丁二烯球罐进出口位置设计要点

朱巧家，李疆鸿，兰小刚，雒淑娟，陈战杨，胡金奎，曹宇，郭延稳，余建永

（上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518）

1 丁二烯简介

丁二烯是一种用途较广的化工产品，无色，有特殊气味。稍溶于水，易溶于丙酮、乙醚、氯仿等，是制造合成橡胶、合成树脂、尼龙等的主要原料。丁二烯具有麻醉性，特别刺激粘膜，易液化。临界温度161.8 ℃，临界压力4.33 MPa。与空气易形成爆炸性混合物，爆炸极限2% ～ 11.5 %[1]。随着苯乙烯塑料的发展，利用苯乙烯与丁二烯共聚，生产各种用途广泛的树脂（如ABS 树脂、SBS 树脂、BS树脂、MBS 树脂），使丁二烯在树脂生产中逐渐占有重要地位。

1.1 丁二烯毒性程度的判定

（1）GBZ 2.1—2019《工作场所有害因素职业接触限值 第1 部分：化学有害因素》（2020 年4 月1 日实施）中4.1 工作场所空气中化学因素的职业接触限值表中明确丁二烯为对人致癌（G1）[2]。

（2）HG/T 20660—2017《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》附录A 规定：根据IARC 致癌性分类确认为人类致癌物（G1 组）的，直接定为I 级极度危害介质[3]。

因此丁二烯属于极度危害化学介质，介质分组为TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的第一组介质[4]。

1.2 丁二烯主要危险性

（1）易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物。

（2）对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染。

（3）易自聚，自聚物易爆炸。

（4）致癌，有剧毒。

1.3 丁二烯的储存

球罐因占地面积小、容积大等优点被广泛地应用于丁二烯的储存中，但因丁二烯属于极度危害介质，GB/T 12337—2014《钢制球形储罐》中规定“盛装毒性程度为极度或高度危害介质的球罐，进出口应在上极开孔”[5]。这主要考虑了以下因素：

（1）充分增加管线的柔性；

（2）一旦出现重大地质灾害导致管线拉断、破裂时，球罐中的介质不会大量溢出；

（3）有毒介质泄漏时，由于泄漏点在球罐上极，对地面操作人员的危害程度有所降低[6]。

但是，很多工程设计中由于工艺及配管的要求和介质操作工况的要求，进出口需在下极开孔，下面以我公司承接的某丁二烯球罐为例，对丁二烯球罐进出口位置的设计进行探讨。

2 设计输入条件

2.1 设计参数

设计压力：0.79 MPa

设计温度：-10 ～ 50 ℃

工作压力 ：0.35 MPa

工作温度 ：15 ℃

介质：丁二烯（H2S ＜2×10-5）

进出口： DN 350

2.2 工艺需求

本项目丁二烯输送泵连续输送丁二烯去下游某工厂，业主和其下游客户对流量的稳定性要求很高。

3 丁二烯球罐进出口在上极开孔存在的困难

丁二烯属于液化烃，国内已在建液化烃球罐，球罐外输泵均选择球罐下极开口。本项目外输泵如要求选择罐顶上极开口，球罐出口从上极板抽出，如图1 所示。

图1 球罐出口从上极板抽出图Fig.1 Spherical tank outlet drawing from upper plate

（1）球罐出口设在上极时，外输泵通过建立虹吸[7]将球罐内介质输送出来，但是丁二烯是液化烃，温度会随着环境的变化而变化，但气相时刻与液相保持平衡，即在该温度下的饱和蒸汽压。因此，在球罐内很难形成压力差，这也就意味着泵很难将球罐内液体吸出。此时，可以通过设置自增压器抽出丁二烯，利用热源进行加热进而使球罐增压，但是由于丁二烯的氧化速度和分解速度随温度的升高而加快，[8]温度升高会导致其自聚速率呈指数型上升，且自聚物易爆炸，有可能导致灾难性后果，因此不能通过设置自增压器来抽取丁二烯。

工程实际中，大多采用氮气增压的方法[9]，将液相丁二烯压入至泵入口处，这样必将在泵入口管高点或泵入口处进行高点放气，造成产品损失。每次开启泵时均需进行高点放气，而丁二烯介质为极度毒性物质，常温下沸点-4.5 ℃，且比空气重，爆炸极限为2% ～ 11.5%，性质非常活跃，每次放空都可能导致严重的环境问题及爆炸的风险。进料时为了维持球罐操作压力，需要排出氮气，排出氮气的同时也排出部分丁二烯，造成产品损失。氮气增压和排出氮气导致球罐内压力变化较大，容易引起球罐疲劳破坏的风险。另外，进出口管道需插入到罐内低液位以下，可能导致气体在球罐内液体液位低时进入泵体内，造成泵发生汽蚀[10]，使泵体损坏，进而导致丁二烯泄漏到大气中，而丁二烯一旦泄漏到大气中，就会引发爆炸、中毒等一系列风险。本项目操作工况为丁二烯输送泵将连续输送丁二烯去下游某工厂，业主和其下游客户对流量的稳定性要求很高，采用这种方式，泵下游液体会随着氮气压力波动而波动，难以满足业主需求。其次氮气增压方式要求氮气持续供应满足气量要求且压力要求极其稳定，一般工厂的氮气系统都很难满足该要求。氮气系统别的用户有较为大量的氮气使用时，氮气瞬间降压，可能会立即导致泵汽蚀，突然停止输出，有可能损坏泵体。

