(huán)內，短管之間點焊在一起。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壁進行點焊，防止松動，同時保證堵頭端面相比管件端面縮進3～4 mm。④將Φ10 mm的拉西環(huán)從管件的另一端裝填進管件內部，裝填過程中不斷搖晃管件，讓拉西環(huán)填滿整個管件內部。⑤重復以上前三步，將管件的另一端進行封堵。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行填充，保證填充管離旋塞和法蘭面3～4 mm間距并點焊固定。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3～4 mm，母管焊縫寬度為8～10 mm(與母管壁厚有關)，則焊縫中心兩側各4～5 mm。在RT檢測時，一根母管在不同角度均需進行貼片檢測，則子管位于焊縫檢測探測區(qū)域內，會造成母管射線檢測底片反映出子管的端部產生的黑線或其他影響評定判別的偽缺陷，不能真實反映焊縫本體內部是否存在缺陷。本設計結合以往乙炔填充管設計及施工經驗，組織業(yè)主、設計院、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，焊接完成后再進行一次PT檢測。同時此類焊縫抽取1%進行RT檢測，作為參考以綜合評判焊縫焊接質量。

3 結束語

本設計參考了ICG標準和其他類似工程項目經驗，結合本項目的實際條件，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，減少乙炔的爆炸風險，在設計和施工過程中，多次組織業(yè)主、設計單位和施工單位對遇到的問題進行評審，積累不少高壓乙炔管道設計和施工經驗和可操作性，目前本項目已經成功開車并產出合格產品。