蒸煮管筒體爆炸事故分析

周 波 王家?guī)?/p>

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南鄭州，450016)

?

·蒸煮管·

蒸煮管筒體爆炸事故分析

周 波 王家?guī)?/p>

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南鄭州，450016)

根據(jù)一起造紙廠制漿車間橫管連蒸設(shè)備蒸煮管爆炸事故的情況，結(jié)合蒸煮管設(shè)計(jì)制造和現(xiàn)場(chǎng)爆炸狀況，通過(guò)對(duì)蒸煮管進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、壁厚測(cè)量和計(jì)算、微觀組織檢驗(yàn)等，同時(shí)對(duì)爆炸殘留物的成分進(jìn)行分析，以找出事故原因。分析結(jié)果表明，事故發(fā)生的主要原因是腐蝕和磨損的共同作用；為避免同類事故的發(fā)生筆者提出了改進(jìn)建議和預(yù)防措施。

蒸煮管；爆炸；事故；分析

蒸煮裝置是制漿的主要設(shè)備，既可用于化學(xué)、半化學(xué)及生物制漿，又能用于化機(jī)漿和生物機(jī)械漿的預(yù)處理。在實(shí)際工作中，由于腐蝕、磨損等原因，蒸煮管筒體可能遭受破壞，如發(fā)生撕裂，會(huì)造成生產(chǎn)事故。因此，要及時(shí)檢測(cè)蒸煮管筒體的工作狀態(tài)并做出科學(xué)的判斷，才能防止事故的發(fā)生。

本研究對(duì)一起造紙廠制漿車間橫管連蒸設(shè)備蒸煮管爆炸事故進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)蒸煮管爆炸部分及內(nèi)部黑色殘余物材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、壁厚測(cè)量和計(jì)算、微觀組織檢驗(yàn)等，找出了該蒸煮管筒體發(fā)生爆炸的原因。并結(jié)合蒸煮管實(shí)際運(yùn)行情況提出了一些改進(jìn)建議，給出了采取的預(yù)防措施和防止同類事故再次發(fā)生的解決方法。

1 事故簡(jiǎn)況

2016年2月，某造紙廠制漿車間蒸煮工段橫管連蒸設(shè)備連續(xù)一段蒸煮管發(fā)生撕裂爆炸，致使160℃的木漿噴出，造成一名過(guò)路員工燙傷致死。事故發(fā)生時(shí)設(shè)備運(yùn)行正常，各項(xiàng)操作參數(shù)均正常。發(fā)生爆炸的蒸煮管于2010年9月出廠安裝、調(diào)試，2013年8月投料生產(chǎn)。該蒸煮管的制造標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150—1998《鋼制壓力容器》《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)備設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa；設(shè)計(jì)溫度185℃。

橫管連蒸設(shè)備蒸煮采用五管燒堿法(氫氧化鈉溶液)，原料為楊木木片。蒸煮工藝條件為：用堿量18%～20%；堿液濃度(110±10)g/L；液比1∶2.8～3.0；蒸煮總時(shí)間：(70±10)min；蒸煮壓力(0.75±0.5)MPa；蒸煮溫度(170±10)℃。

2 蒸煮管爆炸部分檢查

蒸煮管發(fā)生爆炸時(shí)，產(chǎn)生一大一小2個(gè)破口，破口距出料端支座約1 m，斷口長(zhǎng)度近1 m，小的破口殘片從設(shè)備本體脫離，大的破口彎曲成與蒸煮管筒體平行方向。圖1所示為蒸煮管爆炸后主體部分的形貌情況。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，筒體內(nèi)部有明顯的減薄區(qū)域，減薄區(qū)內(nèi)具有金屬光澤，該區(qū)域與其他區(qū)域有明顯的分界，斷口就在減薄區(qū)。由圖1可以看出，該蒸煮管筒體在發(fā)生爆炸前，由蒸煮管底部開(kāi)裂，斷口面為未明顯發(fā)生塑性變形的纖維斷口，筒體中下部發(fā)現(xiàn)有黑色殘留物質(zhì)。

