重質(zhì)換熱型大套管結晶器內管塌陷分析

第21卷第4期機械設計Vol 21 No 42004年4月JOURNAL OF MACHINE DESIGN重質(zhì)換熱型大套管結晶器內管塌陷分析陳孫藝中國石化茂名石化機械廠(chǎng)廣東茂名52504)摘要對重質(zhì)潤滑油生產(chǎn)裝置中套管型換熱器的一條內管的塌陷失效原因進(jìn)行了分析缐合分析了設備旳運行歷史、場(chǎng)陷外觀(guān)表現、材料的理化檢驗、結構的受力比較和介質(zhì)爆燃的可能性后確定介質(zhì)的化學(xué)爆炸是這起設備事故的根本原因并從結構設計和操作方面提出了改善的預防措施關(guān)鍵詞套管換熱器泆效分析爆炸中圖分類(lèi)號ITH117.2文獻標識碼∶A文章編號:1001-23542004)4-0053-03失效的發(fā)現異常。因此失效發(fā)生于設備開(kāi)始停車(chē)至吹掃結束期間但沒(méi)有聽(tīng)見(jiàn)異常的聲換熱型大套管結晶器廣泛應用于高級潤滑油和石蠟產(chǎn)品2.2軸向塌陷的生產(chǎn)運行時(shí)內管內最大壓力為2.5MPa管間最大壓力為1如圖3所示失效起點(diǎn)位于膨脹節附近在距離端面法蘭約6Mh其功能一方面是在套管間通入混合冷卻介質(zhì)丁酮和甲60m內外管相焊接處軸向失穩全長(cháng)約2400m失穩止苯與內管的含蠟油進(jìn)行熱交換使含蠟油溫度降低而析出結晶點(diǎn)位于焊在內管外表面上以保持管間間隙的支承塊及內管內蠟粘結于內管壁上另一方面在內套管端部通過(guò)傳動(dòng)機構驅動(dòng)用手連接和支持管軸的中間軸承座效圖3中沒(méi)有拍照出來(lái)帶有框架刮刀裝置的管軸旋轉刮刀片在彈簧力的作用下緊靠?jì)裙鼙趯⒄辰Y于內管壁上的結晶蠟刮下排岀。一臺結晶器由套間出口12條套管分兩排串聯(lián)排列而成每條14m的套管由中219mmx8mm的內管和∮273mm×8mm的外管夾套組焊而成管軸于內管內示意圖見(jiàn)圖1實(shí)物圖見(jiàn)圖2。997年9月某公司裝置其他設備大修時(shí)為恢復生產(chǎn)前作內套管外套管準備而抽檢一臺結晶器抽檢前先排除干凈內管內和夾套間個(gè)流程內的介質(zhì)再通1MPa、176℃的蒸汽進(jìn)行吹掃然后拆檢發(fā)現其1號套管管軸無(wú)法拉岀。經(jīng)解剖該內管壁刀組件存在不同程度變形且和管軸之間緊緊卡住。并對套的失效進(jìn)行分析。套聞進(jìn)口2失效表現及初步分析圖1大套管結晶器套管橫截面布置2.1總體情況2.3橫截面變形該設備1994年安裝后正常運行直至1996年裝置大修期間失穩管段的內管總體表現為軸對稱(chēng)結構的非對稱(chēng)失穩失更換了全部管軸這次停車(chē)前設備運轉正常。其他管軸均沒(méi)發(fā)穩的橫截面在失穩全長(cháng)內的變形趨向完全一致呈腰形腰要背現異常情況且1號套管的外管及外管上的U形膨脹節也沒(méi)見(jiàn)略見(jiàn)扁平其自然方位以及靠近膨脹節處為最大失穩截面尺寸如圖4所示。[3]孫桓陳作模.機械原理(第六版IM]北京高等教育出版社參考文獻[I]朱孝錄中國機械設計大典M]南昌江西科學(xué)技術(shù)出版社,[4]黃北京.高等教育出版社2002[5]高中國煤化工統的研究D1碩士學(xué)位論又[2]鄭文偉吳克堅.機楲原理M]北京高等教育出版社997CNMHG收稿日期2003-07-28修訂日期2003-11-24作者簡(jiǎn)介1965-)男廣東化州人工學(xué)碩士高級工程師茂名石化公司機械廠(chǎng)副廠(chǎng)長(cháng)兼總工程師主要從事壓力容器及管道問(wèn)題的究機械設計第21卷第4期3.1壁厚測量?jì)裙茉瓉?lái)壁厚的標準值是8mm現從膨脹節處起軸向500m范圍內的內管失穩處進(jìn)行超聲波測厚測點(diǎn)如圖3所示。