三臺(tái)夾套容器內(nèi)筒失穩(wěn)的事故分析

柳迅(河北省特種設(shè)備學(xué)會(huì)，河北 石家莊 050091)

0 引言

某制藥車間在生產(chǎn)過程中三臺(tái)夾套容器(一臺(tái)去催罐和兩臺(tái)結(jié)晶罐)內(nèi)筒相繼鼓包變形(見圖1)，發(fā)生特種設(shè)備嚴(yán)重?fù)p害的變形事故[1]，造成較大損失。三臺(tái)夾套容器全部為間接加熱冷卻系統(tǒng)，即通過夾套中熱水和冷鹽水的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)為攪拌容器內(nèi)筒物料加熱和冷卻要求，夾套容器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示。

圖1 內(nèi)筒鼓包照片

圖2 夾套容器結(jié)構(gòu)示意圖

1 事故基本情況

1.1 去催罐事故情況

操作人員發(fā)現(xiàn)3-2001 去催罐內(nèi)溫度約為40℃，適合抽濾，于是檢查相關(guān)閥門和罐內(nèi)料液(因有料液未能發(fā)現(xiàn)異常)，確認(rèn)正常后進(jìn)行去催罐抽濾。完成后通過視鏡發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)壁出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。最后經(jīng)設(shè)備部確認(rèn)3-2001 去催罐手孔左前方筒體內(nèi)壁鼓起。

1.2 結(jié)晶罐事故情況

操作人員將在二次結(jié)晶罐溶解后的料液分別壓入3-5001和3-5003 結(jié)晶罐，在攪拌過程中，聽到咣當(dāng)一聲，攪拌槳葉被絆住不能轉(zhuǎn)動(dòng)，隨觀察發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁鼓起。兩臺(tái)結(jié)晶罐情況相同，都是手孔左前方筒體內(nèi)壁鼓起。

2 事故原因調(diào)查

2.1 夾套容器設(shè)備情況調(diào)查

發(fā)生事故的兩臺(tái)結(jié)晶罐和一臺(tái)去催罐全部屬于Ⅱ類壓力容器，設(shè)計(jì)制造單位為同一家具有壓力容器設(shè)計(jì)和制造許可資質(zhì)的專業(yè)企業(yè)。

對制造企業(yè)提供的設(shè)計(jì)文件和出廠資料等進(jìn)行審查(三臺(tái)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表1)。查驗(yàn)設(shè)計(jì)圖紙中的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置，都符合操作條件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度是依據(jù)設(shè)備運(yùn)行中最苛刻的組合工況確定[2]。確定最大計(jì)算外壓力(即內(nèi)筒抽真空和夾套內(nèi)為設(shè)計(jì)內(nèi)壓聯(lián)合產(chǎn)生的最大負(fù)壓)來重新核算內(nèi)筒和內(nèi)封頭強(qiáng)度和壁厚并對照查驗(yàn)廠家強(qiáng)度計(jì)算書，確認(rèn)核算無誤。結(jié)合圖紙審查廠家提供出廠資料相關(guān)內(nèi)容也未發(fā)現(xiàn)問題，其中在壓力試驗(yàn)檢驗(yàn)報(bào)告中，三臺(tái)容器耐壓試驗(yàn)曲線都顯示，內(nèi)筒試驗(yàn)壓力為0.675MPa，保壓30min，夾套試驗(yàn)壓力為0.55MPa，保壓30min，均為合格，查驗(yàn)無問題。所以設(shè)計(jì)文件和出廠資料審查未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致內(nèi)筒失穩(wěn)的問題。

表1 三臺(tái)夾套容器的技術(shù)參數(shù)

現(xiàn)場檢查三臺(tái)夾套容器設(shè)備本體，發(fā)現(xiàn)三臺(tái)設(shè)備都是手孔左前方筒體內(nèi)壁鼓起，結(jié)合圖紙和出廠資料檢查設(shè)備制造質(zhì)量，用光譜分析儀查驗(yàn)內(nèi)筒和夾套等部件材料化學(xué)成分，實(shí)測內(nèi)筒封頭特別是鼓包處部位壁厚、相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸(特別是內(nèi)筒的圓度、內(nèi)筒受外壓部分長度等)，查驗(yàn)焊接制造質(zhì)量等。除內(nèi)筒鼓包變形外，其他檢查的項(xiàng)目與圖紙和出廠資料一致，未發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備本體制造質(zhì)量問題。

檢查與設(shè)備連接的管道，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)結(jié)晶罐位于室外的換熱器補(bǔ)水管道未進(jìn)行保溫發(fā)生了凍管現(xiàn)象，管道被堵塞。發(fā)現(xiàn)與去催罐連接管道的乙二醇-水罐安全閥下面的截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.2 工藝及操作調(diào)查

