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(jī)化學(xué)工業(yè)的重要原料,被廣泛用于1,4-丁二醇的生產(chǎn)中。1,4丁二醇生產(chǎn)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(lái)的高壓乙炔管道輸送的安全問(wèn)題逐漸引起行業(yè)重視。本文主要就用于生產(chǎn)原料的乙炔管道的安全輸送問(wèn)題做專題討論和交流。[1]

1 乙炔性質(zhì)

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

乙炔在空氣中燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高溫、發(fā)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(huì)根據(jù)組成、壓力、水蒸氣含量和初始溫度而變化。作為一個(gè)典型的例子,在大氣壓力下,含有30%乙炔(體積分?jǐn)?shù))和空氣的混合物可以在大約305 ℃下自動(dòng)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(duì)容易地液化和固化,并且兩相都是不穩(wěn)定的。氣態(tài)乙炔與空氣或氧氣的某些比例的混合物如果被點(diǎn)燃,會(huì)引起爆炸。加壓的氣態(tài)乙炔在沒(méi)有空氣或氧氣的情況下,會(huì)以爆炸力分解。在某些條件下,這也可能在低壓下發(fā)生。

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

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

爆燃產(chǎn)生的最終反應(yīng)壓力是反應(yīng)釋放能量的10～11倍。 高壓乙炔爆炸會(huì)產(chǎn)生高達(dá)原始?jí)毫?0倍的壓力峰值。 爆震壓力峰值的壽命很短,但在設(shè)計(jì)安全的高壓乙炔系統(tǒng)時(shí),應(yīng)予以考慮。 常規(guī)的泄壓裝置無(wú)法提供保護(hù),因?yàn)楸〞?huì)以超音速進(jìn)行,并且無(wú)法以足夠的速度反應(yīng)。

當(dāng)乙炔與銅、銀、汞或這些金屬的鹽接觸時(shí),會(huì)形成爆炸性乙炔。這些乙炔化物對(duì)沖擊或摩擦高度敏感。

氣體的絕熱壓縮導(dǎo)致溫度升高,足以引發(fā)乙炔分解。在設(shè)計(jì)乙炔輸送及存儲(chǔ)的方式時(shí),應(yīng)考慮乙炔的絕熱壓縮引起的乙炔管道內(nèi)的分解。

乙炔壓力、通道及工作危害范圍見(jiàn)圖1,圖上的線A和B在圖的整個(gè)區(qū)域上劃定了三個(gè)范圍。 該范圍被稱為“工作范圍”,在乙炔分解產(chǎn)生的危害方面對(duì)應(yīng)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(shí),會(huì)發(fā)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(shí),乙炔會(huì)由于爆燃而開(kāi)始分解; 在足夠長(zhǎng)的管道中,可能會(huì)發(fā)生爆炸。[2]

基于在一部分設(shè)備中出現(xiàn)的最大氣壓和最大管道直徑,圖表上的特定“工作點(diǎn)”將對(duì)應(yīng)于該部分中出現(xiàn)的工作條件。 該點(diǎn)在圖表上的位置會(huì)將其放置在三個(gè)工作范圍之一中。

2 乙炔管道的爆炸危險(xiǎn)性

乙炔管道的設(shè)計(jì)必須要考慮到乙炔特殊性質(zhì),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(duì)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(qū),所以生產(chǎn)中都采用φ10及φ6的填充管來(lái)保證乙炔的安全生產(chǎn)。

3 乙炔管道的設(shè)計(jì)

根據(jù)乙炔性質(zhì),濕乙炔儲(chǔ)運(yùn)較為安全,故低壓乙炔由水環(huán)壓縮機(jī)加壓達(dá)到0.32 MPa(g),乙炔管道中含有水分,能凝結(jié)在填充管管壁上,聚集量多時(shí)會(huì)堵塞管道,故壓縮機(jī)及反應(yīng)器在設(shè)備布置時(shí)盡量靠近,盡量縮短高壓乙炔的輸送距離,但應(yīng)滿足可燃?xì)怏w壓縮機(jī)與反應(yīng)器保持安全防火距離的要求。其架空敷設(shè)的管道應(yīng)該有一定的坡度,并在管路的最低點(diǎn)及末端設(shè)置集液包,為安全起見(jiàn),集液包使用鮑爾環(huán)填充,寒冷地區(qū)管道和集液包需設(shè)置電伴熱防凍。

乙炔管道在輸送過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生靜電,靜電可能引起電火花,導(dǎo)致乙炔管道爆炸,故每隔一定距離應(yīng)設(shè)置靜電接地,接地電阻要求≤20 Ω。法蘭處設(shè)置靜電跨接,跨接電阻≤0.03 Ω,接地及跨接導(dǎo)線禁止使用銅線,可采用鋁線。

