任懷文上海華誼工程有限公司 上海200235

乙炔是易燃易爆的甲類(lèi)危險(xiǎn)氣體，爆炸范圍極大，為2.19%～82%(V)，與空氣混合易形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。能與銅、銀、汞等金屬及其合金生成爆炸性的炔化物。因此儲(chǔ)存和輸送乙炔需要格外小心，乙炔的儲(chǔ)存通常溶解在溶劑并儲(chǔ)藏在鋼瓶中。目前乙炔的流速通常參考“乙炔站設(shè)計(jì)規(guī)范”，取小于8m/s，但該規(guī)范僅適用于乙炔站內(nèi)的少量乙炔氣輸送，對(duì)于乙炔作為原料氣采用大直徑管道的長(zhǎng)距離輸送缺少指導(dǎo)意義。

乙炔原料氣的長(zhǎng)距離輸送設(shè)計(jì)案例不多，德國(guó)從Burghausen的Marathon煉油廠到Gendorf的赫斯特工廠的8km長(zhǎng)的乙炔管線，管子直徑300mm。操作壓力分別為:進(jìn)口2bar，出口1.5bar，但是管道的設(shè)計(jì)壓力為100bar;重慶MDI項(xiàng)目中乙炔原料氣的輸送限制管徑DN450，低壓輸送，采用BASF公司的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)(Reasonable Practices)。上海華誼工程公司也設(shè)計(jì)過(guò)DN600的乙炔氣輸送管道，輸送距離小于1km，操作條件類(lèi)似，目前安全運(yùn)行。盡管如此，乙炔氣的大量輸送并未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上對(duì)青海某項(xiàng)目的乙炔輸送管道的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述和說(shuō)明。

該項(xiàng)目乙炔發(fā)生裝置和VCM裝置分別位于東西兩區(qū)，清潔后的乙炔原料氣需要從東區(qū)輸送到西區(qū)，管線穿越山地，地形復(fù)雜，且山體易滑坡，輸送距離約3.5km，在線路設(shè)計(jì)上要避開(kāi)居民區(qū)。如此長(zhǎng)距離的輸送在國(guó)內(nèi)尚屬首次，系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)尤其重要。

1 乙炔的爆炸性能

乙炔采用管道輸送的危險(xiǎn)性必須考慮兩個(gè)重要的因素，爆燃(deflagration)和爆轟(detonation)。

爆燃是指火焰在非燃燒乙炔氣體中以低于音速傳播的狀態(tài)。由于傳播速率不斷變化、增大，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致爆炸。初始?jí)毫υ?～5bar時(shí)，固定體量的乙炔在爆燃形成的壓力通常是初始?jí)毫Φ?1.5～11.9倍。一般情況下輸送乙炔應(yīng)選用較小的管徑和較低的輸送壓力，較為安全。

爆轟是指火焰在非燃燒氣體中以超過(guò)音速傳播的狀態(tài)，通常傳播速率達(dá)到幾倍音速甚至每秒數(shù)千英尺。與爆燃不同的是，爆燃發(fā)生時(shí)非燃燒氣體和燃燒氣體的壓力是同時(shí)升高的;而爆轟發(fā)生時(shí)，燃燒氣體和非燃燒氣體之間產(chǎn)生急劇的壓力變化。

有時(shí)很難區(qū)分輸送管道內(nèi)發(fā)生了爆燃還是爆轟，這與管道的直徑、操作壓力、輸送管道的長(zhǎng)度等都有關(guān)系，有時(shí)爆燃會(huì)發(fā)展成爆轟，有時(shí)爆燃和爆轟同時(shí)存在。