設(shè)備使用流程圖詳見圖3。

2.2.1 去催罐操作過程描述：

打開去催罐排氣，將氫化釜內(nèi)氫化液壓入去催罐。打開去催罐夾套熱水閥門，通過熱乙二醇-熱水罐、乙二醇-水泵、乙二醇-水換熱器，將去催罐內(nèi)料液升溫至105℃。切換去催罐夾套冷水閥門，通過冷乙二醇-冷水罐、乙二醇-水泵、乙二醇-水換熱器，將去催罐內(nèi)料液降溫至35℃以下。

打開去催液收集罐，通過去催液過濾器將去催罐內(nèi)去催液抽濾至去催液收集罐。開去催液收集罐氮?dú)?，將去催液收集罐?nèi)料液壓入濃縮罐。

2.2.2 三次結(jié)晶罐操作過程描述：

將二次結(jié)晶粉投入到二次結(jié)晶罐中并壓入乙醇，通過結(jié)晶罐對應(yīng)的換熱器組及熱水泵為二次結(jié)晶罐升溫，使結(jié)晶罐內(nèi)料液充分溶解(料液溫度約75℃)。

打開二次結(jié)晶罐氮?dú)?，將罐?nèi)溶解液通過過濾器壓入三次結(jié)晶罐。通過三次結(jié)晶罐對應(yīng)的換熱器組及熱水泵，使用降溫程序控制，為三次結(jié)晶罐內(nèi)料液降溫至14℃，降溫過程中加入甲酰胺及純化水。

料液降溫結(jié)束后，開三次結(jié)晶罐罐底閥，將結(jié)晶液放至對應(yīng)抽濾器內(nèi)抽濾。若放料過程中發(fā)現(xiàn)罐底料液堵塞，短暫開三次結(jié)晶罐真空將罐底料液反抽一次，繼續(xù)放料。

3 事故原因分析

三臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)都是典型的夾套容器，內(nèi)筒壁承受內(nèi)筒物料產(chǎn)生的內(nèi)壓、夾套內(nèi)循環(huán)水的外壓以及抽料過程中產(chǎn)生的真空三種壓力。此次發(fā)生的失穩(wěn)事故是內(nèi)筒壁在外壓作用下，形狀突然發(fā)生改變而產(chǎn)生癟塌的失效形式，被稱為失穩(wěn)失效，這時(shí)其筒壁受力由薄膜應(yīng)力狀態(tài)突變?yōu)閺澢鷳?yīng)力狀態(tài)，被壓癟時(shí)的最小外壓力即是臨界壓力[3]。由于實(shí)際制造的外壓容器受殼體圓度、材料不均勻等因素的影響，實(shí)際的失穩(wěn)壓力要比理論計(jì)算的臨界壓力要低，所以用許用外壓作為控制不致失穩(wěn)的參數(shù)[3]。防止外壓失穩(wěn)就要使殼體所受外壓不能超過許用外壓力。

通過調(diào)查分析，排除了設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置、強(qiáng)度計(jì)算、材料成分、內(nèi)筒壁厚和圓度等結(jié)構(gòu)尺寸、焊接制造質(zhì)量等各種可能導(dǎo)致內(nèi)筒失穩(wěn)的因素[4]，能確定在正常操作工況下，三臺(tái)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量能夠滿足設(shè)備使用條件，所以排除了設(shè)備本身缺陷原因?qū)е率鹿实目赡苄?。由于三臺(tái)設(shè)備內(nèi)筒的操作使用有完整的未現(xiàn)異常的操作記錄，且配有壓力泄放裝置和監(jiān)控設(shè)施，不會(huì)造成超壓超溫等工況，故能排除內(nèi)筒導(dǎo)致事故的可能。

在夾套管道系統(tǒng)中壓力源只來自循環(huán)泵，故取泵的關(guān)閉壓力作為管道系統(tǒng)最大壓力為0.4MPa[5]，車間認(rèn)為不會(huì)存在超壓的可能，也就沒有對夾套管道系統(tǒng)操作進(jìn)行記錄，造成無法查證操作壓力和操作溫度等是否發(fā)生過異常。

圖3 設(shè)備使用流程圖

對于現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的兩臺(tái)結(jié)晶罐補(bǔ)水管的凍管現(xiàn)象，懷疑可能是補(bǔ)水管凍管堵塞，導(dǎo)致夾套循環(huán)水系統(tǒng)封閉，而換熱器一直在加熱，水溫就會(huì)升高，夾套內(nèi)壓相應(yīng)上升，超出臨界壓力時(shí)，內(nèi)筒就會(huì)失穩(wěn)形成鼓包。

為印證上述分析，對結(jié)晶罐系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，關(guān)閉補(bǔ)水管道，打開蒸汽管道通過換熱器對換熱水進(jìn)行加熱，開啟循環(huán)泵，觀察到換熱水溫度在2 分鐘的時(shí)間由44℃升至45℃時(shí)，壓力表由初始?jí)毫?.27MPa 急速升至0.5MPa，為保證安全未繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，但已經(jīng)證實(shí)了溫度升高導(dǎo)致壓力快速升高趨勢。

