SEBS弹性体装置的仪表选型设计

华霄峰，周 路

（中国化学赛鼎宁波工程有限公司，浙江宁波 315040）

SEBS 热塑性橡胶具有优异的耐老化性能，既具有可塑性又具有高弹性，可广泛应用于生产高档汽车、医疗器械、玩具、电线电缆等[1]。由于SEBS 热塑性橡胶相对传统的橡胶产品具备更优异的性能，其在业界享有“黄金橡胶”的美誉。SEBS 橡胶的主要生产流程为：以丁二烯、苯乙烯为原料，环己烷为溶剂，在助剂作用下，通过阴离子聚合反应首先制得SBS基础胶，后经过加氢反应得到SEBS 胶液。SEBS 胶液经过汽提系统分离出溶剂得到SEBS 胶粒水，最后经过后处理干燥、研磨得到SEBS 成品细料后进行包装储存。在该工艺流程过程中，涉及了易发生自聚的物料、高粘度物料及临氢工况等苛刻工艺条件，对现场仪表的选型及设计提出了挑战。

1 工艺特点

反应原料丁二烯、苯乙烯容易发生自聚。自聚产生的主要原因有：温度升高促使物料发生二聚反应；物料中掺入了氧，同时介质中混杂了铁锈及水使得物料发生自聚反应[2]。自聚物会沉积于管路系统的死角处，造成设备、管路的堵塞，影响仪表的测量。同时，自聚物性质极不稳定，受撞击或急剧受热时，会迅速分解自燃引起爆炸，危害性较大。

SEBS 装置反应产生的胶液在热水中呈现悬浮状态，粘度为几百MPa·s，而当温度降低时，胶液黏度将会迅速上升至几千MPa·s，若管道系统流动性较差将会导致物料凝滞堵塞，影响仪表的测量。

该工艺装置使用环己烷作为溶剂，且环己烷存在于大部分流程阶段中，而纯环己烷的熔点为6.5℃。在冬季较冷月，尤其是北方地区的项目，该物料的测量管路系统极有可能发生冻堵现象。

2 流程特点

鉴于SEBS 原料易聚的特性，要求在涉及易聚物料的工艺流程中尽量避免产生死区，如尽量减小管道支路长度，避免出现过长的非流动区段，避免设置过小的测量支管等。对苯乙烯、丁二烯管线需要做好保冷绝热防护，避免温度过高。

生产流程涉及顺控程序，开关阀较多。流程中多采用定值控制、比值控制、两位式调节及串级调节等复杂调节。

生产过程使用到了引发剂正丁基锂，该物质遇水剧烈反应，一旦泄漏与空气接触即引起自燃，危险性较大，因此引发剂的测量方案应尽量保证整个工艺系统为封闭系统，确保无泄漏。

生产SEBS 的过程涉及加氢反应，该反应属于重点监管的危险化工工艺，危险性较大。对于临氢工况，应注意防止氢气泄漏及氢渗透现象的发生。

另外，SBS 聚合反应要求原材料加料的质量保持稳定的比例，否则将影响聚合效率及产品质量。

3 仪表选型

3.1 易聚工况仪表设计

对于易自聚的苯乙烯、丁二烯物料，流量测量仪表应首选管道式，如涡街流量计、质量流量计。或者采用隔膜密封式差压流量测量，如楔式流量计带隔膜密封式差压流量变送器，而不能选用标准孔板带引压管测量的方式。又因其不具备导电性，亦不能选用电磁流量计进行流量测量。

液位测量亦需避免选用引出式安装的普通差压液位变送器，而应选择隔膜密封式差压液位变送器，且法兰一般需选择DN50及以上规格，不宜过小。对根部阀位置，宜参照工艺设备的绝热要求，做好相应的保冷绝热防护。对于原料纯度较高的工段，如丁二烯、苯乙烯精制工段，可以选用插入式隔离膜片，进一步杜绝测量死区的出现。对于就地液位的测量，通常只能选用磁翻板液位计，难以避免死区的出现。对此，一方面可以做好液位计测量筒体的绝热防护；另一方面，业主应制定相应的保养维护规程，按时对仪表进行清洗维护。

压力测量仪表的选型可参照液位仪表，选择隔膜密封式的压力变送器。需要注意的是，对于气相中含有苯乙烯、丁二烯的工况，亦需选择隔膜密封式仪表，避免气相物料进入测量管路中冷凝沉积进而发生自聚，堵塞测量系统。

在开关阀的选用中，对于易聚的苯乙烯、丁二烯，宜选用旋塞式阀门，谨慎选用球阀。因球阀在开、关的过程中，会有部分物料遗留在阀体与球芯的间隙中，有可能会引发物料自聚而使阀门卡死。