圖1 蒸煮管爆炸后筒體部分形貌

取樣方法機(jī)械切割檢測(cè)部位筒體破損殘片儀器型號(hào)PDA-7000儀器編號(hào)B15044801024分析方法直讀光譜法分析方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T4336—2002取樣位置圖序號(hào)取樣位置標(biāo)稱材質(zhì)元素及含量/%CSiMnSPCrNiCu備注1筒體(黑色矩形部位)Q235-B0.1610.1220.4510.0120.0130.0190.0090.012-分析結(jié)果:經(jīng)直讀光譜成分分析,其化學(xué)成分符合GB/T3274—2007《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》中對(duì)Q235-B的成分規(guī)定。

3 蒸煮管及爆炸相關(guān)材料分析

在事故現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)蒸煮管爆炸部分及內(nèi)部黑色殘余物進(jìn)行取樣分析。已知該蒸煮管材質(zhì)為Q235-B，交貨狀態(tài)為熱軋。

3.1 蒸煮管材質(zhì)化學(xué)成分分析

對(duì)蒸煮管爆炸后殘片采用島津PDA-7000直讀光譜儀進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。依據(jù)GB/T 3274—2007《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》可以判定，材料中的C、Si、Mn、S、P等元素含量符合要求。

3.2 蒸煮管材質(zhì)的力學(xué)性能分析

對(duì)蒸煮管爆炸后殘片采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材質(zhì)力學(xué)性能分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。依據(jù)GB/T 3274—2007《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》可以判定，材料力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 蒸煮管材質(zhì)的硬度分析

對(duì)蒸煮管爆炸后殘片采用觸摸屏維式硬度計(jì)進(jìn)行材質(zhì)硬度試驗(yàn)，分析結(jié)果見(jiàn)表3。測(cè)試結(jié)果表明，蒸煮管材質(zhì)硬度相對(duì)均勻，主要集中在135～150 HB之間波動(dòng)，未見(jiàn)異常。

表2 蒸煮管材質(zhì)力學(xué)性能分析

表3 蒸煮管材質(zhì)硬度試驗(yàn)

圖2 蒸煮管材料爆破口較薄部位厚度方向剖面微觀形貌

測(cè)量?jī)x器型號(hào)CTS-30A測(cè)量?jī)x器編號(hào)546311131340測(cè)量?jī)x器精度±0.1mm耦合劑工業(yè)漿糊設(shè)計(jì)厚度(mm)(筒體)18.0mm——實(shí)測(cè)最小壁厚(筒體)5.4mm——表面狀況原始表面實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)26測(cè)厚點(diǎn)部位圖測(cè)厚記錄測(cè)點(diǎn)編號(hào)測(cè)點(diǎn)厚度測(cè)點(diǎn)編號(hào)測(cè)點(diǎn)厚度測(cè)點(diǎn)編號(hào)測(cè)點(diǎn)厚度測(cè)點(diǎn)編號(hào)測(cè)點(diǎn)厚度測(cè)點(diǎn)編號(hào)測(cè)點(diǎn)厚度測(cè)點(diǎn)編號(hào)測(cè)點(diǎn)厚度117.1217.2317.3417.6517.5614.5715.1812.5913.2109.2118.8128.31311.51411.8157.2167.8176.9186.5196.0205.4215.5229.82310.32411.1257.5268.2--------測(cè)定結(jié)果:檢測(cè)點(diǎn)最小壁厚不滿足工作壓力下蒸煮管筒體的計(jì)算厚度。

3.4 蒸煮管的厚度測(cè)定

對(duì)蒸煮管爆炸后筒體各部位采用CTS-30A測(cè)厚儀進(jìn)行厚度測(cè)定，測(cè)量結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，蒸煮管筒體壁厚最大處17.6 mm，壁厚最小處5.4 mm。

測(cè)量結(jié)果表明，最小壁厚不滿足工作壓力下蒸煮管筒體的計(jì)算厚度。

3.5 蒸煮管的顯微組織分析

根據(jù)GB/T13299標(biāo)準(zhǔn)，爆炸的殘片經(jīng)機(jī)械拋光、4%硝酸酒精腐蝕后采用AxioObserverA1m型金相顯微鏡對(duì)其進(jìn)行顯微組織分析。圖2所示為蒸煮管材料爆破口較薄部位厚度方向剖面金相組織形貌，圖3所示為蒸煮管材料爆破口較厚部位厚度方向剖面金相組織形貌，圖4所示為蒸煮管材料拉伸試驗(yàn)取樣部位厚度方向剖面金相組織形貌。由圖可以看出該蒸煮管材料微觀組織在厚度方向較為均勻，其微觀組織均為鐵素體+珠光體，符合GB/T3274—2007中Q235-B鋼熱軋狀態(tài)的組織要求。

