燙平機(jī)不銹鋼烘筒爆炸分析與建議

楊 君寧 江童啟邦郭 勇

（1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 成都 610065)

(2.樂(lè)山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 樂(lè)山 614000）

燙平機(jī)不銹鋼烘筒爆炸分析與建議

楊 君1寧 江2童啟邦1郭 勇1

（1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 成都 610065)

(2.樂(lè)山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 樂(lè)山 614000）

針對(duì)一起燙平機(jī)不銹鋼烘筒爆炸事故，通過(guò)對(duì)爆裂斷口形貌、事故爆炸能量、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、工藝管路布置、制造質(zhì)量、使用管理等進(jìn)行系統(tǒng)性的失效分析，研究設(shè)備失效的主要原因。從制造安裝、使用管理、定期檢驗(yàn)等方面提出了保障燙平機(jī)安全使用、防止同類事故發(fā)生的對(duì)策和建議。

焊接式烘筒 壓力沖擊破裂 冷凝水 爆沸

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)燙平機(jī)在醫(yī)院、酒店、專業(yè)洗滌、印染等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。不銹鋼焊接式烘筒因其表面光滑、易清洗、易維護(hù)、能承受內(nèi)壓、傳熱性能較好等優(yōu)點(diǎn)，成為平幅織物、紗線、無(wú)紡布等烘燥機(jī)械設(shè)備中的重要傳熱部件，受到用戶的青睞。然而，近年來(lái)燙平機(jī)爆炸事故屢有發(fā)生。本文就某織物洗滌公司一臺(tái)燙平機(jī)爆炸事故原因進(jìn)行了分析，并提出了對(duì)策和建議。

1 概述

1.1 事故概況

2011年11月17日，某企業(yè)發(fā)生燙平機(jī)爆炸事故，燙平機(jī)于上午九時(shí)左右開(kāi)始通氣，在九點(diǎn)十五分左右開(kāi)始熨燙工作的燙平機(jī)兩臺(tái)烘筒中的一臺(tái)發(fā)生爆炸，將廠房的房頂、房梁、立柱、燙平機(jī)、輸氣管道等損毀，爆炸產(chǎn)生的巨大反沖力將燙平機(jī)整體向后移位約0.5m，烘筒本體完全開(kāi)裂，爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。圖2是烘筒撕裂情況。事故造成機(jī)器周圍4名工人受傷，其中1人傷勢(shì)較嚴(yán)重。

圖1 爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)

圖2 烘筒撕裂情況

1.2 設(shè)備概況

該公司共有3臺(tái)燙平機(jī)在用，事故設(shè)備型號(hào)為TP-60，最大燙平寬度2.8m，最高設(shè)計(jì)蒸汽壓力0.58MPa，最高燙平溫度158℃，3臺(tái)燙平機(jī)布置如圖3所示。發(fā)生爆炸事故的燙平機(jī)于2008年投入使用，內(nèi)裝兩只不銹鋼焊接式烘筒，烘筒結(jié)構(gòu)如圖4所示，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，該烘筒未向特種設(shè)備安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)申請(qǐng)使用登記，操作人員無(wú)特種設(shè)備作業(yè)人員證，亦未按規(guī)定進(jìn)行定期檢驗(yàn)[1]。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)燙平機(jī)布置圖

圖4 事故烘筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 烘筒技術(shù)參數(shù)

從圖5可以看出，環(huán)向斷口發(fā)現(xiàn)僅有較薄的剪切形貌，其余部位斷口平齊，金屬光澤明顯，具有一定的脆性斷裂特征，且未發(fā)現(xiàn)陳舊性裂痕。圓周方向斷口除進(jìn)汽側(cè)封頭與筒體角焊縫發(fā)現(xiàn)一處明顯的塑性變形外，其余部位斷口較為平直。

