“天然氣電加熱器”殼體鼓包、破裂原因及處理論述

胡濤

在除去“天然氣”中水分的“分子篩系統(tǒng)”中，用“電加熱器”加熱“天然氣”的方式，我們已有幾次成功的案例。但我公司北方某建設(shè)項目所采購的一臺“天然氣電加熱器”今年年初在系統(tǒng)投料試車不久卻發(fā)生了“電加熱器”殼體靠近出氣口處鼓包、破裂的情況，因發(fā)現(xiàn)及時幸未造成重大事故。如圖：“天然氣電加熱器”結(jié)構(gòu)簡圖及事故圖片。

一、事故調(diào)查

1.事故現(xiàn)象

1.1“電加熱器”殼體靠近出氣口一邊，筒體的上部產(chǎn)生一個大鼓包，鼓包頂端有一長4cm沿筒體縱向裂口，裂口四周鋼材炭化痕跡明顯。

1.2鼓包、裂口處離出氣口接管距離仍較遠(yuǎn)，且無縱、環(huán)焊縫（筒體縱縫在側(cè)面，與其成90°）。

1.3抽出“電加熱芯子”發(fā)現(xiàn)有大量炭黑類粉末，芯子上部比下部多。經(jīng)檢查“不銹鋼電加熱棒組”無損傷。

1.4距出氣口最近一塊“折流板”上部有發(fā)白現(xiàn)象。

2.設(shè)計核查

根據(jù)“電加熱器”廠家提供的技術(shù)資料及設(shè)計圖摘錄：

2.1“電加熱器”設(shè)計參數(shù)

2.2“電加熱器”殼體的設(shè)計技術(shù)特性參數(shù)

從使用工況來看，該“電加熱器”殼體已屬“固容規(guī)”管轄范疇的壓力容器，需按“固容規(guī)”及“GB150-”等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計、制造及監(jiān)檢。經(jīng)查該“電加熱器”殼體的選材，壁厚（名義厚度：8mm）確定3.操作核查

3.1事故發(fā)生時系統(tǒng)操作壓力為1.9MPa，“電加熱器”出口K2點設(shè)定控制溫度為300℃。

3.2經(jīng)查事故時工藝管路系統(tǒng)疏通、無堵塞發(fā)生。

3.3事故后系統(tǒng)中“再生循環(huán)壓縮機”仍運行，以及由“升溫曲線”判定“電加熱器”不存在干燒可能。

從上述調(diào)查情況來看，事故發(fā)生時溫度設(shè)定、操作壓力均未超出“電加熱器”的設(shè)計參數(shù)要求。那么造成本次事故的原因是什么呢？下面我們進(jìn)行分析：

二、事故原因分析

1.設(shè)計結(jié)構(gòu)

“電加熱器”殼體內(nèi)部設(shè)有4塊“折流板”，其作用是支撐電加熱棒，另外也減小“天然氣”流速，讓“天然氣”充分加熱，但折流板間隙與殼體間隙很小（約3mm）且在缺口向下“折流板”的最高處均未開設(shè)適當(dāng)?shù)腣型通氣口，所以造成在缺口向下“折流板”的上部與筒體夾角處（也即是鼓包位置）氣體流動較慢，甚至形成“死氣”。這部分氣體的溫度始終高于其他區(qū)域的氣體，從而使殼體局部出現(xiàn)超溫問題。

從“電加熱芯子”上發(fā)現(xiàn)有大量炭黑類粉末就說明溫度已超高（“天然氣”無氧熱裂炭黑的最低溫度在500℃左右），上部粉末比下部多說明上部溫度高于下部溫度。距“出氣口”最近一塊“折流板”上部有發(fā)白現(xiàn)象也說明有嚴(yán)重的局部超溫現(xiàn)象。

2.加熱控制

“電加熱器”上設(shè)有兩個測溫點，（見“電加熱器結(jié)構(gòu)簡圖”）一是在進(jìn)氣口K1點，測量進(jìn)入“電加熱器”的“天然氣”的溫度。另一個是在出氣口K2點，測量加熱后“天然氣”的輸出溫度。K2點也作為控制點，當(dāng)輸出“天然氣”的溫度低于“設(shè)定值”時，“電加熱棒組”自動加大負(fù)荷升溫；當(dāng)輸出“天然氣”的溫度高于“設(shè)定值”時，“電加熱棒組”自動減小負(fù)荷降溫。這樣的控制無法解決“電加熱器”殼體上局部超溫的問題。

3.檢測推論

3.1按原設(shè)計從新制作一件“電加熱器殼體”套上原“電加熱棒組”，安裝在系統(tǒng)中。鑒于安全，將K2出口控制溫度設(shè)定為220℃，其它條件照原試車時不變投料運行。并在“電加熱器”殼體上部選擇三點，（見“電加熱器結(jié)構(gòu)簡圖”）其中“殼體測溫點3”即為上次鼓包裂口處。用“遠(yuǎn)紅外線測溫槍”分時段測量三點的溫度，

記錄的數(shù)據(jù)是在進(jìn)口K1點溫度最低與最高時的典型數(shù)據(jù)，隨時間延續(xù)其循環(huán)往復(fù)數(shù)據(jù)變動基本一樣。