約50mm間隔的11個(gè)點(diǎn)測厚值分別為7.47.27.36.97.1,7.06.97.17.07.16.9(mm),平均厚7.08mm,說(shuō)明由于刮刀刮蠟作用使內管壁厚平均減薄1.5%3.2化學(xué)成分內管材質(zhì)SH39相當于10MnDR是中國石化總公司和成都無(wú)縫鋼管廠(chǎng)共同開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用產(chǎn)品其標準成分及失效內管材質(zhì)的化學(xué)成分見(jiàn)表1內管樣品通過(guò)機械方法取自失效部位3.3物理性能SH3的力學(xué)性能標準值及失效樣品值見(jiàn)表2沖沖擊試樣尺圖2大套管結晶器實(shí)物圖寸為5mm×10mm×55m由表知SH39取樣的屈強比為a/on支承塊0.75~0.83,較按標準計得的參照值0.54提高了399澎脹節54%強度儲備的降低在一定程度上削弱了材料抵抗變形的性表1SH9的化學(xué)成分化學(xué)成分%)標準管<0.25<0.35<1.35<0.03<0.03圖3剖開(kāi)外管后所見(jiàn)膨脹節附近內管的失穩形貌失效管0.100.240.570.0160.018表2SH39的力學(xué)性能測厚處管抗拉強度屈服強庭延伸率%A沖擊吸收σ,/MPa縱向橫向功-40℃(J)標準管>382>206>35>2失效管384-4230-30283.4熱處理狀態(tài)按標準規定SH39鋼管的交貨狀態(tài)為正火或正火+回火綜上可見(jiàn)內管材質(zhì)化學(xué)成分正常機械性能符合有關(guān)標準的規定且尚有富裕管材沒(méi)有原始缺陷。因此初步排除由于管材本身引起失效的可能性。凸裂4受力分析4.1內管外壓失穩載荷圖4閃官腰形失穩截血已知內管外直徑D為219mm內管壁厚δ見(jiàn)3.1節壁厚2.4鼓包凸裂測量所得的最小值6.9mm考慮到管軸中間軸承座對內管的支如圖3所示沿失效管長(cháng)腰形背面上有五處鼓包其中較近承作用確定內管無(wú)支承有效長(cháng)度L取3500m根據L/D=3膨脹節的三處已凸裂裂口孤長(cháng)依次為40mm3m和25m,50029=15.98和D6=2196.9=31.74>20查CB150裂口壁厚均無(wú)減薄外觀(guān)但斷面垂直于管壁且表面較粗糙呈灰1998《鋼制壓力容器》圖6-2得系數A=0.00097由A和內套色從三個(gè)裂囗處均可看見(jiàn)內管里面管軸的刮刀座鑒于刮刀座管的彈性模量E=25MP3再查該標準的圖6-4得系數B=在內管里面無(wú)法產(chǎn)生徑向向外的作用力,可判斷是內管徑向受125按該標準的式6-1)計算其許用外壓值為P]=B/D/0。壓向內變形受到刮刀座的頂撞而沖擊開(kāi)裂。=125/31.74=3.94MPa失穩安全系數m=3則該內管失穩2.5管軸狀況時(shí)的管間壓力為P=mP]=3×3.94=11.82MPa>10MPa火割解剖發(fā)現管軸沒(méi)有扭歪現象腰底面的鼓包罩在刮刀座上刮刀組件輕微扭歪。此外還發(fā)現內外套管及管軸均被黑4.2中國煤化工取色油污粘染似有被燒跡象膨脹節的波紋形段內有凝結的潤滑CNMHG汽吹掃時(shí),6MDR的高溫強度為aoa但是考慮到SH3實(shí)際的常溫屈服強度脂擔沒(méi)發(fā)現零部件外觀(guān)上可見(jiàn)的原始缺陷。值較標準值高出1.58倍故實(shí)取σ8=267MPs則外管失效時(shí)的許用內壓可按下式計算13理化檢驗P=2,中(D1+8)=16.1MPa>內管失穩壓力式中——鋼管的焊縫系數φ2004年4月陳孫藝等重質(zhì)換熱型大套管結晶器內管塌陷分析內套管的內直徑,D=257尚殘存一定的結晶蠟可推斷其外管由于不直度及設備水平度膨脹節內壓失穩載荷的影響也可能殘存有較多的甲苯介質(zhì)再結合內管塌陷的部位1)無(wú)加強波紋管許用內壓。