乙炔管道输送的本质安全设计

任怀文上海华谊工程有限公司 上海200235

乙炔是易燃易爆的甲类危险气体，爆炸范围极大，为2.19%～82%(V)，与空气混合易形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。能与铜、银、汞等金属及其合金生成爆炸性的炔化物。因此储存和输送乙炔需要格外小心，乙炔的储存通常溶解在溶剂并储藏在钢瓶中。目前乙炔的流速通常参考“乙炔站设计规范”，取小于8m/s，但该规范仅适用于乙炔站内的少量乙炔气输送，对于乙炔作为原料气采用大直径管道的长距离输送缺少指导意义。

乙炔原料气的长距离输送设计案例不多，德国从Burghausen的Marathon炼油厂到Gendorf的赫斯特工厂的8km长的乙炔管线，管子直径300mm。操作压力分别为:进口2bar，出口1.5bar，但是管道的设计压力为100bar;重庆MDI项目中乙炔原料气的输送限制管径DN450，低压输送，采用BASF公司的实践经验(Reasonable Practices)。上海华谊工程公司也设计过DN600的乙炔气输送管道，输送距离小于1km，操作条件类似，目前安全运行。尽管如此，乙炔气的大量输送并未形成统一的标准。本文在参考国内外相关规范的基础上对青海某项目的乙炔输送管道的本质安全设计进行阐述和说明。

该项目乙炔发生装置和VCM装置分别位于东西两区，清洁后的乙炔原料气需要从东区输送到西区，管线穿越山地，地形复杂，且山体易滑坡，输送距离约3.5km，在线路设计上要避开居民区。如此长距离的输送在国内尚属首次，系统的安全设计尤其重要。

1 乙炔的爆炸性能

乙炔采用管道输送的危险性必须考虑两个重要的因素，爆燃(deflagration)和爆轰(detonation)。

爆燃是指火焰在非燃烧乙炔气体中以低于音速传播的状态。由于传播速率不断变化、增大，有时会导致爆炸。初始压力在1～5bar时，固定体量的乙炔在爆燃形成的压力通常是初始压力的11.5～11.9倍。一般情况下输送乙炔应选用较小的管径和较低的输送压力，较为安全。

爆轰是指火焰在非燃烧气体中以超过音速传播的状态，通常传播速率达到几倍音速甚至每秒数千英尺。与爆燃不同的是，爆燃发生时非燃烧气体和燃烧气体的压力是同时升高的;而爆轰发生时，燃烧气体和非燃烧气体之间产生急剧的压力变化。

有时很难区分输送管道内发生了爆燃还是爆轰，这与管道的直径、操作压力、输送管道的长度等都有关系，有时爆燃会发展成爆轰，有时爆燃和爆轰同时存在。

2 乙炔输送的工作范围划分

本输送管道的设计需考虑满足项目二期的输送要求。根据IGC规范，乙炔气体的输送压力越低、管径越小，管道输送的安全性越高;乙炔中压输送的压力范围定位为0.2～1.5bar(G)。根据《乙炔站设计规范》，乙炔气体的管道流速控制＜8m/s。输送压力取决于接收端(VCM装置)的压力和管线的压降，接收端的最低压力要求0.68bar(G)，通过建立模型和迭代，东区乙炔的供应压力应为1.24bar(G)，管径为DN900。管径放大虽然能降低流速，同时也增大了爆炸的威力和危险性。

针对乙炔分解产生的危险性，IGC规范可将工作范围划分为三部分，见图1。

图1 Sargent定义的工作范围

工作范围Ⅰ:乙炔分解危害较轻。

工作范围Ⅱ:在点火状态下，可能发生乙炔分解形成爆燃。

工作范围Ⅲ:在点火状态下，乙炔分解形成爆燃，如果管线足够长可能演变成爆轰。

本项目乙炔管线属于“工作范围Ⅲ”。

3 设计中的标准规范

系统设计主要参考了如下规范:

《Code of Practice for Acetylene》IGC Doc 123/04/E(简称IGC规范)

《输气管道工程设计规范》GB50251

《乙炔站设计规范》GB 50031－91

《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规定》GB 50058－92

《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》GB 50493－2009

CGA－1.2－2006《ACETYLENE METERING AND PIPING》Third Edition(简称CGA规范)

4 工艺系统设计

4.1 工艺流程

乙炔输送管道采用埋地方案，埋深在冻土层以下，东区、西区进出装置处分别设湿式阻火器，三处低点分别设置凝液罐收集凝液。凝液返回工艺装置或采用措施处理，不能直接排入下水道。具体流程见图2。

