朱巧家，李疆鴻，蘭小剛，雒淑娟，陳戰(zhàn)楊，胡金奎，曹宇，郭延穩(wěn)，余建永

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

1 丁二烯簡(jiǎn)介

丁二烯是一種用途較廣的化工產(chǎn)品，無色，有特殊氣味。稍溶于水，易溶于丙酮、乙醚、氯仿等，是制造合成橡膠、合成樹脂、尼龍等的主要原料。丁二烯具有麻醉性，特別刺激粘膜，易液化。臨界溫度161.8 ℃，臨界壓力4.33 MPa。與空氣易形成爆炸性混合物，爆炸極限2% ～ 11.5 %[1]。隨著苯乙烯塑料的發(fā)展，利用苯乙烯與丁二烯共聚，生產(chǎn)各種用途廣泛的樹脂（如ABS 樹脂、SBS 樹脂、BS樹脂、MBS 樹脂），使丁二烯在樹脂生產(chǎn)中逐漸占有重要地位。

1.1 丁二烯毒性程度的判定

（1）GBZ 2.1—2019《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第1 部分：化學(xué)有害因素》（2020 年4 月1 日實(shí)施）中4.1 工作場(chǎng)所空氣中化學(xué)因素的職業(yè)接觸限值表中明確丁二烯為對(duì)人致癌（G1）[2]。

（2）HG/T 20660—2017《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類》附錄A 規(guī)定：根據(jù)IARC 致癌性分類確認(rèn)為人類致癌物（G1 組）的，直接定為I 級(jí)極度危害介質(zhì)[3]。

因此丁二烯屬于極度危害化學(xué)介質(zhì)，介質(zhì)分組為TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的第一組介質(zhì)[4]。

1.2 丁二烯主要危險(xiǎn)性

（1）易燃，與空氣混合能形成爆炸性混合物。

（2）對(duì)環(huán)境有危害，對(duì)水體、土壤和大氣可造成污染。

（3）易自聚，自聚物易爆炸。

（4）致癌，有劇毒。

1.3 丁二烯的儲(chǔ)存

球罐因占地面積小、容積大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于丁二烯的儲(chǔ)存中，但因丁二烯屬于極度危害介質(zhì)，GB/T 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》中規(guī)定“盛裝毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的球罐，進(jìn)出口應(yīng)在上極開孔”[5]。這主要考慮了以下因素：

（1）充分增加管線的柔性；

（2）一旦出現(xiàn)重大地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致管線拉斷、破裂時(shí)，球罐中的介質(zhì)不會(huì)大量溢出；

（3）有毒介質(zhì)泄漏時(shí)，由于泄漏點(diǎn)在球罐上極，對(duì)地面操作人員的危害程度有所降低[6]。

但是，很多工程設(shè)計(jì)中由于工藝及配管的要求和介質(zhì)操作工況的要求，進(jìn)出口需在下極開孔，下面以我公司承接的某丁二烯球罐為例，對(duì)丁二烯球罐進(jìn)出口位置的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2 設(shè)計(jì)輸入條件

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)壓力：0.79 MPa

設(shè)計(jì)溫度：-10 ～ 50 ℃

工作壓力 ：0.35 MPa

工作溫度 ：15 ℃

介質(zhì)：丁二烯（H2S ＜2×10-5）

進(jìn)出口： DN 350

2.2 工藝需求

本項(xiàng)目丁二烯輸送泵連續(xù)輸送丁二烯去下游某工廠，業(yè)主和其下游客戶對(duì)流量的穩(wěn)定性要求很高。

3 丁二烯球罐進(jìn)出口在上極開孔存在的困難

丁二烯屬于液化烴，國(guó)內(nèi)已在建液化烴球罐，球罐外輸泵均選擇球罐下極開口。本項(xiàng)目外輸泵如要求選擇罐頂上極開口，球罐出口從上極板抽出，如圖1 所示。

圖1 球罐出口從上極板抽出圖Fig.1 Spherical tank outlet drawing from upper plate

（1）球罐出口設(shè)在上極時(shí)，外輸泵通過建立虹吸[7]將球罐內(nèi)介質(zhì)輸送出來，但是丁二烯是液化烴，溫度會(huì)隨著環(huán)境的變化而變化，但氣相時(shí)刻與液相保持平衡，即在該溫度下的飽和蒸汽壓。因此，在球罐內(nèi)很難形成壓力差，這也就意味著泵很難將球罐內(nèi)液體吸出。此時(shí)，可以通過設(shè)置自增壓器抽出丁二烯，利用熱源進(jìn)行加熱進(jìn)而使球罐增壓，但是由于丁二烯的氧化速度和分解速度隨溫度的升高而加快，[8]溫度升高會(huì)導(dǎo)致其自聚速率呈指數(shù)型上升，且自聚物易爆炸，有可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果，因此不能通過設(shè)置自增壓器來抽取丁二烯。

