BDO装置乙炔填充管设计和施工

李鹏辉

(西安延鼎工程设计有限公司 ， 陕西 西安 710000)

乙炔是最基本的化工产品，被广泛应用于聚乙烯醇、聚氯乙烯、1,4-丁二醇等产品的生产中。乙炔分解是一个自发反应过程，以爆燃和爆轰的形式发生，爆燃释放能量产生的峰值压力是初始压力的10～11倍，高压乙炔爆轰释放能量产生的峰值压力是初始压力的50倍。乙炔聚合反应需要热量，反应一旦开始，就释放出热量，聚合产生的热量将进一步导致乙炔爆炸性地分解为碳和氢。乙炔管道安全的本质是控制乙炔不发生分解或者聚合，爆炸火焰不传播。

设计采用改良的炔醛法(Reppe法)生产1,4-丁二醇。该工艺分两步进行，第一步为乙炔和甲醛在乙炔酮催化剂存在下反应生成1,4-丁炔二醇(BYD)；第二步是1,4-丁炔二醇催化加氢制得1,4-丁二醇(BDO)。本装置由5个系列BYD反应器组成，每个系列有3个反应器，共15台BYD反应器，主反应如下：

丁炔二醇合成

加氢反应有3个主反应器和1个次反应器组成，涉及到的主反应如下：

HOCH2CH2CH2CH2OH (BDO)

改良Reppe法具有以下主要特点：①该工艺由于采用淤浆床，热容量大，外扩散系数高，反应热可通过反应器夹套和物料外循环方式去除，催化剂活性高、强度好、寿命长、丁二醇收率高。②淤浆床具有很好的操作可靠性、安全性和灵活性，因此对生产厂家具有很大的吸引力。③该工艺技术成熟，国内已经有稳定运行的装置，该技术为国外专利技术，需从国外引进。

1 乙炔填充管设计

根据乙炔管道工作压力的不同分为高、中、低压乙炔，输送乙炔的管道压力越低，安全性越高[1]。根据工作压力和管径的组合工况分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个风险区，I区危险性最小，Ⅱ区次之，Ⅲ区危险性最大。在设计过程中，尽可能将乙炔管道工作区域控制在Ⅰ区，降低乙炔发生爆燃或者爆轰风险，同时应采取保证乙炔管道安全运行的措施。

1.1 乙炔管道的压力分级及风险分区划分

乙炔管道的压力分级见表1[2]。

表1 乙炔管道压力分级

设计中工艺给出的乙炔管道工况为：操作压力0.42 MPa，设计压力2.2 MPa，操作温度55 ℃，设计温度75 ℃。按表1划分属于高压乙炔管道，在此基础上，IGC Doc 123/13针对乙炔分解产生的危险性，通过乙炔管道的操作压力和管径，将乙炔工况划分为3个风险分区(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区)，见图1。

图1 乙炔风险区划分

由图1可知，A线为爆燃极限压力线，B线为爆轰极限压力线。当乙炔管道的工作条件在A线以下(Ⅰ区)，乙炔有可能会开始分解，但仅发生在非常高的点火能量条件下，风险极小；当乙炔管道的工作条件在A线或A线和B线之间(Ⅱ区)，中等的点火能量既会引起乙炔分解，分解将以爆燃形式沿管道传播；当乙炔管道的工作条件在B线或B线以上(Ⅲ区)，分解将以爆燃形式开始，并在管道中逐渐转变为爆轰。

如上所述，当乙炔的工作分区控制在Ⅰ区时，是相对安全的，按图1所示，在管径10 mm处作垂直线与A线相交，其交点位于0.42 MPa左右。本项目中高压乙炔最高操作压力为0.42 MPa，如果想将乙炔的工作分区控制在Ⅰ区，需要将乙炔管径控制在10 mm以下，从而减小乙炔分解继而产生爆燃和爆轰的风险。

1.2 乙炔管道的安全措施

乙炔管道属于压力管道范畴，与普通工艺管道一样，设计时应符合压力管道标准规范的要求。不同的是，乙炔管道除了要承受最大允许工作压力之外，还要考虑承受乙炔分解时发生的热应力和机械应力，因此壁厚计算方法和普通工艺管道有很大差别。IGC Doc 123/13针对乙炔管道在不同风险区的壁厚计算公式如下：

式中：e，计算壁厚，mm；p，当量压力，MPa；[其中，风险Ⅰ区：p，2×pw；风险Ⅱ区：p，11(pw+1)-1；风险Ⅲ区：p，35(pw+1)-1]；pw，最大允许工作压力，MPa；De=管道外径(mm)；f=计算系数，风险Ⅰ区：f=fy/1.3；风险Ⅱ区：f=fy/1.1；风险Ⅲ区：f=fy/1.1；fy=材料屈服强度，N/mm2。

以操作压力为0.42 MPa，DN200管径为例，如果不采用填充管，按照图1划分为Ⅲ区，通过风险Ⅲ区的壁厚计算公式得出e=8.26 mm；如果采用填充管时，可以将乙炔风险分区控制在I区时，通过风险I区的壁厚计算公式得出e=0.33 mm。由此可见，当乙炔处于风险I区时，壁厚值比风险Ⅲ区时小很多，除此之外，当乙炔在风险Ⅲ区时，设计时须考虑5D弯管，会给管道布置造成很多不便。综合考虑，本项目采用填充管型式，将乙炔管道控制在风险Ⅰ区，减小管道壁厚的同时，方便管道布置。