核算結(jié)晶罐內(nèi)筒的許用外壓力，由于

式中：Do表示圓筒外直徑；Di表示圓筒內(nèi)徑；δn表示圓筒名義厚度；δe表示圓筒的有效厚度；C1表示材料厚度負(fù)偏差；C2表示腐蝕裕量；L表示圓筒計(jì)算長度，取內(nèi)筒受外壓部分長度加內(nèi)封頭直邊高加封頭曲面深度的1/3。

然后查圖確定外壓應(yīng)變系數(shù)A 為0.0009690，進(jìn)而確定外壓應(yīng)力系數(shù)B 為72.74，故確定的許用外壓力[P]為：

說明內(nèi)筒最大能夠承受0.582MPa 的外壓，大于這個(gè)數(shù)值內(nèi)筒就有可能發(fā)生失穩(wěn)變形。在模擬試驗(yàn)試驗(yàn)中，把熱水加熱到45℃時(shí)壓力就已經(jīng)升至0.5MPa,已接近了許用外壓，只要溫度繼續(xù)升高壓力隨之就會(huì)超過許用外壓值，充分說明失穩(wěn)變形事故是由于夾套管道封閉導(dǎo)致水溫升高引起超壓所致。

在去催罐系統(tǒng)中熱水罐截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，致使與其連接的安全閥失去超壓泄放功能。在此情況下，夾套管道內(nèi)的熱水被換熱器反復(fù)加熱，其飽和溫度會(huì)持續(xù)增高，導(dǎo)致飽和壓相應(yīng)升高，而無法泄放，導(dǎo)致超壓最終造成內(nèi)筒失穩(wěn)。

核算去催罐內(nèi)筒的許用外壓力，由于

式中字母代表意義同上，然后查圖確定外壓應(yīng)變系數(shù)A 為0.0007991，進(jìn)而確定外壓應(yīng)力系數(shù)B 為65.96，故許用外壓力[P]為：

說明內(nèi)筒所受外壓超過0.528MPa，即飽和蒸汽壓大于0.528MPa 對應(yīng)的飽和溫度高于159.9℃時(shí)，內(nèi)筒就可能發(fā)生失穩(wěn)變形。

經(jīng)過調(diào)查分析排除了夾套容器自身的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量問題。通過模擬試驗(yàn)證實(shí)在封閉環(huán)境里水溫增加可引起的壓力快速增大。結(jié)晶罐夾套補(bǔ)水管道凍結(jié)堵塞，而又未設(shè)置壓力保護(hù)系統(tǒng)，致使夾套換熱水系統(tǒng)封閉，隨著換熱器持續(xù)對循環(huán)熱水加熱，水溫持續(xù)增高，致使液體膨脹，由于系統(tǒng)被封閉，膨脹被限制，由于水不易壓縮，導(dǎo)致壓力急劇升高[7]，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于夾套內(nèi)筒失穩(wěn)臨界壓力時(shí)，內(nèi)筒失穩(wěn)變形，形成鼓包。而去催罐夾套管道系統(tǒng)中安全閥失去作用，同樣隨著對循環(huán)熱水加熱，使其飽和壓隨之增大，超過臨界壓力，內(nèi)筒就會(huì)失穩(wěn)變形。

4 提出整改措施

(1)修改結(jié)晶罐夾套管道系統(tǒng)工藝流程，增加超壓泄放裝置，防止特殊情況時(shí)發(fā)生超壓。

(2)拆除已經(jīng)鼓包的三臺(tái)設(shè)備，更換備用設(shè)備，施工完成后進(jìn)行壓力試驗(yàn)。

(3)兩臺(tái)結(jié)晶罐補(bǔ)水管線增加保溫層，防止凍結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)修改后工藝流程，增加系統(tǒng)保護(hù)措施，安裝安全泄放裝置或超壓報(bào)警裝置。

(4)拆除去催罐系統(tǒng)中乙二醇-水罐安全閥下面的截止閥，發(fā)揮安全閥的超壓泄放作用。

5 處理后運(yùn)行跟蹤

設(shè)備部更換了三臺(tái)鼓包設(shè)備，對兩臺(tái)結(jié)晶罐的補(bǔ)水管道進(jìn)行了保溫，并在夾套進(jìn)口側(cè)安裝安全閥，將去催罐系統(tǒng)中安全閥處的截止閥拆除。車間完善了三臺(tái)設(shè)備相關(guān)操作規(guī)程，對崗位操作進(jìn)行了培訓(xùn)，增加夾套操作記錄，并加強(qiáng)巡檢，目前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

6 結(jié)語

企業(yè)常常容易忽視夾套加熱或冷卻換熱的安全問題，認(rèn)為發(fā)生失穩(wěn)比爆破失效危險(xiǎn)性小，但是這三臺(tái)設(shè)備事故提醒企業(yè)夾套失穩(wěn)變形，同樣會(huì)造成重大損失[8]。所以企業(yè)要改變觀念，重視夾套循環(huán)系統(tǒng)安全，充分考慮誤操作、環(huán)境影響等特殊情況導(dǎo)致的超溫超壓，完善安全防護(hù)配置，防止夾套容器失穩(wěn)事故發(fā)生。