2 乙炔輸送的工作范圍劃分

本輸送管道的設(shè)計(jì)需考慮滿足項(xiàng)目二期的輸送要求。根據(jù)IGC規(guī)范，乙炔氣體的輸送壓力越低、管徑越小，管道輸送的安全性越高;乙炔中壓輸送的壓力范圍定位為0.2～1.5bar(G)。根據(jù)《乙炔站設(shè)計(jì)規(guī)范》，乙炔氣體的管道流速控制＜8m/s。輸送壓力取決于接收端(VCM裝置)的壓力和管線的壓降，接收端的最低壓力要求0.68bar(G)，通過(guò)建立模型和迭代，東區(qū)乙炔的供應(yīng)壓力應(yīng)為1.24bar(G)，管徑為DN900。管徑放大雖然能降低流速，同時(shí)也增大了爆炸的威力和危險(xiǎn)性。

針對(duì)乙炔分解產(chǎn)生的危險(xiǎn)性，IGC規(guī)范可將工作范圍劃分為三部分，見(jiàn)圖1。

圖1 Sargent定義的工作范圍

工作范圍Ⅰ:乙炔分解危害較輕。

工作范圍Ⅱ:在點(diǎn)火狀態(tài)下，可能發(fā)生乙炔分解形成爆燃。

工作范圍Ⅲ:在點(diǎn)火狀態(tài)下，乙炔分解形成爆燃，如果管線足夠長(zhǎng)可能演變成爆轟。

本項(xiàng)目乙炔管線屬于“工作范圍Ⅲ”。

3 設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要參考了如下規(guī)范:

《Code of Practice for Acetylene》IGC Doc 123/04/E(簡(jiǎn)稱IGC規(guī)范)

《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50251

《乙炔站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50031－91

《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)定》GB 50058－92

《石油化工企業(yè)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50493－2009

CGA－1.2－2006《ACETYLENE METERING AND PIPING》Third Edition(簡(jiǎn)稱CGA規(guī)范)

4 工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 工藝流程

乙炔輸送管道采用埋地方案，埋深在凍土層以下，東區(qū)、西區(qū)進(jìn)出裝置處分別設(shè)濕式阻火器，三處低點(diǎn)分別設(shè)置凝液罐收集凝液。凝液返回工藝裝置或采用措施處理，不能直接排入下水道。具體流程見(jiàn)圖2。

圖2 乙炔管道輸送流程

本項(xiàng)目中乙炔的最大操作壓力＜1.5bar(G)，屬于中壓乙炔輸送，通過(guò)提高乙炔管線和設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力，防止乙炔發(fā)生爆燃、爆轟所造成的危害。

4.2 填料塔型濕式阻火器系統(tǒng)

在長(zhǎng)輸管線兩端設(shè)置濕式阻火器可阻止乙炔在管線內(nèi)爆炸產(chǎn)生的能量向裝置傳遞。在管線入口(增壓機(jī)出口)和出口(進(jìn)VCM裝置處)，采用填料型濕式阻火器。噴淋水循環(huán)的設(shè)計(jì)應(yīng)避免空氣經(jīng)泵軸封進(jìn)入系統(tǒng);補(bǔ)充水系統(tǒng)要避免空氣的帶入;入口端濕式阻火器多余的排放水排至氣柜密封水;出口端的排放水與VCM凝水一起排放處理。

整個(gè)系統(tǒng)采用電伴熱，溫度不超過(guò)45℃。

CGA規(guī)范建議填料塔阻火器的設(shè)計(jì)壓力采用75psig，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用17.71bar(G)，做到與乙炔裝置一致。由于乙炔裝置是按照爆燃確定設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力，取值偏低，建議新的設(shè)計(jì)按照管線設(shè)計(jì)壓力統(tǒng)一考慮。

按照CGA規(guī)范，阻火器的頂部安裝爆破片尺寸不應(yīng)小于入口管徑，一期的入口管徑為DN700，因此爆破片管徑取DN700。爆破片的設(shè)定壓力取2.0bar(G)(CGA建議最大爆破壓力為30psig)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)使爆破片的泄放方向遠(yuǎn)離裝置，以免爆炸和碎片對(duì)裝置造成影響。典型的濕式阻火器見(jiàn)圖3。

