高壓乙炔管道在1,4丁二醇裝置中的設計與施工

張 雷

(北京石油化工工程有限公司西安分公司,陜西 西安 710075)

乙炔,俗稱電石氣,是炔烴化合物中體積最小的一員,是有機化學工業的重要原料,被廣泛用于1,4-丁二醇的生產中。1,4丁二醇生產工藝廣泛采用炔醛法,低壓乙炔被加壓到0.3 MPa(g),由此帶來的高壓乙炔管道輸送的安全問題逐漸引起行業重視。本文主要就用于生產原料的乙炔管道的安全輸送問題做專題討論和交流。[1]

1 乙炔性質

乙炔是碳和氫元素的化合物,其組成用化學符號C2H2表示。在大氣溫度和壓力下,乙炔是一種無色氣體,比空氣輕。純乙炔是無味的,但普通商業純乙炔具有獨特的大蒜味。

乙炔在空氣中燃燒時會產生強烈的高溫、發光和煙熏的火焰。乙炔、乙炔和空氣的混合物以及乙炔與氧氣的混合物的著火溫度會根據組成、壓力、水蒸氣含量和初始溫度而變化。作為一個典型的例子,在大氣壓力下,含有30%乙炔(體積分數)和空氣的混合物可以在大約305 ℃下自動著火。在大氣壓下的空氣中,可燃性的上限約為82%的乙炔,下限約為2.3%的乙炔。

乙炔可以相對容易地液化和固化,并且兩相都是不穩定的。氣態乙炔與空氣或氧氣的某些比例的混合物如果被點燃,會引起爆炸。加壓的氣態乙炔在沒有空氣或氧氣的情況下,會以爆炸力分解。在某些條件下,這也可能在低壓下發生。

乙炔壓力范圍定義如下:①低壓。壓力不超過0.02 MPa(g);②中壓。壓力大于0.02 MPa(g),但不超過0.15 MPa(g);③高壓。壓力大于0.15 MPa(g)但不超過2.5 MPa(g)。

乙炔分解是元素碳和氫的自發反應。 這可能在低壓或中壓下發生,或者以相對較慢的反應速率爆燃,或者以超音速爆炸。

爆燃產生的最終反應壓力是反應釋放能量的10～11倍。 高壓乙炔爆炸會產生高達原始壓力50倍的壓力峰值。 爆震壓力峰值的壽命很短,但在設計安全的高壓乙炔系統時,應予以考慮。 常規的泄壓裝置無法提供保護,因為爆炸會以超音速進行,并且無法以足夠的速度反應。

當乙炔與銅、銀、汞或這些金屬的鹽接觸時,會形成爆炸性乙炔。這些乙炔化物對沖擊或摩擦高度敏感。

氣體的絕熱壓縮導致溫度升高,足以引發乙炔分解。在設計乙炔輸送及存儲的方式時,應考慮乙炔的絕熱壓縮引起的乙炔管道內的分解。

乙炔壓力、通道及工作危害范圍見圖1,圖上的線A和B在圖的整個區域上劃定了三個范圍。 該范圍被稱為“工作范圍”,在乙炔分解產生的危害方面對應以下階段。

圖1 乙炔壓力、通道及工作危害范圍

工作范圍Ⅰ:在A線以下,di<(15.1/Pabs)1.792 12。乙炔分解的危害很小。

工作范圍Ⅱ:在A線以上但在B線以下。著火時,會發生爆燃形式的乙炔分解。

工作范圍Ⅲ:在B線以上,di<(20.2/Pabs)1.818 1。著火時,乙炔會由于爆燃而開始分解; 在足夠長的管道中,可能會發生爆炸。[2]

基于在一部分設備中出現的最大氣壓和最大管道直徑,圖表上的特定“工作點”將對應于該部分中出現的工作條件。 該點在圖表上的位置會將其放置在三個工作范圍之一中。

2 乙炔管道的爆炸危險性

乙炔管道的設計必須要考慮到乙炔特殊性質,乙炔是一種放熱化合物,易燃,可與空氣形成爆炸性混合物[3-5]。

對于生成1,4丁二醇(BDO)的炔醛法,使用高壓乙炔,其操作壓力為0.32 MPa(g),管徑從DN400到DN25,已處于工作范圍Ⅲ,乙炔的流通通道直徑≤10 mm,就可以保證乙炔處于Ⅰ區,所以生產中都采用φ10及φ6的填充管來保證乙炔的安全生產。