综上，对易聚工况仪表的设计，应尽量避免测量系统中出现死区；避免局部的温升加剧自聚反应的发生；需制定相应的维护措施，及时清除自聚物；制定相应的应急预案，当发生自聚影响仪表测量或阻碍阀门动作时，应及时启动应急预案，排除以上危险因素。

3.2 临氢工况仪表设计

SEBS 生产过程中需经过加氢反应，氢气纯度、压力均较高，在压力仪表选型时应注意防止氢渗透。氢渗透现象的产生是由于在高温高压工况下，氢分子相互碰撞分裂为氢离子，而氢离子体积较小可穿透金属膜片的晶格，进入隔离硅油中，进入硅油内的氢离子重组为氢分子，长期积累可导致膜片膨胀甚至开裂。氢渗透的发生将导致压力测量出现偏差，影响过程控制的精度，严重者可造成仪表的损坏，影响到安全仪表系统联锁动作的执行等。

目前，在仪表选型中，防止氢渗透的方法主要有以下两种。

（1）膜片基材选用晶格致密的奥氏体不锈钢，如316不锈钢。

（2）对于临氢工况，通常当温度大于180℃或者压力大于2 MPa 时[3]，可选用镀金的压力变送器膜片[4]。而在仪表安装设计中，可采用以下方式避免或减少氢渗透的发生。①对于氢气测量，变送器引压口朝下安装，避免湿气体在膜片上聚积；②当氢气温度较高时，可适当延长引压管线，降低过程温度；③给压力变送器表体增设遮阳罩或保护箱，避免变送器本体处于高温环境。

对于氢气的流量测量，以往项目中通常采用经济实用的孔板流量计。而SEBS 加氢釜氢气进料采用分段程控的方式，氢气的流量范围度要求达到50 ∶1，而标准孔板测量范围度仅为3 ∶1，无法满足该工况的测量要求。质量流量计的最大量程比可达100 ∶1，能够满足此处测量范围度的要求，且经计算能达到一定的控制精度。

SEBS 工艺流程不涉及高温高压工况，工艺管道通常采用RF 法兰面进行连接。但对于氢气管道及设备，如设计压力大于2.5 MPa（GB 50117—2005，12.0.4），应按规范或项目管道等级表的要求，选用凹凸面的法兰，以确保更好的密封性。仪表设备宜选用凹面法兰，以免仪表在运输过程中发生磕碰，损坏法兰密封面影响密封效果。设计过程中，应注意与设备及管道法兰面的匹配。

3.3 阀门选型设计

在化工项目中，对于温度、压力不大且无磨损的工况，通常可以选用软密封的开关球阀，软密封阀门通过压紧阀门密封面的四氟密封圈进行密封切断，即便球芯未经过高精度的机加工亦可使阀门达到零泄漏的要求。因此，对于同样为ANSI VI 级密封的球阀，软密封的球阀相比硬密封的球阀价格要低得多。因此，在化工项目中，软密封球阀被广泛使用。但在SEBS装置中，需要注意的是，对于胶液及丁二烯介质，由于软密封阀门使用一段时间后，四氟材质的密封圈会出现溶胀现象，容易产生变形或脱落，进而影响到开关阀的密封效果，在选型时应予以避免。溶胀是高分子材料特有的现象，其原因在于溶剂分子与高分子尺寸相差悬殊，分子运动速度相差很大，溶剂分子扩散速度较快，而高分子向溶剂中的扩散缓慢。因此，高分子溶解时首先是溶剂分子渗透进入高分子材料内部，使其体积增大，即产生溶胀现象。在胶液及丁二烯介质中，建议选用硬密封切断阀，同时，为避免阀门出现外漏，填料材质宜选用柔性石墨。

SEBS 装置所涉及的物料多为易燃易爆介质，对关键部位的阀门，工艺专业会要求选用防火阀。对于有防火要求的阀门，通常，软密封球阀要求能够满足API-607的耐火测试标准。而对于硬密封的角行程或直行程阀门，应满足API-6 FA 的耐火测试标准。

SEBS 装置涉及加氢反应，由于氢气分子体积较小，在阀门选型时需要特别注意氢气的外泄。对于常用的单座调节阀，通常需要选用波纹管密封的形式。波纹管密封单座调节阀是一种顶部导向结构的调节阀，波纹管一般采用滚焊或氩弧焊与阀盖上的凸缘或其他零件连接在一起，可彻底消除工艺介质从阀杆运动间隙向外泄漏的可能性，这是波纹管密封阀的显著特点之一。由于波纹管元件本身变形性和卓越的抗老化性，这种调节阀完全克服了填料密封阀门通常存在的填料老化和温差敏感等弱点。其次，亦可采用波纹管与填料双重密封结构，安全可靠性更好。而对于角行程的开关球阀，因无法采用波纹管密封形式，在工程应用中可以通过选用双层填料或者特殊填料结构的方式，以达到比普通单层填料阀门更好的防外漏密封性能。