圖3 典型的濕式阻火器結(jié)構(gòu)

關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù):

空塔氣速:2ft/s(0.61m/s)

噴淋密度:8～20cuft/h(0.2275～0.566m3/h)

填料為1″拉西環(huán)，填料層高度＞1.2m，通常取2m;除沫段填料層高度通常取1m。

塔徑不小于散堆填料的直徑的15倍。通常采用拉西環(huán)可滿足要求。

濕式阻火器不僅起到阻火的作用，而且增加了氣體的濕度。規(guī)范中對(duì)于乙炔氣的研究通?；诟梢胰草斔?，濕乙炔氣輸送的安全性比干乙炔氣有很大的提高。由于管線存在低點(diǎn)，必須設(shè)置安全的凝液疏水系統(tǒng)，確保排放安全。

4.3 排凝系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全因素

由于采用濕飽和氣輸送，根據(jù)輸送線路地形變化，線路低點(diǎn)的安全排凝設(shè)計(jì)也是保證系統(tǒng)本質(zhì)安全的一部分。

工藝系統(tǒng)需要根據(jù)線路專(zhuān)業(yè)的規(guī)劃，從縱斷面圖中確定管線中的低點(diǎn)，低點(diǎn)均需要分別進(jìn)行排凝。該輸送管道在東區(qū)、西區(qū)出裝置處以及中部山區(qū)共有三處低點(diǎn)，廠區(qū)內(nèi)的排凝與中部的排凝略有不同。各排凝罐均考慮電伴熱。溫度不超過(guò)45℃。

排凝的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是建立模型，假設(shè)管線冷卻的最低溫度，確定冷凝量和罐體的尺寸。當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)低點(diǎn)時(shí)，可將總冷凝量作為確定每個(gè)罐體尺寸的基礎(chǔ)，量比較大時(shí)，還需要具體分析。

本文采用排凝罐排凝的方式主要針對(duì)本項(xiàng)目中采用埋地輸送方案而確定，如果采用架空管道，低點(diǎn)排凝可以采用其它方式。排凝罐的設(shè)計(jì)壓力取17.71bar(G)，與阻火器一致。在新的設(shè)計(jì)中建議該設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力與管線設(shè)計(jì)壓力統(tǒng)一考慮。排凝罐與乙炔輸送管線之間的液體管線和平衡管線采用優(yōu)質(zhì)20#碳素鋼(GB 9948)無(wú)縫鋼管，閥門(mén)選用旋塞閥和截止閥。

4.3.1 廠區(qū)內(nèi)排凝

排凝罐位于乙炔管線最低點(diǎn)以下，凝液靠重力流進(jìn)排凝罐，頂部設(shè)平衡管。罐的操作容積按照8h設(shè)計(jì)。罐上考慮低點(diǎn)排液、高點(diǎn)放空、氮?dú)廛浌芙宇^，但是其中的切斷閥必須是LC，靠近地坑設(shè)置氮?dú)獾能浌苷窘宇^。設(shè)置自動(dòng)控制低、高液位開(kāi)關(guān)和高液位報(bào)警裝置，當(dāng)?shù)鸵何粫r(shí)關(guān)閉泵、高液位時(shí)開(kāi)啟泵。

排凝罐的重要安全措施是設(shè)置爆破片，擴(kuò)散管需引至安全位置。爆破片僅考慮乙炔輸送管線超壓時(shí)保護(hù)罐體設(shè)備的作用，尺寸不小于排液管和平衡管的截面之和。爆破片的直徑取DN150，設(shè)定壓力取2bar(G)。為防止空氣侵入該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)采用雙爆破片中間加壓力報(bào)警檢測(cè)以監(jiān)控泄漏。由于連接氮?dú)庀到y(tǒng)，排凝罐的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)滿足氮?dú)獯祾叩脑O(shè)計(jì)條件。

