內(nèi)壓容器吸癟原因分析及防范措施

奧永泉（山西原平昊華化工有限公司，山西原平034100）

·化工設(shè)備與自動(dòng)化·

內(nèi)壓容器吸癟原因分析及防范措施

奧永泉
（山西原平昊華化工有限公司，山西原平034100）

摘要：對(duì)于內(nèi)壓設(shè)備來(lái)說(shuō)，防止其超壓是安全生產(chǎn)的必要條件，但在實(shí)際生產(chǎn)中往往忽略其承受外壓的情況，從而使設(shè)備失穩(wěn)而破壞。臨界壓力PCR是判斷外壓薄壁容器失效的主要依據(jù)。通過(guò)對(duì)兩起吸癟事故的數(shù)據(jù)分析和受力計(jì)算，找到吸癟原因并提出了防范措施。

關(guān)鍵詞：低壓濕式煤氣柜；電捕焦油器；吸癟；原因；防范措施

某公司中溫煤焦油加氫裝置的配套焦化車間為135萬(wàn)噸/年蘭炭項(xiàng)目。2009年在建設(shè)階段曾發(fā)生一起低壓濕式煤氣柜吸癟事故，造成氣柜壁板、鐘罩等嚴(yán)重變形，給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響。2011年又發(fā)生一起電捕焦油器吸癟事故。下面就這兩起事故分別進(jìn)行分析。

1　煤氣柜吸癟事故

1.1事故經(jīng)過(guò)

2009年11月焦化車間新建一臺(tái)煤氣氣柜。設(shè)計(jì)壓力4kPa，工作壓力0～4kPa，設(shè)計(jì)溫度、工作溫度均為常溫，當(dāng)?shù)卮髿鈮篜1=89.6 kPa，公稱容積1萬(wàn)m3。11月12日氣柜鋼水槽注水進(jìn)行基礎(chǔ)沉陷實(shí)驗(yàn)合格。為防止夜間溫度降低水槽內(nèi)水結(jié)冰凍壞鋼水槽，故決定排水。排水時(shí)頂部放空DN150閘閥未打開(kāi)，導(dǎo)致氣柜鐘罩壁板大面積變形產(chǎn)生內(nèi)凹，內(nèi)立柱已經(jīng)全部扭曲變形，上導(dǎo)輪與外軌道脫軌，中節(jié)Ⅱ壁板也已嚴(yán)重變形，焊縫開(kāi)裂，導(dǎo)致氣柜無(wú)法進(jìn)行正常運(yùn)行。

1.2原因分析

（1）車間在氣柜排水時(shí)未制訂作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，也無(wú)專人負(fù)責(zé)，氣柜崗位也無(wú)操作規(guī)程。

（2）理論計(jì)算受力情況。

氣柜排水時(shí)，各塔節(jié)均落底，由于頂部放散關(guān)閉，同時(shí)水槽有水封存在，柜內(nèi)形成密閉空間。水槽排水過(guò)程中，隨著水位的下降，柜內(nèi)氣體被迫膨脹作功，促使內(nèi)部氣壓強(qiáng)下降，形成一定負(fù)壓，導(dǎo)致發(fā)生“吸癟”。氣柜鐘罩落到底部時(shí)內(nèi)部氣體表壓為1.06kPa，絕對(duì)壓強(qiáng)約為P1= （1.06+89.6）=90.66kPa，氣體體積是鐘罩體積V1=π× 1.72×（48.84- 1.7/3）=438m3。

假設(shè)氣柜水槽水位降到h時(shí)氣柜內(nèi)外大氣壓平衡，由于排水較慢，氣體溫度變化可忽略，此時(shí)氣柜內(nèi)氣體體積為鐘罩體積與部分水槽體積之和。V2=438+（3.14× 28.32×h/4）=438+629h。根據(jù)玻意爾定律P1V1=P2V2代入數(shù)據(jù)90.66×438=89.6×438+629h，得h=8.24mm。即當(dāng)水位降低8.23mm時(shí)，氣柜內(nèi)外氣壓平衡，當(dāng)水位繼續(xù)降低時(shí)氣柜會(huì)承受負(fù)壓。當(dāng)氣柜內(nèi)水排完時(shí)，柜內(nèi)氣體壓力為P3。

氣柜到底能承受多大外壓，下面以中節(jié)Ⅱ?yàn)槔齺?lái)計(jì)算。

基本數(shù)據(jù)：氣柜中節(jié)二筒體內(nèi)徑Di=26.5m，筒體高度L=6.6m，筒體壁厚δe=6mm，環(huán)境溫度15℃，當(dāng)?shù)卮髿鈮篜1=89.6kPa，筒體材質(zhì)Q235A，屈服極限σs=2350 kg/cm2，彈性模量E=2.06×108kPa，對(duì)外壓圓筒的計(jì)算采用拉姆公式。

