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乙炔管道輸送的本質(zhì)安全設計

文檔作者：任懷文文檔來源：上海華誼工程有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月17日
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42 CHEM ICAL ENGINEERING DESIGN
乙炔管道輸送的本質(zhì)安全設計
任懷文 上海華誼工程有限公司 上海200235
摘要 乙炔作為原料氣的長距離輸送具有很大的危險性，輸送系統(tǒng)的本質(zhì)安全設計，確保乙炔氣體在發(fā)
生爆燃甚至爆炸時，限制對周圍環(huán)境的破壞格外重要。本文參照了國內(nèi)外相關規(guī)范，闡述了DN900、輸送距離
3．5公里的乙炔輸送管道的安全設計，對類似設計有較好的參考作用。
關鍵詞 乙炔輸送管道本質(zhì)安全
乙炔是易燃易爆的甲類危險氣體，爆炸范圍
極大，為2．19％ 一82％ (V)，與空氣混合易形成
爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。
能與銅、銀、汞等金屬及其合金生成爆炸性的炔
化物。因此儲存和輸送乙炔需要格外小心，乙炔
的儲存通常溶解在溶劑并儲藏在鋼瓶中。目前乙
炔的流速通常參考“乙炔站設計規(guī)范”，取小于
8m／s，但該規(guī)范僅適用于乙炔站內(nèi)的少量乙炔氣
輸送，對于乙炔作為原料氣采用大直徑管道的長
距離輸送缺少指導意義。
乙炔原料氣的長距離輸送設計案例不多，德
國從Burghausen的Marathon煉油廠到Gendorf的赫
斯特工廠的8kin長的乙炔管線，管子直徑300mm。
操作壓力分別為：進口2bar，出口1．5bar，但是管
道的設計壓力為100bar；重慶MDI項目中乙炔原
料氣的輸送限制管徑DN450，低壓輸送，采用
BASF公司的實踐經(jīng)驗(Reasonable Practices)。上
海華誼工程公司也設計過DN600的乙炔氣輸送管
道，輸送距離小于1km，操作條件類似，目前安全
運行。盡管如此，乙炔氣的大量輸送并未形成統(tǒng)
一的標準。本文在參考國內(nèi)外相關規(guī)范的基礎上
對青海某項目的乙炔輸送管道的本質(zhì)安全設計進
行闡述和說明。
該項目乙炔發(fā)生裝置和VCM裝置分別位于東
西兩區(qū)，清潔后的乙炔原料氣需要從東區(qū)輸送到
西區(qū)，管線穿越山地，地形復雜，且山體易滑坡，
輸送距離約3．5kin，在線路設計上要避開居民區(qū)。
如此長距離的輸送在國內(nèi)尚屬首次，系統(tǒng)的安全
設計尤其重要。
1 乙炔的爆炸性能
乙炔采用管道輸送的危險性必須考慮兩個重
要的因素，爆燃(deflagration)和爆轟(detona—
tion)。
爆燃是指火焰在非燃燒乙炔氣體中以低于音
速傳播的狀態(tài)。由于傳播速率不斷變化、增大，
有時會導致爆炸。初始壓力在1～5bar時，固定體
量的乙炔在爆燃形成的壓力通常是初始壓力的
11．5～11．9倍。一般情況下輸送乙炔應選用較小
的管徑和較低的輸送壓力，較為安全。
爆轟是指火焰在非燃燒氣體中以超過音速傳
播的狀態(tài)，通常傳播速率達到幾倍音速甚至每秒
數(shù)千英尺。與爆燃不同的是，爆燃發(fā)生時非燃燒
氣體和燃燒氣體的壓力是同時升高的；而爆轟發(fā)
生時，燃燒氣體和非燃燒氣體之間產(chǎn)生急劇的壓
力變化。
有時很難區(qū)分輸送管道內(nèi)發(fā)生了爆燃還是爆
轟，這與管道的直徑、操作壓力、輸送管道的長
度等都有關系，有時爆燃會發(fā)展成爆轟，有時爆
燃和爆轟同時存在。
2 乙炔輸送的工作范圍劃分
本輸送管道的設計需考慮滿足項目二期的輸
送要求。根據(jù)IGC規(guī)范，乙炔氣體的輸送壓力越
低、管徑越小，管道輸送的安全性越高；乙炔中
壓輸送的壓力范圍定位為0．2～1．5bar(c)。根據(jù)
《乙炔站設計規(guī)范》，乙炔氣體的管道流速控制<
8m／s。輸送壓力取決于接收端(VCM裝置)的壓
力和管線的壓降，接收端的最低壓力要求0．68bar
任懷文：工程師。1996年畢業(yè)于天津大學化學工程專業(yè)獲碩士學位。聯(lián)系電話：(021)64705888—8461，