（2）球罐中的最低点为人孔中心位置，进出口设置在上极时，内伸管不可能在人孔中心位置，这样会使球罐底部存在较多的“死角”，使丁二烯端基聚合物种子在此不断地积存[11]，由于丁二烯的特殊性质，长期停滞区中的静止丁二烯容易引发自聚反应，自聚大量放热，导致恶性循环，可能产生自燃、爆炸等事故。

（3）由于球罐表面积大，设备较高，进出口设置在上极时，当强震或者台风发生时，上部管道可能变形歪曲，而且存在被拉裂（超过弹性极限）的可能性[12]，同时地震通常纵波先到、横波后到，后到的横波左右摇晃对管体造成损害。这种情况虽然不会引起大量液体直接泄漏，但因为丁二烯沸点低（-4.5 ℃），且比空气重，爆炸极限为2.16% ～ 11.47%，随着球罐压力降低，会造成大量丁二烯蒸汽泄漏。而蒸汽泄漏后，扩散范围更广，危险区域更大[13]。

（4）进出口设置在上极时，势必要用较长的内伸接管抽取丁二烯，由于丁二烯属于液化气，对内伸接管的材料选择有更高的要求，而且操作中由于泵的运转以及人为的不可避免的振动，会造成内伸接管的损坏及紧固件的松动引起泄漏等问题。

（5）球形储罐高度较高，球罐顶部作业属于高空作业范畴，进出口设置在上极时，较多的管道及附属设施会增加安装、检维修人员高空作业的难度和安全风险[14]。

（6）进出口设置在上极时，球罐外部势必通过较长的管道与泵相连，这不仅对于泵的选择有较高的要求，而且较长的外部管路增加了成本，同时由于泵的工作引起管道振动对球罐产生疲劳破坏[15]，而且存在泵的电缆老化漏电引起爆炸的问题。

综合以上几点，丁二烯球罐进出口上极开孔不仅管道复杂增加成本，而且操作不慎就会存在产品损失、介质泄漏、燃烧爆炸等风险，同时，又使球罐成为疲劳设备，容易造成泄漏，时刻危及工作人员的生命安全。因此，丁二烯球罐进出口上极开孔存在较大的安全隐患。

4 本项目丁二烯球罐进出口在下极开孔采取的安全措施

鉴于上述若干分析结论，此项目丁二烯球罐采用进出口下极开孔的方案，此方案与GB/T 12337—2014 中的规定不符，为了避免下极开孔可能带来的一系列风险，在此工程项目中我们采取了若干预防措施，确保球罐的安全运行。我们采取的措施如下：

（1）丁二烯具有致癌性，属于极度危害介质，一旦泄漏危害无穷，因此我们在球罐底部位置和管道阀门区设置有毒气体检测仪[16]，随时监测罐区丁二烯的浓度。

（2）球罐底部进出口管道上设置自动切断阀与紧急开关阀，在自动切断阀与紧急开关阀后合适的位置设置止推架或者固定支架，在管道发生意外的情况下，进出口管道不受切断阀后方位移和力的影响。

（3）管道设计时，管道应力专业会考虑球罐的沉降工况，以及风载荷和地震载荷等偶然工况进行管道应力计算，保证管道的柔性，以确保在极端情况下进出口管道的安全，尽可能减少进出口管道对球罐的影响。

（4）本工程球罐区设有防火堤，以确保在泄漏事故下能够将泄漏的丁二烯拦蓄在球罐区的防火堤内[17]，并排放至事故集液池，以避免丁二烯泄漏扩散产生次生危害。

（5）球罐底部设置消防水快速接头[18]，以便意外发生时可迅速注入消防水，避免丁二烯泄漏。

（6）球罐底部进出口管道位置设置注水保护系统[19]。

（7）罐区配备大量的蒸汽，以及静电防护服，正压式空气呼吸器，以便操作人员使用[20]。

在设计中采取以上预防措施，同时结合国内外类似工程的成功经验，并请相关行业专家委员会进行了评审，证明了上述方案的可行性和有效性。

5 结束语

丁二烯球罐作为非常典型的极度危害介质，进出口必须开设在球罐上极，但由于工程实际情况需要，我们采取了下极开孔的方案。经过实践证明，该方案是合理的，风险是可控的，这就为以后丁二烯球罐进出口方位的设计提供了宝贵的借鉴，积累了丰富的经验。