筒體臨界長(zhǎng)度：

臨界壓力采用拉姆公式：

計(jì)算出來(lái)的臨界壓力值是在筒體的壁板材質(zhì)均勻、厚度一致，且筒體是一個(gè)理想圓柱的情況下得出的。實(shí)際的筒體都存在一定的不圓柱度，鋼板厚度有偏差，材質(zhì)也不均勻。所以，一般當(dāng)外力達(dá)到1/2～1/3臨界壓力時(shí)，筒體就會(huì)失穩(wěn)。

引入穩(wěn)定安全系數(shù)m=3，則該氣柜許用外壓：

而氣柜在排水過(guò)程中，內(nèi)外壓差不斷加大，直至排完水后，氣柜內(nèi)外壓差達(dá)到82.25kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其許用壓力，因此氣柜被吸癟。

1.3修復(fù)過(guò)程

為了不影響生產(chǎn)，縮短檢修時(shí)間，故作如下處理方案：

（1）保留鐘罩，更換壁板和立柱，對(duì)鐘罩采取加固保護(hù)措施，防止鐘罩下塌及變形。

（2）壁板產(chǎn)生塑性形變的地方用氣割將壁板切割成小塊，然后用倒鏈將小塊的壁板從上面平穩(wěn)移出，在外面將壁板預(yù)制成大塊拼板，焊接為雙面焊，經(jīng)煤油滲漏合格后，用角磨機(jī)除銹至鐵板原色后，先刷兩遍底漆后再焊接。

（3）內(nèi)立柱變形的較大部分可考慮更換。氣柜鐘罩內(nèi)形成負(fù)壓也可能導(dǎo)致頂梁塌陷，需更換處理。立柱更換或調(diào)直時(shí)用2臺(tái)千斤頂加φ219*7無(wú)縫鋼管作支架，先在立柱內(nèi)側(cè)將千斤頂支起并頂至塔身有1～3mm空隙，再進(jìn)行切割更換或調(diào)正，待焊接冷卻后撤掉千斤頂。以此類推，對(duì)于頂梁塌陷部分先用50噸吊車配合拆除頂板上的上導(dǎo)輪，再視情況在頂板上開(kāi)孔使頂梁損壞部分暴露。用吊車將頂梁吊到理想位置切割已壞頂梁后，馬上將預(yù)制好的工字鋼與原有頂梁對(duì)接，待焊完后吊車才可松鉤。開(kāi)孔后的頂板還原時(shí)用磨光機(jī)打磨好坡口，去除邊上的油漆才可進(jìn)行焊接。更換完畢后導(dǎo)輪按實(shí)際偏差位置定位焊接，再調(diào)整導(dǎo)輪間隙。

（4）內(nèi)導(dǎo)軌與內(nèi)導(dǎo)輪間隙進(jìn)行復(fù)測(cè)和重新定位。為了保證維修后氣柜的正常升降，必須對(duì)原先安裝的內(nèi)導(dǎo)軌與內(nèi)導(dǎo)輪進(jìn)行復(fù)測(cè)和重新定位，中節(jié)Ⅰ上水封與鐘罩壁下水封，每隔2米外繞線測(cè)量其半徑，誤差小的可利用上下導(dǎo)輪進(jìn)行調(diào)運(yùn)，誤差大的地方可用火工煨彎的辦法進(jìn)行整圓，一定要保證上下水封在掛起時(shí)平穩(wěn)，不傾斜。檢查鐘罩上的所有焊縫，發(fā)現(xiàn)撕裂處即將原有焊縫磨掉進(jìn)行補(bǔ)焊。以上工作全部完成后進(jìn)行內(nèi)側(cè)防腐封閉、注水。

2　電捕焦油器吸癟事故

2.1事故經(jīng)過(guò)

2013年公司大修，8月2日14時(shí)40分，車間對(duì)某臺(tái)電捕焦油器斷電，退出運(yùn)行。15時(shí)，關(guān)閉電捕焦出入口閥、塔底保溫蒸汽閥和焦油氨水冷凝液回水閥，當(dāng)時(shí)電捕焦油器后總管壓力為- 1.609kPa，溫度為63.66℃。16時(shí)，用蒸汽吹掃電捕焦油器。18時(shí)10分，電捕焦油器停止蒸汽吹掃。當(dāng)時(shí)電捕焦油器后壓力為- 1.752kPa，后溫度為65.71℃。8月3日1時(shí)50分，電捕焦油器發(fā)出“砰”的聲響，外殼向內(nèi)凹進(jìn)變形。當(dāng)時(shí)電捕焦油器后總管壓力- 1.151kPa，溫度66.25℃，損壞情況見(jiàn)圖1。