E—mail：renhw@ hyec．corn。
啼
～安v，n ， 保環(huán)一
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任懷文 乙炔管道輸送的本質(zhì)安全設計 43
(G)，通過建立模型和迭代，東區(qū)乙炔的供應壓力
應為1．24bar(G)，管徑為DN900。管徑放大雖然
能降低流速，同時也增大了爆炸的威力和危險陛。
針對乙炔分解產(chǎn)生的危險性，IGC規(guī)范可將工
作范圍劃分為三部分，見圖1。
0
e
· =
邕
曹
烈
管ifi互徑(ram)
圖1 Sargent定義的工作范圍
工作范圍I：乙炔分解危害較輕。
工作范圍Ⅱ：在點火狀態(tài)下，可能發(fā)生乙炔
分解形成爆燃。
工作范圍Ⅲ：在點火狀態(tài)下，乙炔分解形成
爆燃，如果管線足夠長可能演變成爆轟。
本項目乙炔管線屬于“工作范圍Ⅲ”。
3 設計中的標準規(guī)范
系統(tǒng)設計主要參考了如下規(guī)范：
《Code of Practice for Acetylene)IGC Doc 123／
04／E(簡稱IGC規(guī)范)
《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB50251
《乙炔站設計規(guī)范》GB 50031—91
《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)定》GB
50058——92
《石油化工企業(yè)可燃氣體和有毒氣體檢測報警
設計規(guī)范》GB 50493—2009
CGA一1．2—2006《ACETYLENE METERING
AND PIPING) Third Edition(簡稱CGA規(guī)范)
4 工藝系統(tǒng)設計
4．1 工藝流程
乙炔輸送管道采用埋地方案，埋深在凍土層
以下，東區(qū)、西區(qū)進出裝置處分別設濕式阻火器，
三處低點分別設置凝液罐收集凝液。凝液返回工
藝裝置或采用措施處理，不能直接排人下水道。
具體流程見圖2。
圖2 乙炔管道輸送流程
本項目中乙炔的最大操作壓力<1．5bar(G)，
屬于中壓乙炔輸送，通過提高乙炔管線和設備的
設計壓力，防止乙炔發(fā)生爆燃、爆轟所造成的
危害。
4．2 填料塔型濕式阻火器系統(tǒng)
在長輸管線兩端設置濕式阻火器可阻止乙炔在
管線內(nèi)爆炸產(chǎn)生的能量向裝置傳遞。在管線人口
(增壓機出口)和出口(進VCM裝置處)，采用填
料型濕式阻火器。噴淋水循環(huán)的設計應避免空氣經(jīng)
泵軸封進入系統(tǒng)；補充水系統(tǒng)要避免空氣的帶人；
人口端濕式阻火器多余的排放水排至氣柜密封水；
出口端的排放水與VCM凝水一起排放處理。
整個系統(tǒng)采用電伴熱，溫度不超過45cC。
CGA規(guī)范建議填料塔阻火器的設計壓力采用
75psig，本系統(tǒng)的設計中采用17．71bar(G)，做到
與乙炔裝置一致。由于乙炔裝置是按照爆燃確定
設備的設計壓力，取值偏低，建議新的設計按照
管線設計壓力統(tǒng)一考慮。
按照CGA規(guī)范，阻火器的頂部安裝爆破片尺寸
不應小于人口管徑，一期的入口管徑為DN700，因
此爆破片管徑取DN700。爆破片的設定壓力取
2．0bar(G) (CGA建議最大爆破壓力為30psig)。
在設計中應使爆破片的泄放方向遠離裝置，以免爆
炸和碎片對裝置造成影響。典型的濕式阻火器見
圖3
除洙段
拉兩環(huán)
填料段
拉西環(huán)
乙炔入口
工藝水m訂
乙炔出口
入rJ
圖3 典型的濕式阻火器結構
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CHEMICAL ENGINEERD G DESIGN
關鍵設計參數(shù)：
空塔氣速：2ft／s(0．61m／s)
噴淋密度：8～20cuft／h(0．2275一O．566m ／h)
填料為1”拉西環(huán)，填料層高度>1．2m，通常
取2m；除沫段填料層高度通常取1m。
塔徑不小于散堆填料的直徑的l5倍。通常采
用拉西環(huán)可滿足要求。
濕式阻火器不僅起到阻火的作用，而且增加
了氣體的濕度。規(guī)范中對于乙炔氣的研究通?；?