烘筒筒體公稱壁厚僅3mm，加之縱焊縫內(nèi)表面存在制造缺陷，局部應(yīng)力水平分布不均，缺陷處受內(nèi)壓造成的應(yīng)力水平更高；封頭與筒體采用搭接結(jié)構(gòu)且封頭厚度遠(yuǎn)大于筒體，此處除承受內(nèi)壓引起的應(yīng)力外，還要平衡結(jié)構(gòu)不連續(xù)形成的復(fù)合應(yīng)力，是烘筒上應(yīng)力最大部位。從斷口的宏觀檢查結(jié)果分析，存在明顯塑性變形部位應(yīng)當(dāng)是烘筒撕裂的起始位置。斷口形貌和撕裂程度說(shuō)明烘筒不僅超壓，而且有足夠的能量在破裂瞬間釋放，烘筒的破壞具有典型的壓力沖擊破裂特征[2]。

圖5 縱向斷裂形貌

圖6 筒體縱縫缺陷

圖7 筒體與封頭環(huán)向斷裂形貌

2.2 制造與使用

事故烘筒于2008年投入使用，到發(fā)生事故，使用年限3年多。從烘筒使用功能來(lái)看，屬于換熱設(shè)備，必然存在冷熱交替；運(yùn)行狀態(tài)來(lái)看，其內(nèi)部壓力并不是出于一個(gè)恒定壓力狀態(tài)，烘筒內(nèi)部壓力受烘焙織物的量，烘焙速度、系統(tǒng)壓力供給情況等而隨時(shí)發(fā)生波動(dòng)，因此，烘筒本身長(zhǎng)期受到熱應(yīng)變作用和交變應(yīng)力作用。從圖2可以看出，烘筒斷口沿筒體縱縫有兩處明顯鼓脹，如圖6所示，事故烘筒撕裂開(kāi)后的焊縫存在先天的焊接缺陷，在坡口處未焊滿。缺陷分別存在于烘筒兩條縱向焊縫上，斷斷續(xù)續(xù)，最長(zhǎng)一處長(zhǎng)度為10mm，深度超過(guò)了0.5mm，且爆炸撕裂位置靠近烘筒縱焊縫未熔合處。從爆炸的撕裂的情況來(lái)看，并沒(méi)有從焊接缺陷處撕裂開(kāi)來(lái)，但是焊接缺陷的存在對(duì)烘筒的使用是一個(gè)巨大的安全隱患。焊接質(zhì)量的好壞直接影響到烘筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)烘筒的安全使用起到至關(guān)重要的作用。此次事故中焊接缺陷造成了局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，整個(gè)不足3mm厚的筒體長(zhǎng)期受熱應(yīng)變及循環(huán)應(yīng)力作用，成為烘筒徹底爆裂誘因之一。

2.3 爆炸能量估算

壓力容器爆炸能量以沖擊波能量、破片能量和容器殘余變形能3種形式釋放，其中后兩項(xiàng)所消耗的能量只占總釋放能量的3%～15%。沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的，超壓準(zhǔn)則認(rèn)為，只要沖擊波超壓達(dá)到一定值時(shí)，便會(huì)對(duì)目標(biāo)造成一定的傷害或破壞[2]。一定超壓的沖擊波對(duì)人體的傷害和對(duì)建筑物的破壞作用見(jiàn)表2和表3 。

表2 沖擊波超壓對(duì)人體的傷害作用[3]

表3 沖擊波超壓對(duì)建筑的破壞作用[3]

目前破裂爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓根據(jù)同能量的梯恩梯( TNT) 爆炸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按相似法則來(lái)確定[4]即TNT當(dāng)量法。

根據(jù)爆炸破壞情況，取沖擊波超壓Δp＝0.065MPa，房頂距爆點(diǎn)距離r＝3.5m，按無(wú)限空氣介質(zhì)中爆炸時(shí)，空氣沖擊波峰值超壓計(jì)算式：[5]

計(jì)算得到烘筒爆炸的TNT當(dāng)量為W＝1.4kg。一般取 1kg TNT爆炸所放出的平均爆破能量為4500kJ/kg[3]，故烘筒爆炸能量E＝4500×1.4＝6300kJ。

常用壓力下干飽和水蒸汽與飽和水爆破能量系數(shù)CS、CW見(jiàn)表4，按表壓力p＝0.5 MPa計(jì)，通過(guò)爆炸能量計(jì)算公式:

式中 :

E——總釋放能量;

ES——爆炸能量蒸汽;

EW——飽和水爆炸能量;