工程實(shí)際中，大多采用氮?dú)庠鰤旱姆椒╗9]，將液相丁二烯壓入至泵入口處，這樣必將在泵入口管高點(diǎn)或泵入口處進(jìn)行高點(diǎn)放氣，造成產(chǎn)品損失。每次開啟泵時(shí)均需進(jìn)行高點(diǎn)放氣，而丁二烯介質(zhì)為極度毒性物質(zhì)，常溫下沸點(diǎn)-4.5 ℃，且比空氣重，爆炸極限為2% ～ 11.5%，性質(zhì)非?；钴S，每次放空都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題及爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)料時(shí)為了維持球罐操作壓力，需要排出氮?dú)?，排出氮?dú)獾耐瑫r(shí)也排出部分丁二烯，造成產(chǎn)品損失。氮?dú)庠鰤汉团懦龅獨(dú)鈱?dǎo)致球罐內(nèi)壓力變化較大，容易引起球罐疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。另外，進(jìn)出口管道需插入到罐內(nèi)低液位以下，可能導(dǎo)致氣體在球罐內(nèi)液體液位低時(shí)進(jìn)入泵體內(nèi)，造成泵發(fā)生汽蝕[10]，使泵體損壞，進(jìn)而導(dǎo)致丁二烯泄漏到大氣中，而丁二烯一旦泄漏到大氣中，就會(huì)引發(fā)爆炸、中毒等一系列風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目操作工況為丁二烯輸送泵將連續(xù)輸送丁二烯去下游某工廠，業(yè)主和其下游客戶對(duì)流量的穩(wěn)定性要求很高，采用這種方式，泵下游液體會(huì)隨著氮?dú)鈮毫Σ▌?dòng)而波動(dòng)，難以滿足業(yè)主需求。其次氮?dú)庠鰤悍绞揭蟮獨(dú)獬掷m(xù)供應(yīng)滿足氣量要求且壓力要求極其穩(wěn)定，一般工廠的氮?dú)庀到y(tǒng)都很難滿足該要求。氮?dú)庀到y(tǒng)別的用戶有較為大量的氮?dú)馐褂脮r(shí)，氮?dú)馑查g降壓，可能會(huì)立即導(dǎo)致泵汽蝕，突然停止輸出，有可能損壞泵體。

（2）球罐中的最低點(diǎn)為人孔中心位置，進(jìn)出口設(shè)置在上極時(shí)，內(nèi)伸管不可能在人孔中心位置，這樣會(huì)使球罐底部存在較多的“死角”，使丁二烯端基聚合物種子在此不斷地積存[11]，由于丁二烯的特殊性質(zhì)，長(zhǎng)期停滯區(qū)中的靜止丁二烯容易引發(fā)自聚反應(yīng)，自聚大量放熱，導(dǎo)致惡性循環(huán)，可能產(chǎn)生自燃、爆炸等事故。

（3）由于球罐表面積大，設(shè)備較高，進(jìn)出口設(shè)置在上極時(shí)，當(dāng)強(qiáng)震或者臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)，上部管道可能變形歪曲，而且存在被拉裂（超過彈性極限）的可能性[12]，同時(shí)地震通常縱波先到、橫波后到，后到的橫波左右搖晃對(duì)管體造成損害。這種情況雖然不會(huì)引起大量液體直接泄漏，但因?yàn)槎《┓悬c(diǎn)低（-4.5 ℃），且比空氣重，爆炸極限為2.16% ～ 11.47%，隨著球罐壓力降低，會(huì)造成大量丁二烯蒸汽泄漏。而蒸汽泄漏后，擴(kuò)散范圍更廣，危險(xiǎn)區(qū)域更大[13]。

（4）進(jìn)出口設(shè)置在上極時(shí)，勢(shì)必要用較長(zhǎng)的內(nèi)伸接管抽取丁二烯，由于丁二烯屬于液化氣，對(duì)內(nèi)伸接管的材料選擇有更高的要求，而且操作中由于泵的運(yùn)轉(zhuǎn)以及人為的不可避免的振動(dòng)，會(huì)造成內(nèi)伸接管的損壞及緊固件的松動(dòng)引起泄漏等問題。