于干乙炔輸送，濕乙炔氣輸送的安全性比干乙炔
氣有很大的提高。由于管線存在低點，必須設置
安全的凝液疏水系統(tǒng)，確保排放安全。
4．3 排凝系統(tǒng)設計和安全因素
由于采用濕飽和氣輸送，根據(jù)輸送線路地形
變化，線路低點的安全排凝設計也是保證系統(tǒng)本
質(zhì)安全的一部分。
工藝系統(tǒng)需要根據(jù)線路專業(yè)的規(guī)劃，從縱斷
面圖中確定管線中的低點，低點均需要分別進行
排凝。該輸送管道在東區(qū)、西區(qū)出裝置處以及中
部山區(qū)共有三處低點，廠區(qū)內(nèi)的排凝與中部的排
凝略有不同。各排凝罐均考慮電伴熱。溫度不超
過45~C。
排凝的設計基礎是建立模型，假設管線冷卻
的最低溫度，確定冷凝量和罐體的尺寸。當系統(tǒng)
中存在多個低點時，可將總冷凝量作為確定每個
罐體尺寸的基礎，量比較大時，還需要具體分析。
本文采用排凝罐排凝的方式主要針對本項目
中采用埋地輸送方案而確定，如果采用架空管道，
低點排凝可以采用其它方式。排凝罐的設計壓力
取17．71bar(G)，與阻火器一致。在新的設計中
建議該設備的設計壓力與管線設計壓力統(tǒng)一考慮。
排凝罐與乙炔輸送管線之間的液體管線和平衡管
線采用優(yōu)質(zhì)20#碳素鋼(GB 9948)無縫鋼管，閥
門選用旋塞閥和截止閥。
4．3．1 廠區(qū)內(nèi)排凝
排凝罐位于乙炔管線最低點以下，凝液靠重
力流進排凝罐，頂部設平衡管。罐的操作容積按
照8h設計。罐上考慮低點排液、高點放空、氮氣
軟管接頭，但是其中的切斷閥必須是LC，靠近地
坑設置氮氣的軟管站接頭。設置自動控制低、高
液位開關和高液位報警裝置，當?shù)鸵何粫r關閉泵、
高液位時開啟泵。
排凝罐的重要安全措施是設置爆破片，擴散
管需引至安全位置。爆破片僅考慮乙炔輸送管線
超壓時保護罐體設備的作用，尺寸不小于排液管
和平衡管的截面之和。爆破片的直徑取DN150，設
定壓力取2bar(G)。為防止空氣侵人該系統(tǒng)，設
計時采用雙爆破片中間加壓力報警檢測以監(jiān)控泄
漏。由于連接氮氣系統(tǒng)，排凝罐的設計壓力應滿
足氮氣吹掃的設計條件。
地坑上設置蓋板或防雨棚。由于地坑較深，
周圍應設置防護圍欄，以免不測。地坑內(nèi)將設置
可燃氣體報警儀。
系統(tǒng)的所有儀表采用本安或隔爆型。
排出的凝液首先考慮由乙炔裝置或VCM裝置
回用，否則排人石灰池處理。根據(jù)規(guī)范，不能隨
便排人污水或下水系統(tǒng)。
4．3．2 山區(qū)中低點排凝
廠區(qū)外部的管理狀況和廠區(qū)內(nèi)有很大不同，
因此排凝設計與廠區(qū)內(nèi)不同。首先在地坑上不設
置蓋板，而應設置廠房，廠房內(nèi)采用蒸汽取暖和
強制通風，設置可燃氣體報警儀；廠房房頂采用
可泄爆的輕型屋頂，房問內(nèi)設置手提式干粉滅火
器(不可采用CO：滅火器)。其次廠房四周5m設
置封閉性圍墻和大門，并在外部設置警示性標志，
防止閑雜人員進入。
中部排凝罐操作容積考慮12h排凝量。如果距
離近可采用離心泵將凝液送回裝置。本項目由于
距離限制，凝液采用了就地自然蒸發(fā)處理。操作
壓力滿足要求，就地處理可以省去離心泵。為避
免因爆破片泄漏帶來危險，排凝罐上采用串聯(lián)爆
破片，爆破片之問采用壓力報警檢測，非事故爆
破時報警。其他設置與廠區(qū)排凝罐設置類似。
由于距離原因，不考慮氮氣引人該廠房，僅
在檢修時提供氮氣鋼瓶用于凝液罐的吹掃和置換。
5 線路設計條件和材質(zhì)
任何情況下，銅、銀、汞及其合金都盡量避
免用在乙炔的輸送系統(tǒng)中，即使采用銅合金，銅
的含量也不能超過65％ ，并且有足夠的實踐證明
是安全的方可使用。材質(zhì)的選擇應滿足最新版的
ANSI、ASTM、ASME、API等組織的規(guī)范中的規(guī)
定。材質(zhì)的強度應能承受系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生分解爆炸時
產(chǎn)生的最大壓力。CGA規(guī)范中列舉了在不同的工
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況下選用A53、A106、AI97、A181等例證。