VS——蒸汽體積;

VW——飽和水體積;

CS——蒸汽爆炸能量系數(shù);

CW——飽和水爆炸能量系數(shù)。

通過(guò)計(jì)算得烘筒爆炸內(nèi)部聚集的飽和水體積約為0.1635m3，液面距烘筒底部的高度約為140mm，遠(yuǎn)大于熱虹吸管與烘筒底部的間距3～5mm，說(shuō)明冷凝水存量遠(yuǎn)超正常操作條件，未得到及時(shí)排放。

表4 常用壓力下CS、CW值（kJ/m3）[3]

2.4 冷凝水回收管道布置不當(dāng)造成冷凝水在烘筒聚集

烘筒開(kāi)機(jī)時(shí)先打開(kāi)疏水閥旁通管上的直放閥，小開(kāi)度打開(kāi)蒸汽進(jìn)汽閥，排空烘筒內(nèi)余水后關(guān)閉。然后開(kāi)啟電源，低速運(yùn)轉(zhuǎn)燙平機(jī)，繼續(xù)增加進(jìn)汽閥開(kāi)度加熱滾筒，待蒸汽壓力達(dá)到0.3MPa以上，方可開(kāi)始熨燙工作。

燙平機(jī)的最大蒸汽耗量為140kg/h，每只烘筒的冷凝水排管直徑為G3/4"，應(yīng)按該排管口徑配備疏水閥。然而，實(shí)際使用的疏水閥的出口管管徑為G3/4"，兩只烘筒疏水閥的出口管合并到管徑為G3/4"的燙平機(jī)出口管。該公司3臺(tái)燙平機(jī)出口管匯合到管徑為G3/4"，總長(zhǎng)約12m的冷凝水集合管將凝結(jié)水排入與大氣相通的水箱，且各支管與集合管相接順流由管上方垂直相交，見(jiàn)圖3。以上冷凝水回收管路布置存在嚴(yán)重不合理，造成系統(tǒng)疏水障礙[6]。

烘筒采用圓盤式熱動(dòng)力型疏水閥自動(dòng)排除工作產(chǎn)生的凝結(jié)水。疏水閥前的排水管內(nèi)介質(zhì)為操作壓力下的冷凝水，由于疏水閥進(jìn)出口存在顯著的壓力降，排放管內(nèi)輸送的將是閃蒸蒸汽和冷凝水組成的兩相流混合物[7]。

閃蒸型氣液兩相流的管道壓力降包括摩擦壓力降、速度壓力降和靜壓力降三部分，根據(jù)閃蒸型氣液兩相流的管道壓力降計(jì)算方法二計(jì)算[7]：

Δp——總壓力降;

Δpf——摩擦壓力降;

ΔpN——速度壓力降;

Δpg——靜壓力降。

對(duì)正常操作條件下疏水閥后的總壓降Δp＝0.28MPa。

為保證疏水閥的正常排放，應(yīng)將疏水閥的進(jìn)出口壓差控制在合適的范圍，即控制背壓率。圓盤式熱動(dòng)力型疏水閥背壓不可超過(guò)最低入口壓力的50%[6]，否則會(huì)造成性能障礙。操作條件下疏水閥后的壓力Δp＝0.28MPa，將造成烘筒內(nèi)的冷凝水不能得到正常排放?？紤]到開(kāi)機(jī)初期，冷凝水有更大的流量，疏水閥后的壓力將會(huì)更高。如果3臺(tái)燙平機(jī)中某臺(tái)開(kāi)機(jī)滯后，將造成其余燙平機(jī)烘筒冷凝水流入該烘筒。

