SEBS彈性體裝置的儀表選型設計

華霄峰，周 路

（中國化學賽鼎寧波工程有限公司，浙江寧波 315040）

SEBS 熱塑性橡膠具有優異的耐老化性能，既具有可塑性又具有高彈性，可廣泛應用于生產高檔汽車、醫療器械、玩具、電線電纜等[1]。由于SEBS 熱塑性橡膠相對傳統的橡膠產品具備更優異的性能，其在業界享有“黃金橡膠”的美譽。SEBS 橡膠的主要生產流程為：以丁二烯、苯乙烯為原料，環己烷為溶劑，在助劑作用下，通過陰離子聚合反應首先制得SBS基礎膠，后經過加氫反應得到SEBS 膠液。SEBS 膠液經過汽提系統分離出溶劑得到SEBS 膠粒水，最后經過后處理干燥、研磨得到SEBS 成品細料后進行包裝儲存。在該工藝流程過程中，涉及了易發生自聚的物料、高粘度物料及臨氫工況等苛刻工藝條件，對現場儀表的選型及設計提出了挑戰。

1 工藝特點

反應原料丁二烯、苯乙烯容易發生自聚。自聚產生的主要原因有：溫度升高促使物料發生二聚反應；物料中摻入了氧，同時介質中混雜了鐵銹及水使得物料發生自聚反應[2]。自聚物會沉積于管路系統的死角處，造成設備、管路的堵塞，影響儀表的測量。同時，自聚物性質極不穩定，受撞擊或急劇受熱時，會迅速分解自燃引起爆炸，危害性較大。

SEBS 裝置反應產生的膠液在熱水中呈現懸浮狀態，粘度為幾百MPa·s，而當溫度降低時，膠液黏度將會迅速上升至幾千MPa·s，若管道系統流動性較差將會導致物料凝滯堵塞，影響儀表的測量。

該工藝裝置使用環己烷作為溶劑，且環己烷存在于大部分流程階段中，而純環己烷的熔點為6.5℃。在冬季較冷月，尤其是北方地區的項目，該物料的測量管路系統極有可能發生凍堵現象。

2 流程特點

鑒于SEBS 原料易聚的特性，要求在涉及易聚物料的工藝流程中盡量避免產生死區，如盡量減小管道支路長度，避免出現過長的非流動區段，避免設置過小的測量支管等。對苯乙烯、丁二烯管線需要做好保冷絕熱防護，避免溫度過高。

生產流程涉及順控程序，開關閥較多。流程中多采用定值控制、比值控制、兩位式調節及串級調節等復雜調節。

生產過程使用到了引發劑正丁基鋰，該物質遇水劇烈反應，一旦泄漏與空氣接觸即引起自燃，危險性較大，因此引發劑的測量方案應盡量保證整個工藝系統為封閉系統，確保無泄漏。

生產SEBS 的過程涉及加氫反應，該反應屬于重點監管的危險化工工藝，危險性較大。對于臨氫工況，應注意防止氫氣泄漏及氫滲透現象的發生。

另外，SBS 聚合反應要求原材料加料的質量保持穩定的比例，否則將影響聚合效率及產品質量。

3 儀表選型

3.1 易聚工況儀表設計

對于易自聚的苯乙烯、丁二烯物料，流量測量儀表應首選管道式，如渦街流量計、質量流量計。或者采用隔膜密封式差壓流量測量，如楔式流量計帶隔膜密封式差壓流量變送器，而不能選用標準孔板帶引壓管測量的方式。又因其不具備導電性，亦不能選用電磁流量計進行流量測量。

液位測量亦需避免選用引出式安裝的普通差壓液位變送器，而應選擇隔膜密封式差壓液位變送器，且法蘭一般需選擇DN50及以上規格，不宜過小。對根部閥位置，宜參照工藝設備的絕熱要求，做好相應的保冷絕熱防護。對于原料純度較高的工段，如丁二烯、苯乙烯精制工段，可以選用插入式隔離膜片，進一步杜絕測量死區的出現。對于就地液位的測量，通常只能選用磁翻板液位計，難以避免死區的出現。對此，一方面可以做好液位計測量筒體的絕熱防護；另一方面，業主應制定相應的保養維護規程，按時對儀表進行清洗維護。

壓力測量儀表的選型可參照液位儀表，選擇隔膜密封式的壓力變送器。需要注意的是，對于氣相中含有苯乙烯、丁二烯的工況，亦需選擇隔膜密封式儀表，避免氣相物料進入測量管路中冷凝沉積進而發生自聚，堵塞測量系統。

在開關閥的選用中，對于易聚的苯乙烯、丁二烯，宜選用旋塞式閥門，謹慎選用球閥。因球閥在開、關的過程中，會有部分物料遺留在閥體與球芯的間隙中，有可能會引發物料自聚而使閥門卡死。