地坑上設(shè)置蓋板或防雨棚。由于地坑較深，周?chē)鷳?yīng)設(shè)置防護(hù)圍欄，以免不測(cè)。地坑內(nèi)將設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警儀。

系統(tǒng)的所有儀表采用本安或隔爆型。

排出的凝液首先考慮由乙炔裝置或VCM裝置回用，否則排入石灰池處理。根據(jù)規(guī)范，不能隨便排入污水或下水系統(tǒng)。

4.3.2 山區(qū)中低點(diǎn)排凝

廠區(qū)外部的管理狀況和廠區(qū)內(nèi)有很大不同，因此排凝設(shè)計(jì)與廠區(qū)內(nèi)不同。首先在地坑上不設(shè)置蓋板，而應(yīng)設(shè)置廠房，廠房?jī)?nèi)采用蒸汽取暖和強(qiáng)制通風(fēng)，設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警儀;廠房房頂采用可泄爆的輕型屋頂，房間內(nèi)設(shè)置手提式干粉滅火器(不可采用CO2滅火器)。其次廠房四周5m設(shè)置封閉性圍墻和大門(mén)，并在外部設(shè)置警示性標(biāo)志，防止閑雜人員進(jìn)入。

中部排凝罐操作容積考慮12h排凝量。如果距離近可采用離心泵將凝液送回裝置。本項(xiàng)目由于距離限制，凝液采用了就地自然蒸發(fā)處理。操作壓力滿足要求，就地處理可以省去離心泵。為避免因爆破片泄漏帶來(lái)危險(xiǎn)，排凝罐上采用串聯(lián)爆破片，爆破片之間采用壓力報(bào)警檢測(cè)，非事故爆破時(shí)報(bào)警。其他設(shè)置與廠區(qū)排凝罐設(shè)置類(lèi)似。

由于距離原因，不考慮氮?dú)庖朐搹S房，僅在檢修時(shí)提供氮?dú)怃撈坑糜谀汗薜拇祾吆椭脫Q。

5 線路設(shè)計(jì)條件和材質(zhì)

任何情況下，銅、銀、汞及其合金都盡量避免用在乙炔的輸送系統(tǒng)中，即使采用銅合金，銅的含量也不能超過(guò)65%，并且有足夠的實(shí)踐證明是安全的方可使用。材質(zhì)的選擇應(yīng)滿足最新版的ANSI、ASTM、ASME、API等組織的規(guī)范中的規(guī)定。材質(zhì)的強(qiáng)度應(yīng)能承受系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生分解爆炸時(shí)產(chǎn)生的最大壓力。CGA規(guī)范中列舉了在不同的工況下選用A53、A106、A197、A181等例證。

所有的壓力管道都應(yīng)遵守ASMEB31.3規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

乙炔輸送管線的材料和壁厚選擇應(yīng)能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生爆炸分解所產(chǎn)生的最大壓力，即發(fā)生爆炸時(shí)管道不會(huì)破壞的原則。本項(xiàng)目線路的操作壓力Pw取1.5bar(G)，按照IGC規(guī)范11.4條，計(jì)算壓力P(dimentioning pressure)按照如下公式計(jì)算:

本項(xiàng)目取P為60bar。

根據(jù)天然氣長(zhǎng)輸管道輸送的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，管道材質(zhì)采用直縫埋弧焊鋼管，執(zhí)行《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件 第二部分B級(jí)鋼管》GB/T 9711.2。此焊縫質(zhì)量可靠性強(qiáng)，鋼管的強(qiáng)度和韌性好，便于加工彎管。

鋼種等級(jí)選擇:一般管道運(yùn)行壓力越高，所用的管材等級(jí)越高，雖然本工程乙炔管線的運(yùn)行操作壓力只有1.5bar(G)，但由于其輸送物料性質(zhì)的危險(xiǎn)性，管道的計(jì)算壓力取60bar。該中壓管道在設(shè)計(jì)溫度為常溫的條件下，考慮經(jīng)濟(jì)性和管材焊接性能要求，本工程選用L360M等級(jí)的鋼管。