图2 乙炔管道输送流程

本项目中乙炔的最大操作压力＜1.5bar(G)，属于中压乙炔输送，通过提高乙炔管线和设备的设计压力，防止乙炔发生爆燃、爆轰所造成的危害。

4.2 填料塔型湿式阻火器系统

在长输管线两端设置湿式阻火器可阻止乙炔在管线内爆炸产生的能量向装置传递。在管线入口(增压机出口)和出口(进VCM装置处)，采用填料型湿式阻火器。喷淋水循环的设计应避免空气经泵轴封进入系统;补充水系统要避免空气的带入;入口端湿式阻火器多余的排放水排至气柜密封水;出口端的排放水与VCM凝水一起排放处理。

整个系统采用电伴热，温度不超过45℃。

CGA规范建议填料塔阻火器的设计压力采用75psig，本系统的设计中采用17.71bar(G)，做到与乙炔装置一致。由于乙炔装置是按照爆燃确定设备的设计压力，取值偏低，建议新的设计按照管线设计压力统一考虑。

按照CGA规范，阻火器的顶部安装爆破片尺寸不应小于入口管径，一期的入口管径为DN700，因此爆破片管径取DN700。爆破片的设定压力取2.0bar(G)(CGA建议最大爆破压力为30psig)。在设计中应使爆破片的泄放方向远离装置，以免爆炸和碎片对装置造成影响。典型的湿式阻火器见图3。

图3 典型的湿式阻火器结构

关键设计参数:

空塔气速:2ft/s(0.61m/s)

喷淋密度:8～20cuft/h(0.2275～0.566m3/h)

填料为1″拉西环，填料层高度＞1.2m，通常取2m;除沫段填料层高度通常取1m。

塔径不小于散堆填料的直径的15倍。通常采用拉西环可满足要求。

湿式阻火器不仅起到阻火的作用，而且增加了气体的湿度。规范中对于乙炔气的研究通常基于干乙炔输送，湿乙炔气输送的安全性比干乙炔气有很大的提高。由于管线存在低点，必须设置安全的凝液疏水系统，确保排放安全。

4.3 排凝系统设计和安全因素

由于采用湿饱和气输送，根据输送线路地形变化，线路低点的安全排凝设计也是保证系统本质安全的一部分。

工艺系统需要根据线路专业的规划，从纵断面图中确定管线中的低点，低点均需要分别进行排凝。该输送管道在东区、西区出装置处以及中部山区共有三处低点，厂区内的排凝与中部的排凝略有不同。各排凝罐均考虑电伴热。温度不超过45℃。

排凝的设计基础是建立模型，假设管线冷却的最低温度，确定冷凝量和罐体的尺寸。当系统中存在多个低点时，可将总冷凝量作为确定每个罐体尺寸的基础，量比较大时，还需要具体分析。

本文采用排凝罐排凝的方式主要针对本项目中采用埋地输送方案而确定，如果采用架空管道，低点排凝可以采用其它方式。排凝罐的设计压力取17.71bar(G)，与阻火器一致。在新的设计中建议该设备的设计压力与管线设计压力统一考虑。排凝罐与乙炔输送管线之间的液体管线和平衡管线采用优质20#碳素钢(GB 9948)无缝钢管，阀门选用旋塞阀和截止阀。

4.3.1 厂区内排凝

排凝罐位于乙炔管线最低点以下，凝液靠重力流进排凝罐，顶部设平衡管。罐的操作容积按照8h设计。罐上考虑低点排液、高点放空、氮气软管接头，但是其中的切断阀必须是LC，靠近地坑设置氮气的软管站接头。设置自动控制低、高液位开关和高液位报警装置，当低液位时关闭泵、高液位时开启泵。

排凝罐的重要安全措施是设置爆破片，扩散管需引至安全位置。爆破片仅考虑乙炔输送管线超压时保护罐体设备的作用，尺寸不小于排液管和平衡管的截面之和。爆破片的直径取DN150，设定压力取2bar(G)。为防止空气侵入该系统，设计时采用双爆破片中间加压力报警检测以监控泄漏。由于连接氮气系统，排凝罐的设计压力应满足氮气吹扫的设计条件。

地坑上设置盖板或防雨棚。由于地坑较深，周围应设置防护围栏，以免不测。地坑内将设置可燃气体报警仪。

系统的所有仪表采用本安或隔爆型。

排出的凝液首先考虑由乙炔装置或VCM装置回用，否则排入石灰池处理。根据规范，不能随便排入污水或下水系统。

4.3.2 山区中低点排凝

厂区外部的管理状况和厂区内有很大不同，因此排凝设计与厂区内不同。首先在地坑上不设置盖板，而应设置厂房，厂房内采用蒸汽取暖和强制通风，设置可燃气体报警仪;厂房房顶采用可泄爆的轻型屋顶，房间内设置手提式干粉灭火器(不可采用CO2灭火器)。其次厂房四周5m设置封闭性围墙和大门，并在外部设置警示性标志，防止闲杂人员进入。