圖3 蒸煮管材料爆破口較厚部位厚度方向剖面微觀形貌

圖4 蒸煮管材料拉伸試驗(yàn)取樣部位厚度方向剖面微觀形貌

3.6 蒸煮管內(nèi)表面黑色殘留物成分分析

蒸煮管爆炸后在內(nèi)部中下部發(fā)現(xiàn)存在一層黑色殘留物，對(duì)其物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。分析采用XPertPro的X射線衍射儀，分析結(jié)果見(jiàn)圖5，經(jīng)檢測(cè)其有機(jī)成分主要為Na3H(CO3)2(H2O)2。

4 蒸煮管筒體爆炸原因分析

依據(jù)GB/T30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》第4.16條，碳鋼在66℃以上的高濃度苛性堿液中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，在介質(zhì)濃縮區(qū)會(huì)形成局部溝槽。根據(jù)壁厚測(cè)量結(jié)果可知，筒體內(nèi)部與燒堿溶液接觸的部位均存在減薄現(xiàn)象，局部高濃度部位腐蝕越嚴(yán)重。碳素鋼在NaOH溶液中的腐蝕機(jī)理是碳鋼中的Fe與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

反應(yīng)過(guò)程中，NaOH起催化作用，其過(guò)程是：

3Fe+7NaOH→Na3FeO3+2Na2FeO2+7[H]

Na3FeO3+2Na2FeO2+4H2O→Fe3O4+7NaOH+[H]

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

蒸煮管的本體材料為Q235-B，操作溫度為165℃，蒸汽壓力0.75MPa，運(yùn)行過(guò)程中加入了燒堿溶液 (氫氧化鈉溶液)，在這種蒸煮環(huán)境中，物料被螺旋推進(jìn)器上的螺旋葉片推動(dòng)通過(guò)蒸煮管作恒速運(yùn)動(dòng)。藥液、蒸汽連續(xù)不斷地與原料密切混合、反應(yīng)。木漿與管壁連續(xù)摩擦、腐蝕，破壞了碳素鋼表面的鈍化保護(hù)膜，使得蒸煮管內(nèi)表面始終保持活化狀態(tài)，活化表面比鈍化表面的腐蝕速度大得多，同時(shí)高溫的堿性環(huán)境也加快了管壁的腐蝕、磨損速度。

圖5 破損殘片的XRD分析圖

根據(jù)以上情況，結(jié)合GB/T30579—2014有關(guān)規(guī)定，碳鋼和300系列不銹鋼材料不適合此種溫度的堿性環(huán)境。另外，在最苛刻條件下，堿濃度超過(guò)5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂就可能發(fā)生，并且隨著堿液濃度的進(jìn)一步升高，堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的可能性同時(shí)升高；在設(shè)備內(nèi)部焊接殘余應(yīng)力和加工殘余應(yīng)力的共同作用下，極易造成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。綜上，應(yīng)從合理選材上考慮選用合金400和一些其他鎳基合金等腐蝕速率較低的材料。

由圖1(c)可看出，蒸煮管底部設(shè)計(jì)有一條防滑帶，在防滑帶一側(cè)存在一條明顯的腐蝕溝槽，溝槽內(nèi)部較為光滑，腐蝕產(chǎn)物較少。一般認(rèn)為腐蝕溝槽的形成與介質(zhì)的腐蝕性及介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，其中流動(dòng)狀態(tài)對(duì)溝槽腐蝕影響較大。圖6所示為蒸煮管底部防滑條兩側(cè)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)示意圖，圖6中A點(diǎn)和C點(diǎn)處受到的沖蝕作用最大。A點(diǎn)遭到微粒的直接碰撞，而在C點(diǎn)附近，流體中的微粒幾乎以垂直方向撞擊器壁，因此，A點(diǎn)和C點(diǎn)受到的沖蝕作用最大，最終形成溝槽。