2.5 進(jìn)汽管路無(wú)壓力釋放裝置

開(kāi)車初期，蒸汽與烘筒內(nèi)溫度較低的水相遇時(shí)一部分將被凝結(jié)，這一區(qū)域產(chǎn)生瞬間的壓力下降，管道中較高壓力的蒸汽就會(huì)提高流速來(lái)填充。蒸汽凝結(jié)過(guò)程的推動(dòng)力是蒸汽壓力與水表面的飽和壓力之差，水溫越低冷凝過(guò)程的推動(dòng)力越大。爆炸發(fā)生時(shí)已經(jīng)進(jìn)入冬季，受外部環(huán)境影響，烘筒開(kāi)機(jī)時(shí)溫度較低，加壓過(guò)程中沒(méi)有按操作規(guī)程進(jìn)行操作，在短時(shí)間內(nèi)升溫熨燙，不僅烘筒沒(méi)有得到充分預(yù)熱，內(nèi)部?jī)?chǔ)存的冷凝水溫度也沒(méi)有明顯提高，短時(shí)間進(jìn)入的大量的高溫蒸汽帶入能量將儲(chǔ)存的冷凝水迅速加熱至飽和狀態(tài)。冷凝水迅速過(guò)熱而形成蒸汽爆沸，烘筒內(nèi)部壓力迅速升高，并形成錘擊、振動(dòng)和噪聲[8-9]。

每臺(tái)燙平機(jī)的蒸汽自蒸汽母管經(jīng)減壓閥減壓后通過(guò)截止閥調(diào)節(jié)流量進(jìn)入烘筒，管道的布置不符合“減壓閥后的低壓管道應(yīng)當(dāng)設(shè)置安全閥”[6]的規(guī)定，減壓閥的結(jié)構(gòu)也決定了閥后壓力異常升高不能逆向傳遞。特別是烘筒轉(zhuǎn)動(dòng)后，冷凝水隨著烘筒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)一步增大了與蒸汽的接觸面積。如果進(jìn)汽速度不能得到很好控制（即將進(jìn)汽閥開(kāi)度減至很?。?，蒸汽爆沸將更為激烈，造成烘筒內(nèi)部壓力迅速升高。

2.6 小結(jié)

事故過(guò)程存在以下問(wèn)題：

1）烘筒本身制造方面存在焊接缺陷；

2）烘筒投入運(yùn)行時(shí)間雖不長(zhǎng)，但是工況條件較差；

3）冷凝水回收管道通徑過(guò)小且布置不當(dāng)，造成冷凝水在烘筒聚集；

4）進(jìn)汽管路無(wú)壓力釋放裝置；

5）開(kāi)車初期加壓過(guò)快，造成低溫水爆沸；

6）烘筒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)一步增大了蒸汽與水的接觸面積，增加了蒸汽爆沸能量。以上問(wèn)題導(dǎo)致烘筒超壓不能釋放造成應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位首先破壞。烘筒破裂后，蒸汽泄壓膨脹的同時(shí)與處于氣液平衡的飽和液體在壓力下降到大氣壓力時(shí)溫度超過(guò)了大氣壓力下的沸點(diǎn)(也稱過(guò)熱) ，過(guò)熱狀態(tài)的水急劇蒸發(fā)沸騰，體積劇烈膨脹，聚集的能量以爆炸形式瞬間釋放，造成烘筒徹底沿縱環(huán)焊縫附近的應(yīng)力集中部位撕裂，形成壓力沖擊破裂的斷口形貌。

3 建議

3.1 制造安裝方面

烘筒制造單位應(yīng)嚴(yán)格制造工藝，加強(qiáng)質(zhì)量檢驗(yàn)，控制制造缺陷。

安裝單位應(yīng)將疏水閥的出口管合理布置，盡量減少?gòu)澢?，凝結(jié)水集合管截面面積不應(yīng)小于各疏水閥的出口管面積之和。合理布置管路，保證凝結(jié)水可靠排放；并聯(lián)使用的烘筒管路應(yīng)分別安裝負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y防止冷凝水倒吸；靠近烘筒蒸汽進(jìn)口設(shè)置安全閥，保證超壓可靠排放。

3.2 使用管理與安全操作

加強(qiáng)此類設(shè)備操作人員的培訓(xùn)管理，正確操作設(shè)備，防止操作失誤導(dǎo)致事故發(fā)生[10]。使用單位在使用過(guò)程中操作此類設(shè)備應(yīng)注重設(shè)備使用的穩(wěn)定性，防止壓力突變。注意設(shè)備的異常監(jiān)控，如烘筒內(nèi)部異常聲響、管路疏水障礙、烘筒異常振動(dòng)等。加強(qiáng)管路系統(tǒng)、安全閥、壓力表、疏水設(shè)備等安全附件的檢查和檢修。