3 乙炔管道的設計

根據乙炔性質,濕乙炔儲運較為安全,故低壓乙炔由水環壓縮機加壓達到0.32 MPa(g),乙炔管道中含有水分,能凝結在填充管管壁上,聚集量多時會堵塞管道,故壓縮機及反應器在設備布置時盡量靠近,盡量縮短高壓乙炔的輸送距離,但應滿足可燃氣體壓縮機與反應器保持安全防火距離的要求。其架空敷設的管道應該有一定的坡度,并在管路的最低點及末端設置集液包,為安全起見,集液包使用鮑爾環填充,寒冷地區管道和集液包需設置電伴熱防凍。

乙炔管道在輸送過程中可能會產生靜電,靜電可能引起電火花,導致乙炔管道爆炸,故每隔一定距離應設置靜電接地,接地電阻要求≤20 Ω。法蘭處設置靜電跨接,跨接電阻≤0.03 Ω,接地及跨接導線禁止使用銅線,可采用鋁線。

乙炔管可單獨敷設或與其他非燃燒氣體管路(不包括氯氣管道)、壓力不超過1.3 MPa的蒸汽管道、水管路共架敷設時,無間距要求,乙炔管道與電線、電纜、其他可燃氣體共架敷設時,需保證一定的安全間距。禁止將乙炔管道架設在燃氣管道上面,安裝所用支架用金屬材料制作。

高壓乙炔填充管的存在增加了乙炔管道的自重,設計時應考慮管道自重,并加大管支架的型鋼用材。

當乙炔管道必須靠近熱源時,則應在溫度超過70 ℃時采取隔熱措施,且當乙炔管道敷設于管廊頂部時,應采用防光輻射措施。

4 高壓乙炔管的填充

乙炔管管徑>25.4 mm時,用φ10×0.5 mm及φ6×0.5 mm的薄壁管進行填充。乙炔管管徑≤2.54 cm時,用φ6×0.5 mm的薄壁管進行填充,填充時應保證密實度。

4.1 填料

彎頭、三通、半管接頭、對焊支管臺等空隙較大的部位填充φ10(與外管材質相同)拉西環,拉西環應手工碼堆,不能出現局部架空的情況,拉西環填充應適當考慮余量,保證填料壓緊、壓實。

4.2 填充管道的施工要點

(1)填充管道宜采用工廠預制,其工廠環境清潔度高,易于吊裝,切割方便。

(2)管段的預制應按照管道軸測圖規定的規格、型號、數量、材質選配管道組成件。

(3)固定口和活動口的選擇應合理,活動口應采用從長到短的下料方法,減少材料浪費。固定口管段應按照現場實測的長度加工。

(4)管段預制中,應做好保護措施,及時封堵成品及半產品。

4.3 管道及管件的填充

4.3.1直管段的填充

直管段組對時,對接焊縫內部會形成1～2 mm的焊熘,周邊一圈的內管無法通過,故對接焊縫處留出6～8 mm的間隙,此間隙小于10 mm,能保證管道的安全運行。內管間要點焊在一起,兩個填充斷面每根內管至多有一個焊點,內管絕對不允許出現松動現象,以所有內管固定牢固為準,總焊點數量盡可能少。內管填充定位后,在兩側填充斷面要與外管內壁點焊,原則上幾寸的外管增加幾個焊點,焊點平均分布,如4的管子固定4點,嚴禁內管與外管相對移動。具體尺寸見圖2、圖3。

圖2 填充管斷面

圖3 填充管橫截面

4.3.2對焊支管臺(半管接頭)填充

首先完成支管與支管臺的焊接,然后進行支管填充,主管填充到距離接口處100 mm,然后支管與主管焊接,中間未填充部位用φ10拉西環手工碼堆,保證乙炔流通通道10 mm以下,最后焊接另一端主管,這樣就保證了乙炔管內所有流通通道都在10 mm以下。具體尺寸見圖4、5。

圖4 支管臺填充橫截面

圖5 支管臺填充橫截面

若兩個或多個支管臺距離較近,可一同填充拉西環,以保證支管內乙炔流通。對于對接焊縫支管臺,也應用拉西環填充。

還有一種情況,即支管直徑較大,會與主管形成馬鞍口,此時可將支管內管部分插入主管,主管其余部分由拉西環填充。

4.3.3彎頭處的填充

首先完成主管的填充,然后焊接主管與彎頭,彎頭填充時要一端向上,用不銹鋼拉西環手工碼堆,適當考慮多填,不能出現局部架空的情況,保證填料壓緊、壓實。具體尺寸見圖6。

圖6 彎頭填充橫截面

具體配管時還會出現彎頭、支管、三通較近,此時可一同填充拉西環。

4.3.4三通處的填充

首先填充主管和支管,然后焊接主管、支管與三通,最后填充三通,填充時要有一端向上,用不銹鋼拉西環手工碼堆,適當考慮多填,不能出現局部架空的情況,保證填料壓緊、壓實。具體尺寸見圖7。