圖6 蒸煮管底部防滑條兩側(cè)流動(dòng)狀態(tài)示意圖

楊木木片中不可避免會(huì)混有一定量的泥沙等固體顆粒物，混有固體顆粒物的木漿在葉輪的作用下，沿管壁方向流動(dòng)，當(dāng)受到防滑條阻擋后，形成湍流，腐蝕及磨損速率增大。

企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)蒸煮器的規(guī)格、尺寸做了規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中給出的蒸煮管的最大直徑為1520mm。而該臺(tái)蒸煮管的直徑為2100mm，直徑增加，在相同葉輪轉(zhuǎn)速條件下，管壁附近木漿的流速相應(yīng)提高。腐蝕介質(zhì)的流速變化對(duì)金屬材料的腐蝕有著重要的影響，隨著流速的增加，促進(jìn)了腐蝕介質(zhì)的供給量，腐蝕速率加快。另外，由于金屬和液體間的剪切應(yīng)力作用使腐蝕產(chǎn)物從金屬表面剝落，金屬表面的鈍化膜消失后，下層金屬會(huì)快速腐蝕。

綜上所述，腐蝕和磨損的共同作用導(dǎo)致筒體厚度減薄，使之不能夠承受內(nèi)部壓力，最終發(fā)生撕裂爆炸。

5 結(jié) 語(yǔ)

這起橫管連蒸設(shè)備蒸煮管爆炸事故是比較典型的案例。蒸煮裝置的安全運(yùn)行不僅與蒸煮管制造的產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)，還與日常的正確維護(hù)、規(guī)范使用、嚴(yán)格管理和修理質(zhì)量的控制相關(guān)。因此，為了減少事故的發(fā)生，國(guó)內(nèi)造紙行業(yè)采用此類設(shè)備的企業(yè)應(yīng)引起足夠重視，可以考慮從筒體材料、筒體規(guī)格、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造方面采取措施降低磨損和腐蝕速率；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)檢驗(yàn)檢測(cè)，通過(guò)縮短定期檢驗(yàn)周期和加強(qiáng)年度檢查等手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。

[1]WANGDao-wen,SHIXiao-dong.AnalysisoftheThinningoftheWalloftheCookingTubeinaContinuousDigestor[J].ChinaPulp&Paper, 2011, 30(2): 38. 王道文, 史曉冬. 橫管連蒸制漿系統(tǒng)中蒸煮管壁減薄的原因分析[J]. 中國(guó)造紙, 2011, 30(2): 38.

[2]GB/T3274—2007Hot-rolledplatesandstripsofcarbonstructuralsteelsandhighstrengthlowalloystructuralsteels[S].GB/T3274—2007碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板和鋼帶[S].

[3]GB150—1998Steelpressurevessels[S].GB150—1998 鋼制壓力容器[S].

[4]TSGR0005—2013PressureVesselPeriodicalInspectionRegulation[S].TSGR0005—2013 壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則[S].

[5]GB/T13299—1991Steel-Determinationofmicrostructure[S].GB/T13299—1991 鋼的顯微組織評(píng)定方法[S].

(責(zé)任編輯：馬 忻)

推進(jìn)林業(yè)生態(tài)建設(shè) 加快發(fā)展林紙循環(huán)經(jīng)濟(jì)

Analysis of the Digester Tube Explosion Accident

ZHOU Bo*WANG Jia-bang

(The Boiler Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province, Zhengzhou, He’nan Province, 450016)(*E-mail: 13838028079@139.com )

In order to search the causes of an accident of digester tube explosion in a pulping workshop, in addition to the field investigation, the chemical composition analysis and mechanical property test of the tube material, measurement of the wall thickness of the tube as well as composition analysis of the explosive residues were conducted, the analysis results indicated that the main cause of the accident was a combination of corrosion and abrasion of the tube. Finally the paper gave some suggestion to avoid the similar accident.

digester tube; explosion; the accident; analyze

周 波先生，高級(jí)工程師；主要從事鍋爐壓力容器安全檢測(cè)工作。

2017- 03- 15(修改稿)

TS95

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.07.011