1,4-丁二醇裝置乙炔管道安全設計淺析

章 軍， 張權輝， 焦 娟， 孫 媛

（北京石油化工工程有限公司西安分公司， 陜西西安 710000）

2020 年《關于進一步加強塑料污染治理的意見》［1］發(fā)布后，各地相繼出臺“限塑令”。受此影響，可降解塑料聚己二酸/ 對苯二甲酸丁二酯（PBAT）快速發(fā)展，需求量激增，原料1,4- 丁二醇（BDO）的需求量被大幅拉動，各地大型BDO 項目也紛紛上馬。

以乙炔和甲醛為原料的炔醛法（Reppe 法）是生產(chǎn)BDO 的主要方法， 其生產(chǎn)能力占目前國內(nèi)BDO 總生產(chǎn)能力的90%以上。 隨著BDO 裝置生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大， 主要原料乙炔的管道輸送安全問題被各個建造責任方所重視。

乙炔輸送管道應依據(jù)標準規(guī)范進行設計。 鑒于GB 50031—1991《乙炔站設計規(guī)范》［2］中明確規(guī)定， 此標準不適用于生產(chǎn)化工原料氣的乙炔站和乙炔管道， 而且此標準已于2017-08-01 廢止的實際情況，文中參考歐洲工業(yè)氣體協(xié)會標準EIGA DOC 123/21 《Code of Practice Acetylene》［3］，從設計角度對乙炔管道應考慮的幾點關鍵因素進行討論。

1 乙炔的物理化學特性

乙炔屬于甲類可燃氣體，極易燃燒和爆炸，在空氣中的爆炸極限為2.3%～82%（體積）， 其最小點火能量為0.019 MJ，爆炸組別為ⅡC，極易發(fā)生爆轟［3］。

乙炔在常溫時的熱力學性質(zhì)很不穩(wěn)定， 容易發(fā)生聚合，乙炔聚合時放出的熱量使溫度升高，溫度越高聚合速度越快， 當放出的熱量使乙炔升高到分解的溫度時，尚未聚合的乙炔就發(fā)生分解。

乙炔分解的速度很快，一旦反應開始，便會放出大量熱能使溫度繼續(xù)迅速升高，加快分解速度，直到發(fā)生強烈的爆炸［4］，產(chǎn)生爆燃和爆轟。 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［5］。

乙炔與水接觸時會生成乙炔水合物 （C2H2·5.75H2O），此水合物的最高存在溫度為16 ℃。 水和乙炔水合物在乙炔管道中存在， 可能會堵塞管道， 也可能會由于乙炔和水合物摩擦生成靜電引發(fā)危險。

2 乙炔管道壓力分級和風險分區(qū)

2.1 壓力分級

按照工作壓力（表壓），乙炔管道分為低壓、中壓和高壓3 個壓力等級，見表1。 輸送乙炔的管道壓力越低，安全性越高。

表1 乙炔管道壓力分級

2.2 風險分區(qū)

按照乙炔管道的工作壓力（絕壓）和管道內(nèi)徑組合關系，EIGA DOC 123/21 《Code of Practice Acetylene》中圖4 用2 條直線（A 線和B 線）將乙炔管道的風險區(qū)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)。 其中， A線為爆燃極限壓力線， 其函數(shù)曲線公式為di＜(15.1/Pabs)1.79212；B 線為爆轟極限壓力線， 其函數(shù)曲線公式為di＜(20.2/Pabs)1.8181。 這2 個函數(shù)曲線中的di為管道內(nèi)徑，Pabs為工作壓力（表壓），其單位與EIGA DOC 123/21 中相同。

當乙炔管道的工作范圍在A 線以下 （I 區(qū)），乙炔有可能會發(fā)生輕微分解， 但僅發(fā)生在較高的點火能量條件下，風險最小。當乙炔管道的工作范圍在A 線上或A 線和B 線之間（Ⅱ區(qū)），中等的點火能量即會引起乙炔分解， 分解將以爆燃形式沿管道傳播。 當乙炔管道的工作范圍在B 線上或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。 總之，I 區(qū)的風險最小，Ⅲ區(qū)的風險最大。 因此，在設計工程中，應盡可能將乙炔管道的工作范圍控制在I 區(qū)， 降低乙炔發(fā)生爆燃和爆轟的風險。

由EIGA DOC 123/21 中圖4 和A 線公式可知，當高壓乙炔工作壓力（絕壓）為0.42 MPa，管徑在10 mm 及以下時才能將風險控制在I 區(qū)，乙炔管道相對安全。為了達到這一要求，工程建設中常采用管道內(nèi)填充tube 管束 （φ10 mm、φ6 mm）的方法（圖1），將高壓乙炔的實際流通直徑控制在10 mm 以下，該方法的目的是利用tube 管將管道中的熱量及時分散開和傳導出， 從而降低乙炔的點火能量，以確保管道的安全運行。

圖1 內(nèi)部填充tube 管的乙炔管道

3 乙炔管道壁厚計算

與一般流體不同， 乙炔極易分解并發(fā)生爆燃進而形成爆轟， 其輸送管道因而也與一般工業(yè)管道不同，除了需要承受最大允許工作壓力，還要承受乙炔分解時產(chǎn)生的熱應力和機械應力。 當管道發(fā)生爆轟時的能量傳播速度不小于1 900 m/s［6］，泄壓裝置的反應速度無法滿足爆轟時能量的傳播速度， 因此乙炔壁厚計算方法和一般工業(yè)管道也有較大差別， 其設計應考慮爆燃或爆轟的峰值壓力，按照風險區(qū)分情況計算。