3.4 仪表形式设计

即便对于相同的工艺装置，如果项目所在地不同，气候、地质差异较大，也会对仪表的类型或形式选择产生较大的影响。

例如气候条件，需要关注项目所在地最冷月的平均气温。对位于北方的项目，最冷月的平均气温通常可达到零度。为了减少项目中仪表保温伴热的数量，同时也为了减少运营阶段仪表的维护保养工作量。在压力及液位仪表选型时，通常对于液态且熔点高于项目地最冷月平均气温的介质，宜优先选用隔膜密封式的仪表，避免将介质引出工艺管道系统测量。对于含工艺物料的非洁净气态介质，可根据安装部位，选用短安装形式，尽量减少介质引出长度。同时，还应关注变送器本体所能承受的最低环境温度。当环境最低温度低于变送器本体所能承受的温度下限时，应对变送器本体设置保温箱。此外，虽然选用隔膜密封式结构可以避免将物料引出，但是根部阀部位因介质不流通而形成死区，当外界环境温度极低时，亦可能造成该部位介质的冻堵。所以，应对照介质温度及环境温度的情况，并结合业主以往项目的经验，综合考虑，对根部阀部位实施伴热或保温设计。

而对位于南方地区的项目，因其项目地最冷月平均气温往往高于大部分介质的熔点，为了节约项目投资成本，对压力、液位仪表可以考虑采用引压管引出安装的方式进行测量。对含有工艺物料的气态介质（易聚介质除外），亦可采用引压管引压测量，但需注意根据变送器相对取压点的位置，按照安装图册的要求进行安装设计。

需要指出的是，SEBS 装置使用的溶剂环己烷的熔点为6.5℃，即使南方地区，最冷月的平均气温通常也低于该温度限值。对该介质，则应优先选用隔膜密封式测量仪表。

3.5 其他选型问题

SEBS 装置的聚合反应对进料的流量控制要求较高，且要求各物料流量按照一定的比值进行投料[5]。因此物料流量测量的准确性就显得极其重要。需要指出的是，聚合反应要求的流量比值应最终转化为各物料的质量流量比值。在以往项目中，曾以涡街流量计测量进料的体积流量，虽然选用的流量计为主流品牌产品，测量精度亦可以达到控制要求，但由于工艺专业提供的物料密度存在误差，导致在DCS 系统中折算得到的质量流量偏差较大，而无法完成聚合反应。因此，对于流量控制要求较高的聚合原材料的测量，应优先选用质量流量计。

SEBS 装置选用的引发剂为正丁基锂，该物料遇水可剧烈反应，化学性质极其活泼，因此该物料的测量方案应优先选用隔膜密封式测量部件，避免引出式测量，减少可能的漏点，保证整个工艺系统的密封性。同时，为确保工艺过程的安全，在聚合加料前，应对物料中的杂质含量进行测量。如丁二烯、苯乙烯、环己烷中的微量水分测量，以及氢气中的氧含量、CO、CO2含量测量。

由于SEBS 装置涉及顺控程序，阀门较多，而该装置又涉及重点监管的危险化工工艺，存在较多的SIF 回路，这就经常会出现DCS 与SIS 均需要联锁动作同一处阀门的情况。在以往的项目中，为了节省项目投资成本，往往采用在一台阀门上设置两个电磁阀的方式，其中一个电磁阀执行DCS 指令，另一个电磁阀执行SIS 指令。然而，随着国家对化工安全的重视，以及GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》的修订，对SIS 系统的独立性要求越来越严格，即便是SIL1回路的阀门也要求与DCS 系统分开设置。因此，在新建项目中，建议严格按照SIS与DCS 系统仪表完全独立进行设计。此举更加有利于SIS 系统的现场管理，确保SIS 系统的稳定及可靠，在项目进行SIL 验证时，亦更容易对相应的SIF 回路结构进行区分，提高SIL 验证的通过率。

4 结束语

近年来，SEBS 项目在国内得到了较大的发展，多个新建项目正在建设中。自控仪表在整个工艺流程中扮演了重要的角色，选择经济合理、安全可靠的自控方案，是确保SEBS 项目长期高效运行的重要保障。仪表的选型及设计，需要汲取项目的实践经验，不断优化提高，以项目促进仪表的发展，同时，仪表的发展、改良也将更好地服务项目。