章 軍， 張權(quán)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(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)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(xiàng)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(kuò)大， 主要原料乙炔的管道輸送安全問題被各個建造責(zé)任方所重視。

乙炔輸送管道應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。 鑒于GB 50031—1991《乙炔站設(shè)計規(guī)范》［2］中明確規(guī)定， 此標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)已于2017-08-01 廢止的實(shí)際情況，文中參考?xì)W洲工業(yè)氣體協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)EIGA DOC 123/21 《Code of Practice Acetylene》［3］，從設(shè)計角度對乙炔管道應(yīng)考慮的幾點(diǎn)關(guān)鍵因素進(jìn)行討論。

1 乙炔的物理化學(xué)特性

乙炔屬于甲類可燃?xì)怏w，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(diǎn)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(xué)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(dāng)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(yīng)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(qiáng)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(fēng)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(fēng)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(guān)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(fēng)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(dāng)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(diǎn)火能量條件下，風(fēng)險最小。當(dāng)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(diǎn)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(dāng)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(zhuǎn)變?yōu)楸Z。 總之，I 區(qū)的風(fēng)險最小，Ⅲ區(qū)的風(fēng)險最大。 因此，在設(shè)計工程中，應(yīng)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(fēng)險。

由EIGA DOC 123/21 中圖4 和A 線公式可知，當(dāng)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(fēng)險控制在I 區(qū)，乙炔管道相對安全。為了達(dá)到這一要求，工程建設(shè)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(shí)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(dǎo)出， 從而降低乙炔的點(diǎn)火能量，以確保管道的安全運(yùn)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(jìn)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(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。 當(dāng)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(yīng)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(shè)計應(yīng)考慮爆燃或爆轟的峰值壓力，按照風(fēng)險區(qū)分情況計算。

3.1 風(fēng)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(shè)計規(guī)范 （2008 年版）》［8］、SH/T 3059—2012 《石油化工管道設(shè)計器材選用規(guī)范》［9］等國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行計算，也可以按照式（1）進(jìn)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(yīng)力的數(shù)值，各變量計算單位與EIGA DOC 123/21 相同。

3.2 風(fēng)險Ⅱ區(qū)

處于風(fēng)險Ⅱ區(qū)的乙炔管道，應(yīng)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(yīng)當(dāng)按照式（1）進(jìn)行計算，其中p、f 按照式（4）、式（5）進(jìn)行計算。

3.3 風(fēng)險Ⅲ區(qū)

在Ⅲ區(qū)范圍內(nèi)， 乙炔管道壁厚應(yīng)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(shè)計過程中直管及反射位置的承壓均應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(xiàng)

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(jié)果為最小管道壁厚，均未附加腐蝕裕量、壁厚負(fù)偏差、加工減薄量等因素， 在設(shè)計過程中應(yīng)按實(shí)際需要做相應(yīng)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(yīng)執(zhí)行現(xiàn)行國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及相應(yīng)的計算內(nèi)容。

4 乙炔管道輸送溫度要求

在實(shí)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?zé)嵩磧煞N， 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(jìn)行了震蕩電弧模擬靜電能量源引發(fā)乙炔分解爆炸試驗(yàn)， 獲得了溫度與乙炔分解爆炸臨界壓力的關(guān)系，推導(dǎo)出了一致的研究結(jié)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(jìn)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(shè)中常采用具有較強(qiáng)反輻射功能的涂料或絕熱結(jié)構(gòu)，防止熱量在管道表面累積導(dǎo)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(yīng)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(yùn)行維護(hù)過程中也應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yùn)行前進(jìn)行充分除銹，降低安全風(fēng)險。

6 結(jié)束語

當(dāng)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，BDO 裝置乙炔管道的設(shè)計可參照EIGA DOC 123/21 《Code of Practice Acetylene》和現(xiàn)有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 除了壓力、管徑、溫度、承壓、材料等因素外，還應(yīng)控制乙炔管道介質(zhì)流速、管道長度等設(shè)計條件，采取設(shè)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(yùn)行安全，避免發(fā)生事故［13-14］。