乙炔性质活泼，当与铜、银、汞或这些金属的盐接触时，形成具有爆炸性的炔化物。因此在选材过程中，不能采用这些金属的管道输送乙炔，尤其在阀门选型过程中，阀体、内件、密封面等部位的材质，均需在规格书中注明不能含铜、银、汞材质，同时阀门应选用全通径阀门。

乙炔管道应敷设在顶层，不允许与氧气、氢气、爆炸危险和腐蚀性流体同一层敷设。乙炔管道应防止被蒸汽或热管道加热，管壁温度不能超过70 ℃；架空坡度不得小于0.001 5，在低点处应设排凝；乙炔管道应尽可能减少急变径、急拐弯情况，避免引起乙炔流速紊乱，增加乙炔爆炸风险。

乙炔压力、温度及流量的紊乱容易造成乙炔分解或聚合，引起安全事故的发生，因此乙炔管道应设置压力、温度及流量监测装置，实时监控管道系统的运行情况，这些监测信号不但能就地显示在指示器上，还需要能传输到中央控制室，并与报警系统联锁，以便巡查人员和中控室人员能及时发现危险信号并做出调整，以达到管道系统安全运行的目的。

乙炔管道应有可靠的静电接地和防雷措施，避免静电积聚和雷电引起火灾事故；在重要部位应设置固定式乙炔报警器，巡查人员进入装置区应带有便携式乙炔报警器，以便及时发现乙炔泄漏危险；管道系统中应安装阻爆轰型阻火器，阻止乙炔发生分解或聚合时产生的火焰传播。

2 乙炔填充管施工

为了降低乙炔管道的危险性，本设计乙炔管道采用填充管形式，将母管内乙炔均匀分布在子管中，通过控制子管口径将乙炔限制在相对安全的Ⅰ风险区，同时子管管束可以快速分散热量，降低爆燃和爆轰的风险。

2.1 直管段

乙炔填充管道由母管和填充子管组成，为方便施工，填充管段长度一般不超过3 m。①将母管和子管切割成所需长度规格，子管比母管短8～10 mm。②先在母管内填充Φ10 mm×0.5 mm的304不锈钢管，填充到不能再塞进Φ10 mm规格管子时，边缘空位再填充Φ6 mm×0.5 mm的304不锈钢管使母管内密实不松动。③将相邻填充子管之间，子管与母管内壁之间进行点焊固定，防止填充管滑动，同时保证子管端面相比母管端面缩进3～4 mm。④打磨子管和母管端面毛刺，焊瘤，确保端面平整光滑，吹扫干净后用胶带或防潮布封口。见图2。

图2 直管段填充

2.2 管件

这里的管件主要指弯头、三通、大小头。①制作固定圆环，根据所需填充管件的内径大小，用20 mm宽的钢带制作与管件内径一致的圆环，也可以切割相同口径的直管段代替圆环。②制作堵头，将填充子管切割为50 mm的短管，将切割好的短管密实排列在圆环内，短管之间点焊在一起。③取下固定圆环，用制作好的堵头将管件的一端封堵，并将堵头的外圆短管与管件内壁进行点焊，防止松动，同时保证堵头端面相比管件端面缩进3～4 mm。④将Φ10 mm的拉西环从管件的另一端装填进管件内部，装填过程中不断摇晃管件，让拉西环填满整个管件内部。⑤重复以上前三步，将管件的另一端进行封堵。⑥打磨堵头和管件端面毛刺，焊瘤，确保端面平整光滑，吹扫干净后用胶带或防潮布封口。见图3。

图3 管件填充

2.3 阀门

本设计高压乙炔管线均采用旋塞阀。①测量阀门需填充部位的内部尺寸，按照上述制作堵头的方法制作符合填充尺寸的堵头。②用制作好的堵头对阀门端部进行填充，保证填充管离旋塞和法兰面3～4 mm间距并点焊固定。③打磨堵头端面毛刺，焊瘤，确保端面平整光滑，吹扫干净后用胶带或防潮布封口。阀门填充见图4。

图4 阀门填充

2.4 无损检测

乙炔填充管子管端面相比母管端面缩进3～4 mm，母管焊缝宽度为8～10 mm(与母管壁厚有关)，则焊缝中心两侧各4～5 mm。在RT检测时，一根母管在不同角度均需进行贴片检测，则子管位于焊缝检测探测区域内，会造成母管射线检测底片反映出子管的端部产生的黑线或其他影响评定判别的伪缺陷，不能真实反映焊缝本体内部是否存在缺陷。本设计结合以往乙炔填充管设计及施工经验，组织业主、设计院、监理及施工单位讨论交流，对乙炔填充管母管焊缝进行100%PT检测，Ⅰ级合格，方法为：氩弧焊打底后做一次PT检测，焊接完成后再进行一次PT检测。同时此类焊缝抽取1%进行RT检测，作为参考以综合评判焊缝焊接质量。

3 结束语

本设计参考了ICG标准和其他类似工程项目经验，结合本项目的实际条件，对高压乙炔管道采用填充管的方法，将乙炔的工作分区控制在安全区域，减少乙炔的爆炸风险，在设计和施工过程中，多次组织业主、设计单位和施工单位对遇到的问题进行评审，积累不少高压乙炔管道设计和施工经验和可操作性，目前本项目已经成功开车并产出合格产品。