所有的壓力管道都應遵守ASMEB31．3規(guī)范進
行設計。
乙炔輸送管線的材料和壁厚選擇應能夠滿足
系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生爆炸分解所產(chǎn)生的最大壓力，即發(fā)生
爆炸時管道不會破壞的原則。本項目線路的操作
壓力Pw取1．5bar(G)，按照IGC規(guī)范11．4條，
計算壓力P(dimentioning pressure)按照如下公式
計算：
P=20 (Pw+1) 一1
P=20 (1．5+1) 一1= 49bar
本項目取P為60bar。
根據(jù)天然氣長輸管道輸送的實踐經(jīng)驗，管道
材質(zhì)采用直縫埋弧焊鋼管，執(zhí)行《石油天然氣工
業(yè)輸送鋼管交貨技術條件第二部分B級鋼管》
GB／T 971 1．2。此焊縫質(zhì)量可靠性強，鋼管的強度
和韌性好，便于加工彎管。
鋼種等級選擇：一般管道運行壓力越高，所
用的管材等級越高，雖然本工程乙炔管線的運行
操作壓力只有1．5bar(G)，但由于其輸送物料性
質(zhì)的危險眭，管道的計算壓力取60bar。該中壓管
道在設計溫度為常溫的條件下，考慮經(jīng)濟性和管
材焊接性能要求，本工程選用L360M等級的鋼管。
壁厚計算如下：
e=PDe／ (2of+P)
式中，e為最小壁厚，mm；P為計算壓力，bar；
De為管線外徑，mm，取914mm；f為材料的屈服
極限，N／mm 。
經(jīng)計算并圓整后，壁厚選取12．7mm。
試驗壓力的選?。?
管線位于Ⅲ區(qū)，按照規(guī)范：
P。 = 20Pw
本項目為了保證管線系統(tǒng)的本質(zhì)安全，計算
壓力和試驗壓力均取60bar。其中也參考了某知名
國際公司的Reasonable Practice(RP)。根據(jù)《壓
力容器壓力管道設計許可規(guī)則》TSGR1001—2008，
該乙炔輸送管道屬于輸送工藝介質(zhì)的工業(yè)管道，
為GC1類。
為了保證管道施工的強度和焊接質(zhì)量，必須
進行強度試驗和嚴密性試驗。強度試驗為計算壓
力即60bar(G)，嚴密性試驗壓力確定為lObar
(G)。
對于管線焊接、防腐、穿跨越工程、不良地
質(zhì)防護處理、陰極保護、其他線路附屬工程，可
以按照氣體長輸管道的要求進行設計。除了考慮
管道對周圍環(huán)境的影響，還應考慮減少人為破環(huán)
對管道的影響。
6 其他方面的設計
除了上述的濕式阻火器、凝水收集和排放、
材質(zhì)的選擇，該管線的本質(zhì)安全設計還包括以下
方面：
(1)根據(jù)項目和線路的特點，管道采用埋設
的方式。相對于架空方式減少人為的破壞，降低
爆炸的威力，在寒冷地區(qū)凍土層以下對管道也是
一種保護。
(2)設置可靠的陰極保護措施；設置可靠的
防腐措施，管道在投入運行前應考慮充分除銹，
避免鐵銹引起乙炔聚合、分解爆炸。
(3)保證線路整體的安全性。在管線的兩端
應設置快速切斷閥、爆破片和相應的擴散管。阻
火器的設計既要滿足阻火的要求、同時滿足低壓
降的要求；快速切斷閥可遠程控制操作。實時監(jiān)
控入口端和出口端的壓力波動。
(4)為避免因爆破片在破裂或泄漏工況下乙
炔大量外泄以及空氣進入乙炔管線，爆破片采用
串聯(lián)爆破片，爆破片之問采用壓力報警檢測，非
事故破裂時報警。
(5)根據(jù)相關的規(guī)范，管道盡量采用大直徑
的彎頭(5倍以上)，避免死角，減少爆炸產(chǎn)生的
巨大反射應力對管件的破壞。
(6)由于乙炔的危險性，必須建立嚴格的安
全操作規(guī)程，如對排凝罐或管道采用氮氣置換時
應充分做好安全防護，嚴格按照“受限空間進入”
的規(guī)定來規(guī)范人員的操作，防止發(fā)生人員窒息。
7 結語
本項目在參考IGC、CGA和國內(nèi)相關規(guī)范的基
礎上，對乙炔輸送管道進行了嚴格的本質(zhì)安全設
計，保證運行安全，避免事故的發(fā)生。該項目經(jīng)
過多次評審，認為乙炔輸送管道設計是安全和可
靠的。目前該項目尚處在試車階段。
(收稿日期：2014—04—11)

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