乙炔管可單獨(dú)敷設(shè)或與其他非燃燒氣體管路(不包括氯氣管道)、壓力不超過(guò)1.3 MPa的蒸汽管道、水管路共架敷設(shè)時(shí),無(wú)間距要求,乙炔管道與電線、電纜、其他可燃?xì)怏w共架敷設(shè)時(shí),需保證一定的安全間距。禁止將乙炔管道架設(shè)在燃?xì)夤艿郎厦?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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮管道自重,并加大管支架的型鋼用材。

當(dāng)乙炔管道必須靠近熱源時(shí),則應(yīng)在溫度超過(guò)70 ℃時(shí)采取隔熱措施,且當(dāng)乙炔管道敷設(shè)于管廊頂部時(shí),應(yīng)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(shí),用φ10×0.5 mm及φ6×0.5 mm的薄壁管進(jìn)行填充。乙炔管管徑≤2.54 cm時(shí),用φ6×0.5 mm的薄壁管進(jìn)行填充,填充時(shí)應(yīng)保證密實(shí)度。

4.1 填料

彎頭、三通、半管接頭、對(duì)焊支管臺(tái)等空隙較大的部位填充φ10(與外管材質(zhì)相同)拉西環(huán),拉西環(huán)應(yīng)手工碼堆,不能出現(xiàn)局部架空的情況,拉西環(huán)填充應(yīng)適當(dāng)考慮余量,保證填料壓緊、壓實(shí)。

4.2 填充管道的施工要點(diǎn)

(1)填充管道宜采用工廠預(yù)制,其工廠環(huán)境清潔度高,易于吊裝,切割方便。

(2)管段的預(yù)制應(yīng)按照管道軸測(cè)圖規(guī)定的規(guī)格、型號(hào)、數(shù)量、材質(zhì)選配管道組成件。

(3)固定口和活動(dòng)口的選擇應(yīng)合理,活動(dòng)口應(yīng)采用從長(zhǎng)到短的下料方法,減少材料浪費(fèi)。固定口管段應(yīng)按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的長(zhǎng)度加工。

(4)管段預(yù)制中,應(yīng)做好保護(hù)措施,及時(shí)封堵成品及半產(chǎn)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(duì)時(shí),對(duì)接焊縫內(nèi)部會(huì)形成1～2 mm的焊熘,周邊一圈的內(nèi)管無(wú)法通過(guò),故對(duì)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(yùn)行。內(nèi)管間要點(diǎn)焊在一起,兩個(gè)填充斷面每根內(nèi)管至多有一個(gè)焊點(diǎn),內(nèi)管絕對(duì)不允許出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象,以所有內(nèi)管固定牢固為準(zhǔn),總焊點(diǎn)數(shù)量盡可能少。內(nèi)管填充定位后,在兩側(cè)填充斷面要與外管內(nèi)壁點(diǎn)焊,原則上幾寸的外管增加幾個(gè)焊點(diǎn),焊點(diǎn)平均分布,如4的管子固定4點(diǎn),嚴(yán)禁內(nèi)管與外管相對(duì)移動(dòng)。具體尺寸見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 填充管斷面

圖3 填充管橫截面

4.3.2對(duì)焊支管臺(tái)(半管接頭)填充

首先完成支管與支管臺(tái)的焊接,然后進(jìn)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(huán)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(nèi)所有流通通道都在10 mm以下。具體尺寸見(jiàn)圖4、5。

圖4 支管臺(tái)填充橫截面

圖5 支管臺(tái)填充橫截面

若兩個(gè)或多個(gè)支管臺(tái)距離較近,可一同填充拉西環(huán),以保證支管內(nèi)乙炔流通。對(duì)于對(duì)接焊縫支管臺(tái),也應(yīng)用拉西環(huán)填充。

還有一種情況,即支管直徑較大,會(huì)與主管形成馬鞍口,此時(shí)可將支管內(nèi)管部分插入主管,主管其余部分由拉西環(huán)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(shí)要一端向上,用不銹鋼拉西環(huán)手工碼堆,適當(dāng)考慮多填,不能出現(xiàn)局部架空的情況,保證填料壓緊、壓實(shí)。具體尺寸見(jiàn)圖6。

圖6 彎頭填充橫截面

具體配管時(shí)還會(huì)出現(xiàn)彎頭、支管、三通較近,此時(shí)可一同填充拉西環(huán)。

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(shí)要有一端向上,用不銹鋼拉西環(huán)手工碼堆,適當(dāng)考慮多填,不能出現(xiàn)局部架空的情況,保證填料壓緊、壓實(shí)。具體尺寸見(jiàn)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(nèi)管,異徑管大端先與管道焊接,然后填充內(nèi)管,塞緊后,內(nèi)管間要點(diǎn)焊在一起,內(nèi)管定位后要與外管內(nèi)壁點(diǎn)焊,防止填充管移動(dòng),且要保證內(nèi)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(jiàn)圖8。