壁厚計(jì)算如下:

式中，e為最小壁厚，mm;P為計(jì)算壓力，bar;De為管線外徑，mm，取914mm;f為材料的屈服極限，N/mm2。

經(jīng)計(jì)算并圓整后，壁厚選取12.7mm。

試驗(yàn)壓力的選取:

管線位于Ⅲ區(qū)，按照規(guī)范:

本項(xiàng)目為了保證管線系統(tǒng)的本質(zhì)安全，計(jì)算壓力和試驗(yàn)壓力均取60bar。其中也參考了某知名國(guó)際公司的Reasonable Practice(RP)。根據(jù)《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則》TSGR1001－2008，該乙炔輸送管道屬于輸送工藝介質(zhì)的工業(yè)管道，為GC1類(lèi)。

為了保證管道施工的強(qiáng)度和焊接質(zhì)量，必須進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)。強(qiáng)度試驗(yàn)為計(jì)算壓力即60bar(G)，嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力確定為10bar(G)。

對(duì)于管線焊接、防腐、穿跨越工程、不良地質(zhì)防護(hù)處理、陰極保護(hù)、其他線路附屬工程，可以按照氣體長(zhǎng)輸管道的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。除了考慮管道對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，還應(yīng)考慮減少人為破環(huán)對(duì)管道的影響。

6 其他方面的設(shè)計(jì)

除了上述的濕式阻火器、凝水收集和排放、材質(zhì)的選擇，該管線的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)還包括以下方面:

(1)根據(jù)項(xiàng)目和線路的特點(diǎn)，管道采用埋設(shè)的方式。相對(duì)于架空方式減少人為的破壞，降低爆炸的威力，在寒冷地區(qū)凍土層以下對(duì)管道也是一種保護(hù)。

(2)設(shè)置可靠的陰極保護(hù)措施;設(shè)置可靠的防腐措施，管道在投入運(yùn)行前應(yīng)考慮充分除銹，避免鐵銹引起乙炔聚合、分解爆炸。

(3)保證線路整體的安全性。在管線的兩端應(yīng)設(shè)置快速切斷閥、爆破片和相應(yīng)的擴(kuò)散管。阻火器的設(shè)計(jì)既要滿足阻火的要求、同時(shí)滿足低壓降的要求;快速切斷閥可遠(yuǎn)程控制操作。實(shí)時(shí)監(jiān)控入口端和出口端的壓力波動(dòng)。

(4)為避免因爆破片在破裂或泄漏工況下乙炔大量外泄以及空氣進(jìn)入乙炔管線，爆破片采用串聯(lián)爆破片，爆破片之間采用壓力報(bào)警檢測(cè)，非事故破裂時(shí)報(bào)警。

(5)根據(jù)相關(guān)的規(guī)范，管道盡量采用大直徑的彎頭(5倍以上)，避免死角，減少爆炸產(chǎn)生的巨大反射應(yīng)力對(duì)管件的破壞。

(6)由于乙炔的危險(xiǎn)性，必須建立嚴(yán)格的安全操作規(guī)程，如對(duì)排凝罐或管道采用氮?dú)庵脫Q時(shí)應(yīng)充分做好安全防護(hù)，嚴(yán)格按照“受限空間進(jìn)入”的規(guī)定來(lái)規(guī)范人員的操作，防止發(fā)生人員窒息。

7 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目在參考IGC、CGA和國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)乙炔輸送管道進(jìn)行了嚴(yán)格的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，保證運(yùn)行安全，避免事故的發(fā)生。該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多次評(píng)審，認(rèn)為乙炔輸送管道設(shè)計(jì)是安全和可靠的。目前該項(xiàng)目尚處在試車(chē)階段。