圖7 三通填充橫截面

4.3.5異徑管的填充

采用成品異徑管填充內管,異徑管大端先與管道焊接,然后填充內管,塞緊后,內管間要點焊在一起,內管定位后要與外管內壁點焊,防止填充管移動,且要保證內管端面距焊接端面3～4 mm的距離,填充完成后,小端與另一段填充管焊接,具體尺寸見圖8。

圖8 異徑管填充橫截面

4.3.6法蘭和閥門的填充

高壓乙炔采用帶頸平焊法蘭,以便管道填充無焊熘阻礙,且乙炔輸送順暢,先將帶頸平焊法蘭與外管焊接,然后填充內管,內管間要點焊在一起,內管定位后要與外管內壁點焊,防止填充管移動,且要保證內管端面距法蘭密封面3 mm的距離。

閥門填充的內管距法蘭密封面3 mm距離,距離閥芯6 mm距離,保證閥門正常開關,整體為錐形填充,內管點焊,內管與閥門內壁點焊。具體尺寸見圖9。

圖9 法蘭與閥門填充橫截面尺寸

在工程建設中,一般會將閥門的各個規格先行發送至填充管預制廠,根據圖紙上閥門數量,將填充管制作相同數量的模塊,發送至項目現場進行閥門模塊化填充,以減少閥門運費及運輸時間。

4.3.7儀表元件的安裝

對于壓力表、溫度計的安裝,可按普通管道實施,儀表閥門類似于前面提到的閥門填充,流量計在乙炔輸送中采用孔板形式,孔板流量計需在孔板前后取壓,采用帶孔法蘭(見圖10)。

圖10 帶孔法蘭

但此種法蘭在管道填充過程中會將取壓孔堵住,無法取到真實壓力,故更換形式,采用如圖11所示形式。且法蘭需在填充管預制廠先行焊接,再進行管道填充。

圖11 斜孔法蘭

4.3.8外管對口焊接[6,7]

(1)接頭形式:對接;坡口形式:V形;坡口角度:60～65°;鈍邊;1～2 mm、間隙為0～1 mm。

(2)焊接環境的要求:①焊接的環境溫度應能保證焊件焊接所需的足夠溫度和焊工技能不受影響;②管子焊接時禁止穿堂風。焊接對風速的要求為:氬弧焊<2 m/s。

(3)坡口加工:①高壓乙炔管道采用不銹鋼管道,其切割應采用機械或等離子弧方法,當采用砂輪切割和修復時,應采用不銹鋼專用砂輪片;②坡口表面應平整、尺寸應正確,并應無裂紋、重皮、毛刺、凸凹、縮口、熔渣、 氧化物、鐵屑等現象;③管子切口端面傾斜偏差不應大于管子外徑的 1%,且不得大于 3 mm。

4.3.9設備的填充

丁炔二醇反應器作為炔醛法生產1,4丁二醇的重要設備,其安全運行必須引起高度重視。高壓乙炔通過反應器頂部環管被均勻分散至12個乙炔入口,通過內伸管進入反應器底部淤漿層參與反應。反應器環管直徑為DN200,為保證高壓乙炔安全運行,必須將流通通道分散成10 mm以內,其環形結構無法填充內管,則采用填充φ10的拉西環或鮑爾環方式。12個管口口徑為DN50,且設置旋塞閥,閥門同樣填充內管模塊,管口填充拉西環或鮑爾環。內伸管為DN20,不再填充,但為防止填料進入反應器,故設置網籃,隔離開填料。

4.4 施工檢驗

由于外管內拉西環的存在,且內管端面距離只有6～8mm,對接焊縫的射線檢測容易產生誤判,從而引起檢測不合格,所以在填充管的閉合對接焊縫處應采用分層滲透檢測,從而保證焊接質量。其余焊縫檢測按照以下兩點執行:①對接焊縫采用射線,檢測比例為100%,焊接質量等級Ⅱ(AB),執行標準為NB/T47013.2;②角焊縫采用滲透檢測,檢測比例為100%,合格等級I,執行標準為NB/T47013.5。

5 結語

本文針對高壓乙炔的特性,結合工程設計及建設中的經驗,對其安全輸送選用填充管的原理及填充管的設計、制造及檢驗進行探討,希望能對行業生產起到借鑒作用。