乙炔管道輸送的本質安全設計

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危險氣體，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。因此儲存和輸送乙炔需要格外小心，乙炔的儲存通常溶解在溶劑并儲藏在鋼瓶中。目前乙炔的流速通常參考“乙炔站設計規(guī)范”，取小于8m/s，但該規(guī)范僅適用于乙炔站內的少量乙炔氣輸送，對于乙炔作為原料氣采用大直徑管道的長距離輸送缺少指導意義。

乙炔原料氣的長距離輸送設計案例不多，德國從Burghausen的Marathon煉油廠到Gendorf的赫斯特工廠的8km長的乙炔管線，管子直徑300mm。操作壓力分別為:進口2bar，出口1.5bar，但是管道的設計壓力為100bar;重慶MDI項目中乙炔原料氣的輸送限制管徑DN450，低壓輸送，采用BASF公司的實踐經驗(Reasonable Practices)。上海華誼工程公司也設計過DN600的乙炔氣輸送管道，輸送距離小于1km，操作條件類似，目前安全運行。盡管如此，乙炔氣的大量輸送并未形成統(tǒng)一的標準。本文在參考國內外相關規(guī)范的基礎上對青海某項目的乙炔輸送管道的本質安全設計進行闡述和說明。

該項目乙炔發(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，地形復雜，且山體易滑坡，輸送距離約3.5km，在線路設計上要避開居民區(qū)。如此長距離的輸送在國內尚屬首次，系統(tǒng)的安全設計尤其重要。

1 乙炔的爆炸性能

乙炔采用管道輸送的危險性必須考慮兩個重要的因素，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，有時會導致爆炸。初始壓力在1～5bar時，固定體量的乙炔在爆燃形成的壓力通常是初始壓力的11.5～11.9倍。一般情況下輸送乙炔應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音速傳播的狀態(tài)，通常傳播速率達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)生時非燃燒氣體和燃燒氣體的壓力是同時升高的;而爆轟發(fā)生時，燃燒氣體和非燃燒氣體之間產生急劇的壓力變化。

有時很難區(qū)分輸送管道內發(fā)生了爆燃還是爆轟，這與管道的直徑、操作壓力、輸送管道的長度等都有關系，有時爆燃會發(fā)展成爆轟，有時爆燃和爆轟同時存在。

2 乙炔輸送的工作范圍劃分

本輸送管道的設計需考慮滿足項目二期的輸送要求。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)《乙炔站設計規(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)，通過建立模型和迭代，東區(qū)乙炔的供應壓力應為1.24bar(G)，管徑為DN900。管徑放大雖然能降低流速，同時也增大了爆炸的威力和危險性。

針對乙炔分解產生的危險性，IGC規(guī)范可將工作范圍劃分為三部分，見圖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:在點火狀態(tài)下，乙炔分解形成爆燃，如果管線足夠長可能演變成爆轟。

本項目乙炔管線屬于“工作范圍Ⅲ”。

3 設計中的標準規(guī)范

系統(tǒng)設計主要參考了如下規(guī)范:

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

《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB50251

《乙炔站設計規(guī)范》GB 50031－91

《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)定》GB 50058－92

《石油化工企業(yè)可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》GB 50493－2009

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

4 工藝系統(tǒng)設計

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)進出裝置處分別設濕式阻火器，三處低點分別設置凝液罐收集凝液。凝液返回工藝裝置或采用措施處理，不能直接排入下水道。具體流程見圖2。

圖2 乙炔管道輸送流程

本項目中乙炔的最大操作壓力＜1.5bar(G)，屬于中壓乙炔輸送，通過提高乙炔管線和設備的設計壓力，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)

在長輸管線兩端設置濕式阻火器可阻止乙炔在管線內爆炸產生的能量向裝置傳遞。在管線入口(增壓機出口)和出口(進VCM裝置處)，采用填料型濕式阻火器。噴淋水循環(huán)的設計應避免空氣經泵軸封進入系統(tǒng);補充水系統(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。

整個系統(tǒng)采用電伴熱，溫度不超過45℃。

CGA規(guī)范建議填料塔阻火器的設計壓力采用75psig，本系統(tǒng)的設計中采用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備的設計壓力，取值偏低，建議新的設計按照管線設計壓力統(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。爆破片的設定壓力取2.0bar(G)(CGA建議最大爆破壓力為30psig)。在設計中應使爆破片的泄放方向遠離裝置，以免爆炸和碎片對裝置造成影響。典型的濕式阻火器見圖3。

圖3 典型的濕式阻火器結構

關鍵設計參數(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)范中對于乙炔氣的研究通常基于干乙炔輸送，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，必須設置安全的凝液疏水系統(tǒng)，確保排放安全。

4.3 排凝系統(tǒng)設計和安全因素

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

工藝系統(tǒng)需要根據(jù)線路專業(yè)的規(guī)劃，從縱斷面圖中確定管線中的低點，低點均需要分別進行排凝。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，廠區(qū)內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45℃。

排凝的設計基礎是建立模型，假設管線冷卻的最低溫度，確定冷凝量和罐體的尺寸。當系統(tǒng)中存在多個低點時，可將總冷凝量作為確定每個罐體尺寸的基礎，量比較大時，還需要具體分析。