3.3 定期檢驗(yàn)

定期檢驗(yàn)是保障壓力容器安全使用的重要措施[10]，按《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》對(duì)烘筒本體進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)外，還應(yīng)對(duì)燙平機(jī)的進(jìn)氣排水管路布置、管路減壓裝置選型、安全閥和疏水系統(tǒng)的設(shè)置選型是否正確，以及上述附加檢查項(xiàng)目涉及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常進(jìn)行檢查。

4 結(jié)論

1)烘筒筒體兩條縱向焊縫存在較為嚴(yán)重焊接缺陷。

2)烘筒斷口形貌具有典型受壓力沖擊破裂的特征，這是由于烘筒短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入一定壓力的飽和蒸汽，迅速使其內(nèi)部聚集的一定量的冷凝水過(guò)熱，從而形成了蒸汽爆沸的條件，爆沸產(chǎn)生的內(nèi)壓在烘筒本體及其進(jìn)氣口附近未設(shè)置安全泄放裝置的情況下，直接導(dǎo)致烘筒無(wú)法承載而爆裂。

3)冷凝水管道通徑過(guò)小，冷凝水排放不及時(shí)，造成冷凝水在烘筒內(nèi)部聚集。

4)進(jìn)氣管路上未設(shè)置安全保護(hù)裝置、疏水不暢、加壓速度過(guò)快間接導(dǎo)致了烘筒的超壓而爆裂。

5)預(yù)防類似事故的發(fā)生應(yīng)從設(shè)備制造、安裝、使用、維修、管理、檢驗(yàn)等方面入手，嚴(yán)格遵守國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保設(shè)備安全運(yùn)行，減少事故發(fā)生。

1 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S]. 北京: 新華出版社，2009.

2 崔政斌，王明明. 壓力容器安全技術(shù)（第二版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009:116～118.

3 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局. 安全評(píng)價(jià)[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

4 劉盛平，周曄. 鍋爐爆炸沖擊波危害范圍計(jì)算[J]. 地質(zhì)勘探安全，1998，5(4):25～26.

5 段卓平，黃風(fēng)雷. 地下彈藥庫(kù)爆炸產(chǎn)生的地面空氣沖擊波的估算與數(shù)值模擬[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2001，1(4):45～49.

6 HG/T 20570-1995，工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]. 7 王漢松. 石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第4卷）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：356～362.

8 陳思凝，孫金華，褚冠全，陳先鋒. 鍋爐沸騰液體膨脹蒸汽爆炸(BLEVE) 的小尺寸模擬試驗(yàn)[J].熱能動(dòng)力工程， 2006，21(2):132～135.

9 YU C M,VENARTJ E S. The boiling liquid collapsed bubble explosion(BLCBE) :A preliminary model [J ]. Journal of Hazardous Materials，1996，46 :197 ～213.

10 繆春生，曹建樹，馬歆，李建東，浦江. 壓力容器安全管理與定期檢驗(yàn)的探討[J]. 壓力容器，2008，12(4):5～9.

Analysis and Suggestions on the Explosion of the Stainless Drying Cylinder of Ironing Machine

Yang Jun1Ning Jiang2Tong Qibang1Guo Yong1
(1.College of Chemical Engineering Sichuan University Chengdu 610065)
(2. Institute of Special Equipment Supervision and Inspection of Leshan Leshan 614000)

Aimed on a explosion accident of the stainless drying cylinder of Ironing machine,through the systematic analysis of burst fracture morphology, accident explosive energy, structural stress distribution, process piping layout, manufacturing quality, management, etc.the primary cause of this accident is studied. And, countermeasures and suggestions on how to guarantee the safe use of ironing machine are given in terms of installation, management and periodic inspection.

Pressure shock rupture Piping layout Condensation water Steam explosion

X 933.2

：B

167 3－257 X(201 4)1 2－6 4－05D O I: 1 0.396 9/j.i s s n.167 3-257 X.201 4.1 2.017

楊君(1983～)，男，工程碩士，主要從事鍋爐壓力容器壓力管道檢驗(yàn)檢測(cè)研究工作。

2014-05-12）