從記錄可以看出：

3.1.1在K2出口控制溫度設(shè)定為220℃時，當(dāng)進(jìn)口溫度（K1點溫度30℃左右）最低時，電加熱器運行的負(fù)荷最大，殼體“測溫點3”的溫度最高（已經(jīng)超過設(shè)計溫度），而此時氣流量卻相對減小，所以此時應(yīng)為最差工況。

3.1.2在同一進(jìn)口K1點溫度（即同一進(jìn)氣溫度）時，出口K2點溫度與殼體“測溫點3”的溫度近似成正比例。

將記錄表中工況最差的（即時間13：00點與16：00點）兩組相關(guān)數(shù)據(jù)取平均值：

由此我們可以推導(dǎo)出“出口K2點”控制溫度設(shè)定為300℃時，殼體“測溫點3”的近似溫度為：

——（式1-1）

這個溫度已經(jīng)超過Q345R在GB150.2-2011中規(guī)定的475℃的使用上限。

3.3用GB150.3-2011公式3-1計算在“事故壓力P=1.9MPa”，金屬溫度為400℃與475℃時本電加熱器殼體所需Q345R鋼板的壁厚：

3.3.1當(dāng)溫度t=400℃時

3.3.2當(dāng)溫度t=475℃時

由上述計算可以得知：在工作壓力P=1.9 MPa，出口K2點控制溫度設(shè)定為220℃時，殼體局部金屬溫度最高達(dá)到367℃左右，殼體厚度8mm也能滿足強度的需要。但當(dāng)出口K2點控制溫度設(shè)定為300℃時，殼體金屬局部溫度最高達(dá)到480℃左右時，則8mm殼體厚度不能滿足強度的需要。

3.4由設(shè)計壓力、有效厚度反推滿足強度的殼體金屬的最高溫度

有效厚度：

設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：

結(jié)合GB150.2-2011表2，用插值法可以算出許用應(yīng)力的Q345R鋼板所對應(yīng)的溫度為419.4℃。

由此可見“電加熱器”在設(shè)計年限，設(shè)計壓力內(nèi)最高溫度達(dá)到419℃，其殼體也不會出現(xiàn)“本次事故”這樣的鼓包、破裂現(xiàn)象。當(dāng)然由于沒有考慮開孔削弱等情況，以及Q345R在此溫度下已接近蠕變溫度所以不能以此作為該“電加熱器殼體”允許使用的最高溫度，但可作為該“電加熱器殼體”在類似“測溫點3”這樣的局部區(qū)域可以“短時”的達(dá)到的溫度。

三、分析結(jié)論

綜上所述：“電加熱器”在選材可靠、強度計算正確、制造監(jiān)檢合格，且操作符合規(guī)范的情況下，其遠(yuǎn)離開孔、焊縫等局部高應(yīng)力區(qū)的筒體上表面出現(xiàn)局部較大塑性變形（鼓包），直至破裂成魚形裂口的主要原因是：“電加熱器”裝置溫度控制設(shè)置與內(nèi)件“折流板”結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，從而造成金屬材料局部溫升過高，金屬材料強度性能變化，在低于設(shè)計壓力的情況下金屬材料也發(fā)生了“延性斷裂”所致。

四、整改方案

1.根據(jù)事故分析結(jié)論，改進(jìn)“電加熱器”裝置溫度控制設(shè)置是解決問題的主要方法。

1.1將“出口K2點”控制溫度設(shè)為240℃：

參照前面（式1-1）推導(dǎo)設(shè)備殼體在“測溫點3”（即最高局部溫度）的溫度為X1：

此溫度遠(yuǎn)低于前面“第二、（三）、4款”推算得出的金屬可以短時到達(dá)最高溫度419℃，所以，“出口K2點”控制溫度設(shè)為240℃可行。

1.2在“測溫點3”與“測溫點2”增設(shè)溫度控制點（見“電加熱器結(jié)構(gòu)簡圖”1）、將“測溫點3”增設(shè)溫控點的控制溫度設(shè)為390℃。

2）、將“測溫點2”增設(shè)溫控點的控制溫度設(shè)為350℃。（當(dāng)“出口K2點”控制溫度設(shè)為240℃時，參照前面“式1-1推導(dǎo)此點的溫度僅為338℃。所以此處按“電加熱器”的設(shè)計溫度設(shè)定。）

二個增設(shè)的溫控點與“出口K2點”控制溫度均與“電加熱器”的負(fù)荷形成聯(lián)動，每一個點超溫，“電加熱器”則自動降負(fù)荷。三個點降溫30℃，則“電加熱器”自動升負(fù)荷。

1.3在進(jìn)氣口設(shè)置流量控制點，并與溫度控制連鎖，保證“電加熱器”裝置在任何溫度情況下氣流量穩(wěn)定。避免裝置在高溫時，氣流量反而減小，溫度不能迅速帶走的情況。

2.在缺口向下“折流板”上開設(shè)適當(dāng)?shù)耐饪冢?/p>

在靠近“出氣口”的最近的一塊“折流板”上端開設(shè)一個深15mm的直角缺口，增加原局部溫度最高處的氣流循環(huán)，避免形成“死氣”造成超溫同時也不會影響“天然氣”的加熱效果。

上述整改后，經(jīng)過二個多月的試運行目前“電加熱器”裝置在整個系統(tǒng)中運行正常，平穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)

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