中部排凝罐操作容积考虑12h排凝量。如果距离近可采用离心泵将凝液送回装置。本项目由于距离限制，凝液采用了就地自然蒸发处理。操作压力满足要求，就地处理可以省去离心泵。为避免因爆破片泄漏带来危险，排凝罐上采用串联爆破片，爆破片之间采用压力报警检测，非事故爆破时报警。其他设置与厂区排凝罐设置类似。

由于距离原因，不考虑氮气引入该厂房，仅在检修时提供氮气钢瓶用于凝液罐的吹扫和置换。

5 线路设计条件和材质

任何情况下，铜、银、汞及其合金都尽量避免用在乙炔的输送系统中，即使采用铜合金，铜的含量也不能超过65%，并且有足够的实践证明是安全的方可使用。材质的选择应满足最新版的ANSI、ASTM、ASME、API等组织的规范中的规定。材质的强度应能承受系统内发生分解爆炸时产生的最大压力。CGA规范中列举了在不同的工况下选用A53、A106、A197、A181等例证。

所有的压力管道都应遵守ASMEB31.3规范进行设计。

乙炔输送管线的材料和壁厚选择应能够满足系统内发生爆炸分解所产生的最大压力，即发生爆炸时管道不会破坏的原则。本项目线路的操作压力Pw取1.5bar(G)，按照IGC规范11.4条，计算压力P(dimentioning pressure)按照如下公式计算:

本项目取P为60bar。

根据天然气长输管道输送的实践经验，管道材质采用直缝埋弧焊钢管，执行《石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第二部分B级钢管》GB/T 9711.2。此焊缝质量可靠性强，钢管的强度和韧性好，便于加工弯管。

钢种等级选择:一般管道运行压力越高，所用的管材等级越高，虽然本工程乙炔管线的运行操作压力只有1.5bar(G)，但由于其输送物料性质的危险性，管道的计算压力取60bar。该中压管道在设计温度为常温的条件下，考虑经济性和管材焊接性能要求，本工程选用L360M等级的钢管。

壁厚计算如下:

式中，e为最小壁厚，mm;P为计算压力，bar;De为管线外径，mm，取914mm;f为材料的屈服极限，N/mm2。

经计算并圆整后，壁厚选取12.7mm。

试验压力的选取:

管线位于Ⅲ区，按照规范:

本项目为了保证管线系统的本质安全，计算压力和试验压力均取60bar。其中也参考了某知名国际公司的Reasonable Practice(RP)。根据《压力容器压力管道设计许可规则》TSGR1001－2008，该乙炔输送管道属于输送工艺介质的工业管道，为GC1类。

为了保证管道施工的强度和焊接质量，必须进行强度试验和严密性试验。强度试验为计算压力即60bar(G)，严密性试验压力确定为10bar(G)。

对于管线焊接、防腐、穿跨越工程、不良地质防护处理、阴极保护、其他线路附属工程，可以按照气体长输管道的要求进行设计。除了考虑管道对周围环境的影响，还应考虑减少人为破环对管道的影响。

6 其他方面的设计

除了上述的湿式阻火器、凝水收集和排放、材质的选择，该管线的本质安全设计还包括以下方面:

(1)根据项目和线路的特点，管道采用埋设的方式。相对于架空方式减少人为的破坏，降低爆炸的威力，在寒冷地区冻土层以下对管道也是一种保护。

(2)设置可靠的阴极保护措施;设置可靠的防腐措施，管道在投入运行前应考虑充分除锈，避免铁锈引起乙炔聚合、分解爆炸。

(3)保证线路整体的安全性。在管线的两端应设置快速切断阀、爆破片和相应的扩散管。阻火器的设计既要满足阻火的要求、同时满足低压降的要求;快速切断阀可远程控制操作。实时监控入口端和出口端的压力波动。

(4)为避免因爆破片在破裂或泄漏工况下乙炔大量外泄以及空气进入乙炔管线，爆破片采用串联爆破片，爆破片之间采用压力报警检测，非事故破裂时报警。

(5)根据相关的规范，管道尽量采用大直径的弯头(5倍以上)，避免死角，减少爆炸产生的巨大反射应力对管件的破坏。

(6)由于乙炔的危险性，必须建立严格的安全操作规程，如对排凝罐或管道采用氮气置换时应充分做好安全防护，严格按照“受限空间进入”的规定来规范人员的操作，防止发生人员窒息。

7 结语

本项目在参考IGC、CGA和国内相关规范的基础上，对乙炔输送管道进行了严格的本质安全设计，保证运行安全，避免事故的发生。该项目经过多次评审，认为乙炔输送管道设计是安全和可靠的。目前该项目尚处在试车阶段。