本文采用排凝罐排凝的方式主要針對本項目中采用埋地輸送方案而確定，如果采用架空管道，低點排凝可以采用其它方式。排凝罐的設計壓力取17.71bar(G)，與阻火器一致。在新的設計中建議該設備的設計壓力與管線設計壓力統(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20#碳素鋼(GB 9948)無縫鋼管，閥門選用旋塞閥和截止閥。

4.3.1 廠區(qū)內排凝

排凝罐位于乙炔管線最低點以下，凝液靠重力流進排凝罐，頂部設平衡管。罐的操作容積按照8h設計。罐上考慮低點排液、高點放空、氮氣軟管接頭，但是其中的切斷閥必須是LC，靠近地坑設置氮氣的軟管站接頭。設置自動控制低、高液位開關和高液位報警裝置，當?shù)鸵何粫r關閉泵、高液位時開啟泵。

排凝罐的重要安全措施是設置爆破片，擴散管需引至安全位置。爆破片僅考慮乙炔輸送管線超壓時保護罐體設備的作用，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，設定壓力取2bar(G)。為防止空氣侵入該系統(tǒng)，設計時采用雙爆破片中間加壓力報警檢測以監(jiān)控泄漏。由于連接氮氣系統(tǒng)，排凝罐的設計壓力應滿足氮氣吹掃的設計條件。

地坑上設置蓋板或防雨棚。由于地坑較深，周圍應設置防護圍欄，以免不測。地坑內將設置可燃氣體報警儀。

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)中低點排凝

廠區(qū)外部的管理狀況和廠區(qū)內有很大不同，因此排凝設計與廠區(qū)內不同。首先在地坑上不設置蓋板，而應設置廠房，廠房內采用蒸汽取暖和強制通風，設置可燃氣體報警儀;廠房房頂采用可泄爆的輕型屋頂，房間內設置手提式干粉滅火器(不可采用CO2滅火器)。其次廠房四周5m設置封閉性圍墻和大門，并在外部設置警示性標志，防止閑雜人員進入。

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危險，排凝罐上采用串聯(lián)爆破片，爆破片之間采用壓力報警檢測，非事故爆破時報警。其他設置與廠區(qū)排凝罐設置類似。

由于距離原因，不考慮氮氣引入該廠房，僅在檢修時提供氮氣鋼瓶用于凝液罐的吹掃和置換。

5 線路設計條件和材質

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65%，并且有足夠的實踐證明是安全的方可使用。材質的選擇應滿足最新版的ANSI、ASTM、ASME、API等組織的規(guī)范中的規(guī)定。材質的強度應能承受系統(tǒng)內發(fā)生分解爆炸時產生的最大壓力。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遵守ASMEB31.3規(guī)范進行設計。

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

本項目取P為60bar。

根據(jù)天然氣長輸管道輸送的實踐經驗，管道材質采用直縫埋弧焊鋼管，執(zhí)行《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術條件 第二部分B級鋼管》GB/T 9711.2。此焊縫質量可靠性強，鋼管的強度和韌性好，便于加工彎管。

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

壁厚計算如下:

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

經計算并圓整后，壁厚選取12.7mm。

試驗壓力的選取:

管線位于Ⅲ區(qū)，按照規(guī)范:

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

為了保證管道施工的強度和焊接質量，必須進行強度試驗和嚴密性試驗。強度試驗為計算壓力即60bar(G)，嚴密性試驗壓力確定為10bar(G)。

對于管線焊接、防腐、穿跨越工程、不良地質防護處理、陰極保護、其他線路附屬工程，可以按照氣體長輸管道的要求進行設計。除了考慮管道對周圍環(huán)境的影響，還應考慮減少人為破環(huán)對管道的影響。

6 其他方面的設計

除了上述的濕式阻火器、凝水收集和排放、材質的選擇，該管線的本質安全設計還包括以下方面:

(1)根據(jù)項目和線路的特點，管道采用埋設的方式。相對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)凍土層以下對管道也是一種保護。

(2)設置可靠的陰極保護措施;設置可靠的防腐措施，管道在投入運行前應考慮充分除銹，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。在管線的兩端應設置快速切斷閥、爆破片和相應的擴散管。阻火器的設計既要滿足阻火的要求、同時滿足低壓降的要求;快速切斷閥可遠程控制操作。實時監(jiān)控入口端和出口端的壓力波動。

(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警檢測，非事故破裂時報警。

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

(6)由于乙炔的危險性，必須建立嚴格的安全操作規(guī)程，如對排凝罐或管道采用氮氣置換時應充分做好安全防護，嚴格按照“受限空間進入”的規(guī)定來規(guī)范人員的操作，防止發(fā)生人員窒息。

7 結語

本項目在參考IGC、CGA和國內相關規(guī)范的基礎上，對乙炔輸送管道進行了嚴格的本質安全設計，保證運行安全，避免事故的發(fā)生。該項目經過多次評審，認為乙炔輸送管道設計是安全和可靠的。目前該項目尚處在試車階段。