綜上，對易聚工況儀表的設計，應盡量避免測量系統中出現死區；避免局部的溫升加劇自聚反應的發生；需制定相應的維護措施，及時清除自聚物；制定相應的應急預案，當發生自聚影響儀表測量或阻礙閥門動作時，應及時啟動應急預案，排除以上危險因素。

3.2 臨氫工況儀表設計

SEBS 生產過程中需經過加氫反應，氫氣純度、壓力均較高，在壓力儀表選型時應注意防止氫滲透。氫滲透現象的產生是由于在高溫高壓工況下，氫分子相互碰撞分裂為氫離子，而氫離子體積較小可穿透金屬膜片的晶格，進入隔離硅油中，進入硅油內的氫離子重組為氫分子，長期積累可導致膜片膨脹甚至開裂。氫滲透的發生將導致壓力測量出現偏差，影響過程控制的精度，嚴重者可造成儀表的損壞，影響到安全儀表系統聯鎖動作的執行等。

目前，在儀表選型中，防止氫滲透的方法主要有以下兩種。

（1）膜片基材選用晶格致密的奧氏體不銹鋼，如316不銹鋼。

（2）對于臨氫工況，通常當溫度大于180℃或者壓力大于2 MPa 時[3]，可選用鍍金的壓力變送器膜片[4]。而在儀表安裝設計中，可采用以下方式避免或減少氫滲透的發生。①對于氫氣測量，變送器引壓口朝下安裝，避免濕氣體在膜片上聚積；②當氫氣溫度較高時，可適當延長引壓管線，降低過程溫度；③給壓力變送器表體增設遮陽罩或保護箱，避免變送器本體處于高溫環境。

對于氫氣的流量測量，以往項目中通常采用經濟實用的孔板流量計。而SEBS 加氫釜氫氣進料采用分段程控的方式，氫氣的流量范圍度要求達到50 ∶1，而標準孔板測量范圍度僅為3 ∶1，無法滿足該工況的測量要求。質量流量計的最大量程比可達100 ∶1，能夠滿足此處測量范圍度的要求，且經計算能達到一定的控制精度。

SEBS 工藝流程不涉及高溫高壓工況，工藝管道通常采用RF 法蘭面進行連接。但對于氫氣管道及設備，如設計壓力大于2.5 MPa（GB 50117—2005，12.0.4），應按規范或項目管道等級表的要求，選用凹凸面的法蘭，以確保更好的密封性。儀表設備宜選用凹面法蘭，以免儀表在運輸過程中發生磕碰，損壞法蘭密封面影響密封效果。設計過程中，應注意與設備及管道法蘭面的匹配。

3.3 閥門選型設計

在化工項目中，對于溫度、壓力不大且無磨損的工況，通常可以選用軟密封的開關球閥，軟密封閥門通過壓緊閥門密封面的四氟密封圈進行密封切斷，即便球芯未經過高精度的機加工亦可使閥門達到零泄漏的要求。因此，對于同樣為ANSI VI 級密封的球閥，軟密封的球閥相比硬密封的球閥價格要低得多。因此，在化工項目中，軟密封球閥被廣泛使用。但在SEBS裝置中，需要注意的是，對于膠液及丁二烯介質，由于軟密封閥門使用一段時間后，四氟材質的密封圈會出現溶脹現象，容易產生變形或脫落，進而影響到開關閥的密封效果，在選型時應予以避免。溶脹是高分子材料特有的現象，其原因在于溶劑分子與高分子尺寸相差懸殊，分子運動速度相差很大，溶劑分子擴散速度較快，而高分子向溶劑中的擴散緩慢。因此，高分子溶解時首先是溶劑分子滲透進入高分子材料內部，使其體積增大，即產生溶脹現象。在膠液及丁二烯介質中，建議選用硬密封切斷閥，同時，為避免閥門出現外漏，填料材質宜選用柔性石墨。

SEBS 裝置所涉及的物料多為易燃易爆介質，對關鍵部位的閥門，工藝專業會要求選用防火閥。對于有防火要求的閥門，通常，軟密封球閥要求能夠滿足API-607的耐火測試標準。而對于硬密封的角行程或直行程閥門，應滿足API-6 FA 的耐火測試標準。

SEBS 裝置涉及加氫反應，由于氫氣分子體積較小，在閥門選型時需要特別注意氫氣的外泄。對于常用的單座調節閥，通常需要選用波紋管密封的形式。波紋管密封單座調節閥是一種頂部導向結構的調節閥，波紋管一般采用滾焊或氬弧焊與閥蓋上的凸緣或其他零件連接在一起，可徹底消除工藝介質從閥桿運動間隙向外泄漏的可能性，這是波紋管密封閥的顯著特點之一。由于波紋管元件本身變形性和卓越的抗老化性，這種調節閥完全克服了填料密封閥門通常存在的填料老化和溫差敏感等弱點。其次，亦可采用波紋管與填料雙重密封結構，安全可靠性更好。而對于角行程的開關球閥，因無法采用波紋管密封形式，在工程應用中可以通過選用雙層填料或者特殊填料結構的方式，以達到比普通單層填料閥門更好的防外漏密封性能。