3.1 風險I 區(qū)

I 區(qū)乙炔管道壁厚可根據(jù)GB/T 20801—2020《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》［7］、GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范 （2008 年版）》［8］、SH/T 3059—2012 《石油化工管道設計器材選用規(guī)范》［9］等國家和行業(yè)標準規(guī)范進行計算，也可以按照式（1）進行計算。式（1）中p、f 分別按照式（2）、式（3）計算。

式中：e 為最小管道壁厚的數(shù)值，De為管道外徑的數(shù)值，p 為計算壓力的數(shù)值，pW為最大允許工作壓力的數(shù)值，fy為材料屈服應力的數(shù)值，各變量計算單位與EIGA DOC 123/21 相同。

3.2 風險Ⅱ區(qū)

處于風險Ⅱ區(qū)的乙炔管道，應能承受乙炔分解發(fā)生爆燃時的峰值壓力，最小管道壁厚應當按照式（1）進行計算，其中p、f 按照式（4）、式（5）進行計算。

3.3 風險Ⅲ區(qū)

在Ⅲ區(qū)范圍內(nèi)， 乙炔管道壁厚應能承受乙炔分解發(fā)生爆轟時的峰值壓力， 爆轟是以沖擊波的形式沿管道傳播的，在彎頭、三通、閥門和盲端等引起沖擊波反射的位置會產(chǎn)生更高的壓力， 因此在設計過程中直管及反射位置的承壓均應考慮。

有2 種方法計算Ⅲ區(qū)乙炔管道的壁厚， 第一種方法是將管道元件的壁厚均按承受沖擊波反射的壓力進行計算， 第二種方法是分別計算直管及反射位置的壁厚。

3.3.1 第一種算法

乙炔管道最小壁厚按照式（1）計算。其中p 按照式（6）計算，f 按照式（5）計算。

3.3.2 第二種算法

乙炔管道最小壁厚按照式（1）計算。曲率半徑為管道內(nèi)徑5 倍及以上的彎管視為直管，也按此條計算。 其中p 按照式（7）計算，f 按式（5）計算。

沖擊波反射位置的壁厚應較直管壁厚有所增加，增加壁厚的范圍不小于管道內(nèi)徑的3 倍。增加后的壁厚宜不小于2 倍的直管計算壁厚。

3.4 注意事項

I 區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的乙炔管道壁厚計算方法來自于EIGA DOC 123/21， 其壁厚計算結果為最小管道壁厚，均未附加腐蝕裕量、壁厚負偏差、加工減薄量等因素， 在設計過程中應按實際需要做相應考慮。

BDO 裝置的乙炔管道屬于工業(yè)管道范疇，管道的承壓除了需要滿足壁厚要求外， 還應執(zhí)行現(xiàn)行國家和行業(yè)標準規(guī)范及相應的計算內(nèi)容。

4 乙炔管道輸送溫度要求

在實際生產(chǎn)過程中， 引發(fā)乙炔分解爆炸的能量源一般包括靜電電弧和高溫熱源兩種， 乙炔遇到這些能量源發(fā)生分解爆炸時所需要的壓力稱為分解爆炸臨界壓力。 Mizulania T、朱云峰、高凱等［10-12］進行了震蕩電弧模擬靜電能量源引發(fā)乙炔分解爆炸試驗， 獲得了溫度與乙炔分解爆炸臨界壓力的關系，推導出了一致的研究結論，即分解爆炸臨界壓力隨著溫度的升高而降低， 溫度每升高1 ℃， 分解爆炸臨界壓力就降低3.5×10-4～3.9×10-4MPa。 因此乙炔管道對輸送溫度的要求較為苛刻，對管道進行有效的絕熱處理，防止太陽暴曬及臨近熱源影響非常重要。 在工程建設中常采用具有較強反輻射功能的涂料或絕熱結構，防止熱量在管道表面累積導致介質(zhì)升溫。

5 乙炔輸送管道材料選擇

乙炔與銅、銀、汞及其合金接觸時會生成金屬炔化物，金屬炔化物對振動、摩擦非常敏感，受到管內(nèi)介質(zhì)流體沖擊時容易發(fā)生爆炸。 因此乙炔禁止與銅、銀、汞及其合金接觸，尤其應該注意管道上的閥門和內(nèi)件不得采用含有銅與銅合金的零部件， 同時運行維護過程中也應禁止采用含有上述物質(zhì)的工具。

鋼是乙炔管道的首選材料。 由于管道內(nèi)部的清潔程度會直接影響乙炔的聚合和分解溫度，例如管道內(nèi)部生銹的情況下會導致乙炔在較低的溫度發(fā)生聚合。 因此一般情況下，中、高壓管道的材料應選用奧氏體不銹鋼， 低壓乙炔管道的材料可選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼并在投入運行前進行充分除銹，降低安全風險。

6 結束語

當前國內(nèi)還沒有完全適用于生產(chǎn)化工原料的乙炔管道專用設計標準，BDO 裝置乙炔管道的設計可參照EIGA DOC 123/21 《Code of Practice Acetylene》和現(xiàn)有工程實踐經(jīng)驗。 除了壓力、管徑、溫度、承壓、材料等因素外，還應控制乙炔管道介質(zhì)流速、管道長度等設計條件，采取設置靜電接地、阻火裝置等一系列安全措施，綜合保證乙炔管道運行安全，避免發(fā)生事故［13-14］。