圖8 異徑管填充橫截面

4.3.6法蘭和閥門(mén)的填充

高壓乙炔采用帶頸平焊法蘭,以便管道填充無(wú)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(nèi)管,內(nèi)管間要點(diǎn)焊在一起,內(nèi)管定位后要與外管內(nèi)壁點(diǎn)焊,防止填充管移動(dòng),且要保證內(nèi)管端面距法蘭密封面3 mm的距離。

閥門(mén)填充的內(nèi)管距法蘭密封面3 mm距離,距離閥芯6 mm距離,保證閥門(mén)正常開(kāi)關(guān),整體為錐形填充,內(nèi)管點(diǎn)焊,內(nèi)管與閥門(mén)內(nèi)壁點(diǎn)焊。具體尺寸見(jiàn)圖9。

圖9 法蘭與閥門(mén)填充橫截面尺寸

在工程建設(shè)中,一般會(huì)將閥門(mén)的各個(gè)規(guī)格先行發(fā)送至填充管預(yù)制廠,根據(jù)圖紙上閥門(mén)數(shù)量,將填充管制作相同數(shù)量的模塊,發(fā)送至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行閥門(mén)模塊化填充,以減少閥門(mén)運(yùn)費(fèi)及運(yùn)輸時(shí)間。

4.3.7儀表元件的安裝

對(duì)于壓力表、溫度計(jì)的安裝,可按普通管道實(shí)施,儀表閥門(mén)類似于前面提到的閥門(mén)填充,流量計(jì)在乙炔輸送中采用孔板形式,孔板流量計(jì)需在孔板前后取壓,采用帶孔法蘭(見(jiàn)圖10)。

圖10 帶孔法蘭

但此種法蘭在管道填充過(guò)程中會(huì)將取壓孔堵住,無(wú)法取到真實(shí)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(yù)制廠先行焊接,再進(jìn)行管道填充。

圖11 斜孔法蘭

4.3.8外管對(duì)口焊接[6,7]

(1)接頭形式:對(duì)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(huán)境的要求:①焊接的環(huán)境溫度應(yīng)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(shí)禁止穿堂風(fēng)。焊接對(duì)風(fēng)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(yīng)采用機(jī)械或等離子弧方法,當(dāng)采用砂輪切割和修復(fù)時(shí),應(yīng)采用不銹鋼專用砂輪片;②坡口表面應(yīng)平整、尺寸應(yīng)正確,并應(yīng)無(wú)裂紋、重皮、毛刺、凸凹、縮口、熔渣、 氧化物、鐵屑等現(xiàn)象;③管子切口端面傾斜偏差不應(yīng)大于管子外徑的 1%,且不得大于 3 mm。

4.3.9設(shè)備的填充

丁炔二醇反應(yīng)器作為炔醛法生產(chǎn)1,4丁二醇的重要設(shè)備,其安全運(yùn)行必須引起高度重視。高壓乙炔通過(guò)反應(yīng)器頂部環(huán)管被均勻分散至12個(gè)乙炔入口,通過(guò)內(nèi)伸管進(jìn)入反應(yīng)器底部淤漿層參與反應(yīng)。反應(yīng)器環(huán)管直徑為DN200,為保證高壓乙炔安全運(yùn)行,必須將流通通道分散成10 mm以內(nèi),其環(huán)形結(jié)構(gòu)無(wú)法填充內(nèi)管,則采用填充φ10的拉西環(huán)或鮑爾環(huán)方式。12個(gè)管口口徑為DN50,且設(shè)置旋塞閥,閥門(mén)同樣填充內(nèi)管模塊,管口填充拉西環(huán)或鮑爾環(huán)。內(nèi)伸管為DN20,不再填充,但為防止填料進(jìn)入反應(yīng)器,故設(shè)置網(wǎng)籃,隔離開(kāi)填料。

4.4 施工檢驗(yàn)

由于外管內(nèi)拉西環(huán)的存在,且內(nèi)管端面距離只有6～8mm,對(duì)接焊縫的射線檢測(cè)容易產(chǎn)生誤判,從而引起檢測(cè)不合格,所以在填充管的閉合對(duì)接焊縫處應(yīng)采用分層滲透檢測(cè),從而保證焊接質(zhì)量。其余焊縫檢測(cè)按照以下兩點(diǎn)執(zhí)行:①對(duì)接焊縫采用射線,檢測(cè)比例為100%,焊接質(zhì)量等級(jí)Ⅱ(AB),執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為NB/T47013.2;②角焊縫采用滲透檢測(cè),檢測(cè)比例為100%,合格等級(jí)I,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為NB/T47013.5。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高壓乙炔的特性,結(jié)合工程設(shè)計(jì)及建設(shè)中的經(jīng)驗(yàn),對(duì)其安全輸送選用填充管的原理及填充管的設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)進(jìn)行探討,希望能對(duì)行業(yè)生產(chǎn)起到借鑒作用。