3.4 儀表形式設計

即便對于相同的工藝裝置，如果項目所在地不同，氣候、地質差異較大，也會對儀表的類型或形式選擇產生較大的影響。

例如氣候條件，需要關注項目所在地最冷月的平均氣溫。對位于北方的項目，最冷月的平均氣溫通常可達到零度。為了減少項目中儀表保溫伴熱的數量，同時也為了減少運營階段儀表的維護保養工作量。在壓力及液位儀表選型時，通常對于液態且熔點高于項目地最冷月平均氣溫的介質，宜優先選用隔膜密封式的儀表，避免將介質引出工藝管道系統測量。對于含工藝物料的非潔凈氣態介質，可根據安裝部位，選用短安裝形式，盡量減少介質引出長度。同時，還應關注變送器本體所能承受的最低環境溫度。當環境最低溫度低于變送器本體所能承受的溫度下限時，應對變送器本體設置保溫箱。此外，雖然選用隔膜密封式結構可以避免將物料引出，但是根部閥部位因介質不流通而形成死區，當外界環境溫度極低時，亦可能造成該部位介質的凍堵。所以，應對照介質溫度及環境溫度的情況，并結合業主以往項目的經驗，綜合考慮，對根部閥部位實施伴熱或保溫設計。

而對位于南方地區的項目，因其項目地最冷月平均氣溫往往高于大部分介質的熔點，為了節約項目投資成本，對壓力、液位儀表可以考慮采用引壓管引出安裝的方式進行測量。對含有工藝物料的氣態介質（易聚介質除外），亦可采用引壓管引壓測量，但需注意根據變送器相對取壓點的位置，按照安裝圖冊的要求進行安裝設計。

需要指出的是，SEBS 裝置使用的溶劑環己烷的熔點為6.5℃，即使南方地區，最冷月的平均氣溫通常也低于該溫度限值。對該介質，則應優先選用隔膜密封式測量儀表。

3.5 其他選型問題

SEBS 裝置的聚合反應對進料的流量控制要求較高，且要求各物料流量按照一定的比值進行投料[5]。因此物料流量測量的準確性就顯得極其重要。需要指出的是，聚合反應要求的流量比值應最終轉化為各物料的質量流量比值。在以往項目中，曾以渦街流量計測量進料的體積流量，雖然選用的流量計為主流品牌產品，測量精度亦可以達到控制要求，但由于工藝專業提供的物料密度存在誤差，導致在DCS 系統中折算得到的質量流量偏差較大，而無法完成聚合反應。因此，對于流量控制要求較高的聚合原材料的測量，應優先選用質量流量計。

SEBS 裝置選用的引發劑為正丁基鋰，該物料遇水可劇烈反應，化學性質極其活潑，因此該物料的測量方案應優先選用隔膜密封式測量部件，避免引出式測量，減少可能的漏點，保證整個工藝系統的密封性。同時，為確保工藝過程的安全，在聚合加料前，應對物料中的雜質含量進行測量。如丁二烯、苯乙烯、環己烷中的微量水分測量，以及氫氣中的氧含量、CO、CO2含量測量。

由于SEBS 裝置涉及順控程序，閥門較多，而該裝置又涉及重點監管的危險化工工藝，存在較多的SIF 回路，這就經常會出現DCS 與SIS 均需要聯鎖動作同一處閥門的情況。在以往的項目中，為了節省項目投資成本，往往采用在一臺閥門上設置兩個電磁閥的方式，其中一個電磁閥執行DCS 指令，另一個電磁閥執行SIS 指令。然而，隨著國家對化工安全的重視，以及GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統設計規范》的修訂，對SIS 系統的獨立性要求越來越嚴格，即便是SIL1回路的閥門也要求與DCS 系統分開設置。因此，在新建項目中，建議嚴格按照SIS與DCS 系統儀表完全獨立進行設計。此舉更加有利于SIS 系統的現場管理，確保SIS 系統的穩定及可靠，在項目進行SIL 驗證時，亦更容易對相應的SIF 回路結構進行區分，提高SIL 驗證的通過率。

4 結束語

近年來，SEBS 項目在國內得到了較大的發展，多個新建項目正在建設中。自控儀表在整個工藝流程中扮演了重要的角色，選擇經濟合理、安全可靠的自控方案，是確保SEBS 項目長期高效運行的重要保障。儀表的選型及設計，需要汲取項目的實踐經驗，不斷優化提高，以項目促進儀表的發展，同時，儀表的發展、改良也將更好地服務項目。