（5）球形儲(chǔ)罐高度較高，球罐頂部作業(yè)屬于高空作業(yè)范疇，進(jìn)出口設(shè)置在上極時(shí)，較多的管道及附屬設(shè)施會(huì)增加安裝、檢維修人員高空作業(yè)的難度和安全風(fēng)險(xiǎn)[14]。

（6）進(jìn)出口設(shè)置在上極時(shí)，球罐外部勢(shì)必通過較長(zhǎng)的管道與泵相連，這不僅對(duì)于泵的選擇有較高的要求，而且較長(zhǎng)的外部管路增加了成本，同時(shí)由于泵的工作引起管道振動(dòng)對(duì)球罐產(chǎn)生疲勞破壞[15]，而且存在泵的電纜老化漏電引起爆炸的問題。

綜合以上幾點(diǎn)，丁二烯球罐進(jìn)出口上極開孔不僅管道復(fù)雜增加成本，而且操作不慎就會(huì)存在產(chǎn)品損失、介質(zhì)泄漏、燃燒爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，又使球罐成為疲勞設(shè)備，容易造成泄漏，時(shí)刻危及工作人員的生命安全。因此，丁二烯球罐進(jìn)出口上極開孔存在較大的安全隱患。

4 本項(xiàng)目丁二烯球罐進(jìn)出口在下極開孔采取的安全措施

鑒于上述若干分析結(jié)論，此項(xiàng)目丁二烯球罐采用進(jìn)出口下極開孔的方案，此方案與GB/T 12337—2014 中的規(guī)定不符，為了避免下極開孔可能帶來的一系列風(fēng)險(xiǎn)，在此工程項(xiàng)目中我們采取了若干預(yù)防措施，確保球罐的安全運(yùn)行。我們采取的措施如下：

（1）丁二烯具有致癌性，屬于極度危害介質(zhì)，一旦泄漏危害無窮，因此我們?cè)谇蚬薜撞课恢煤凸艿篱y門區(qū)設(shè)置有毒氣體檢測(cè)儀[16]，隨時(shí)監(jiān)測(cè)罐區(qū)丁二烯的濃度。

（2）球罐底部進(jìn)出口管道上設(shè)置自動(dòng)切斷閥與緊急開關(guān)閥，在自動(dòng)切斷閥與緊急開關(guān)閥后合適的位置設(shè)置止推架或者固定支架，在管道發(fā)生意外的情況下，進(jìn)出口管道不受切斷閥后方位移和力的影響。

（3）管道設(shè)計(jì)時(shí)，管道應(yīng)力專業(yè)會(huì)考慮球罐的沉降工況，以及風(fēng)載荷和地震載荷等偶然工況進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算，保證管道的柔性，以確保在極端情況下進(jìn)出口管道的安全，盡可能減少進(jìn)出口管道對(duì)球罐的影響。

（4）本工程球罐區(qū)設(shè)有防火堤，以確保在泄漏事故下能夠?qū)⑿孤┑亩《r蓄在球罐區(qū)的防火堤內(nèi)[17]，并排放至事故集液池，以避免丁二烯泄漏擴(kuò)散產(chǎn)生次生危害。

（5）球罐底部設(shè)置消防水快速接頭[18]，以便意外發(fā)生時(shí)可迅速注入消防水，避免丁二烯泄漏。

（6）球罐底部進(jìn)出口管道位置設(shè)置注水保護(hù)系統(tǒng)[19]。

（7）罐區(qū)配備大量的蒸汽，以及靜電防護(hù)服，正壓式空氣呼吸器，以便操作人員使用[20]。

在設(shè)計(jì)中采取以上預(yù)防措施，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，并請(qǐng)相關(guān)行業(yè)專家委員會(huì)進(jìn)行了評(píng)審，證明了上述方案的可行性和有效性。

5 結(jié)束語

丁二烯球罐作為非常典型的極度危害介質(zhì)，進(jìn)出口必須開設(shè)在球罐上極，但由于工程實(shí)際情況需要，我們采取了下極開孔的方案。經(jīng)過實(shí)踐證明，該方案是合理的，風(fēng)險(xiǎn)是可控的，這就為以后丁二烯球罐進(jìn)出口方位的設(shè)計(jì)提供了寶貴的借鑒，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。