2.2原因分析

筒壁向內(nèi)凹陷，顯然是由于筒壁受到的外力超過(guò)了筒體的臨界壓力而發(fā)生失穩(wěn)變形。如果出口閥未關(guān)或關(guān)閉不嚴(yán)，筒內(nèi)壓力應(yīng)為出口總管壓力，即- 1.151kPa，此壓力值仍在電捕焦油器正常工作的壓力范圍內(nèi)，所以不會(huì)使筒體變形。為了清洗筒內(nèi)焦油，用蒸汽對(duì)筒內(nèi)進(jìn)行吹掃。吹掃時(shí)蒸汽溫度約300℃左右。吹掃時(shí)間兩個(gè)多小時(shí)，筒內(nèi)溫度應(yīng)能達(dá)到150℃以上。夜間1時(shí)50分，筒內(nèi)氣體冷卻到大氣溫度，即15℃左右。氣體冷卻后體積縮小，筒內(nèi)形成很高的負(fù)壓。筒內(nèi)外壓差大于筒體的臨界壓力，導(dǎo)致筒體失穩(wěn)變形。

在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)不同壁厚的圓筒采用不同的設(shè)計(jì)公式。一般將k = Do/Di≤1.2的圓筒稱為薄壁圓筒，k＞1.2的圓筒稱為厚壁圓筒。工程上常用的外壓容器多屬薄壁容器，其中有一些DO/δ比較大的圓筒，它們的剛性不好，在壓力尚低于屈服極限時(shí)，圓筒就會(huì)突然被壓癟而失效。盡管外壓容器也有強(qiáng)度破壞問(wèn)題，但失穩(wěn)仍是其主要的失效形式。

（1）基本數(shù)據(jù)

筒體計(jì)算高度L=11.06m,筒體外徑Do=4.65m，筒體內(nèi)徑Di=4.63m,筒體壁厚δe=10mm，氣體溫度T1=150℃（423K），T2=15℃（288K），氣體壓力P1=89.6kPa，筒體材質(zhì)：Q235A，屈服極限σs=2350 kg/cm2，彈性模量E=2.06×108kPa。

（2）受力計(jì)算

筒體臨界長(zhǎng)度：

故筒體為短圓筒。臨界壓力采用拉姆公式：

該臨界壓力值是在筒體的壁板質(zhì)材均勻、厚度一致，且筒體是一個(gè)理想圓柱的情況下得出的。實(shí)際的筒體都存在一定的不圓柱度，鋼板厚度有偏差，材質(zhì)也不均勻。所以，一般當(dāng)外力達(dá)到1/2～1/3臨界壓力時(shí)，筒體就會(huì)失穩(wěn)。

穩(wěn)定安全系數(shù)m=3，則該電捕焦油器許用外壓：

對(duì)于電捕焦油器來(lái)說(shuō)，當(dāng)內(nèi)外壓差達(dá)到16.1kPa時(shí)，就會(huì)被吸癟。

當(dāng)氣體冷卻收縮時(shí)，根據(jù)查理定律，筒內(nèi)壓力：

內(nèi)外壓差為P1- P2= 28.6 kPa＞17.85kPa

根據(jù)以上分析，筒體被吸癟是由于筒內(nèi)氣體收縮產(chǎn)生較大的負(fù)壓造成的。

3　防范措施

（1）編寫(xiě)試車檢修方案和相關(guān)操作規(guī)程，并由專人負(fù)責(zé)，避免吸癟現(xiàn)象發(fā)生。

（2）氣柜在排水時(shí)應(yīng)打開(kāi)頂部放空閥，使內(nèi)外氣體壓力平衡。

（3）電捕焦油器如需進(jìn)行蒸汽吹掃，必須打開(kāi)對(duì)空排氣閥，使筒內(nèi)外壓差為零；同時(shí)，要在進(jìn)出口加盲板，以防蝶閥關(guān)閉不嚴(yán)，空氣進(jìn)入管道。用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，防止負(fù)壓時(shí)空氣進(jìn)入，形成爆炸性混合氣體出現(xiàn)安全事故。

參考文獻(xiàn)

[1]李建.化工設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991:6- 77.□

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.02.029

中圖分類號(hào)：TQ522.63

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008- 553X（2015）02- 0082- 03

收稿日期：2014- 12- 04

作者簡(jiǎn)介：奧永泉（1974-），男，工程師，主要從事化工設(shè)備的維護(hù)和管理工作，18291269689，ayqabc@sina.com。

Analysis and Prevention Measures of Suction Deflatd Container

AO Yong-quan
（Shanxi Yuanping Haohua Chemical Co.，Ltd.，Yuanping034100，China）

Abstract:For the internal pressure device，toprevent the overpressure is a necessary condition for stable work，but in actual production often overlooked subjected to external pressure，prompting device instability and failure. Therefore，the critical pressure Pcris the main method for the thin- walled container failure judgment toexternal pressure.

Key words:lowpressure wet gas cabinet；electrical tar precipitator；deflated；reason；preventive measures