經(jīng)計算在僅承受內壓的情況為上半部的實(shí)際情況分析,考慮到爆炸的破壞性強,作用范下校核波紋管組合應力的許用載荷為1.7MPa此時(shí)波紋管由廣因為夾套間的空間小,甲苯燃爆的傳播速度和范圍也就小于加強環(huán)的加強作用尚有安全裕度阻火器就是根據這一原理制成的)其化學(xué)爆炸反應完全可以2)加強環(huán)強度?？紤]波紋管護環(huán)、膨脹節法蘭及外管組合發(fā)生于介質(zhì)濃度相對較高的局部空間特別是其燃燒速度比航體的加強作用取。=組合體當量厚度值38mm按10號鋼取空汽油還要快26%[4在吹掃蒸汽作用下,甲苯很快便可氣化按前式同理可計算組合體的許用載荷為25.76并在膨脹節附近空間迅速達到爆炸下限MPa>內管失穩壓力3)波頂圓環(huán)許用內壓。由于波紋管護環(huán)及膨脹節加強環(huán)外管內徑的加強作用波紋管波頂圓環(huán)的承壓極限可視該圓環(huán)為小圓筒計考慮10%的成形減薄量后A=2.4×90%=2.16mm取波紋管波頂圓內徑σN8=133MPa按前式同理可計算波頂圓環(huán)失效的許用內壓為31.64MPa>內管失穩壓力。4.4管間壓力性質(zhì)分析正常操作的運行工況及停車(chē)蒸汽吹掃壓力均屬于低壓遠圖5膨脹節滯流介質(zhì)圖低于內管失穩的套間壓力。由上述計算結果比較可知雖然外作為引爆源的空氣氧成分)在裝置停車(chē)吹掃及大修過(guò)程套管上各有關(guān)零部件的許用內壓尚未通過(guò)安全系數換算成極中可通過(guò)管線(xiàn)混入到套管間歡掃套管的水蒸汽具有一定的摩限載荷但均已大于內套管的外壓失穩極限載荷由此可見(jiàn)使擦特性在蒸汽進(jìn)口處因為9°流向轉變及內管支承塊的阻礙內管塌陷的作用力屬于高壓作用力并且該力大于內管失穩壓使得摩擦激烈也可產(chǎn)生靜電但此類(lèi)爆炸可在沒(méi)有明火和靜電力而小于外管及其輔件的承壓極限。的作用下發(fā)生。從失效限于局部結構看失穩作用力具有局部性或者說(shuō)具由于燃爆反應升壓僅一瞬間其爆炸聲封閉在管內加上裝有瞬時(shí)性進(jìn)一步判斷該作用力屬于爆炸力。置大修現場(chǎng)其他各種噪聲的影響,以及外套管沒(méi)有外觀(guān)變形等表現現場(chǎng)人員對該設備事故的發(fā)生沒(méi)有感覺(jué)是不奇怪的?？偣荛g爆炸分析之只有爆炸才能造成這次內管的失效而套管間也具有燃爆的可能性。6)甲苯為無(wú)色液體不溶于水易燃與空氣形成爆炸性混合6結論和建議5.1管間介質(zhì)物化性質(zhì)及介質(zhì)殘余量物。丁酮為無(wú)色易揮發(fā)、易燃液體溶于苯、乙醇和乙醚,可與油混溶溶于約四倍的水中與水形成恒沸點(diǎn)混合物,蒸氣與空氣1)內管失穩與材質(zhì)及正常的操作工況無(wú)關(guān)失穩外壓來(lái)形成爆炸性混合物。其他物化性質(zhì)見(jiàn)表3自管間介質(zhì)丁酮和甲苯的化學(xué)爆炸作用。僅從理論上分析滯流于膨脹節波紋圓環(huán)的殘余介質(zhì)如圖(2)為了方便設備停車(chē)檢修時(shí)能排干凈管間易燃易爆介5陰影所示其容積為2.2×104m3由于管間連通空間較大殘質(zhì)膨脹節兩個(gè)波紋環(huán)底部應增設排污孔其他進(jìn)出囗也應設計余介質(zhì)數量少蒸發(fā)氣體可以沿著(zhù)管間擴散因此,甲苯和丁酮成可完全排凈介質(zhì)的結構還應保證設備接地良好防止靜電累在蒸汽的加熱下僅由于迅速蒸發(fā)膨脹形成物理爆炸的可能性積較小。另外物理爆炸的發(fā)生總有一段升壓過(guò)程破裂形式一般(3)合理制定大套管結晶器停車(chē)吹掃的工藝規程。例如先屬于延性破裂從三個(gè)沖擊裂口無(wú)減薄的實(shí)際情況判斷也排除吹掃內管且吹掃時(shí)間長(cháng)些以使套管間殘余介質(zhì)得到充分的受了這種可能性。表3管間介質(zhì)物化性質(zhì)寺寺介質(zhì)點(diǎn)沸點(diǎn)蒸氣壓閃點(diǎn)爆炸極限自燃點(diǎn)(℃)(℃)kPd20℃)(℃)%體積)(℃)參考文獻甲苯-94.510.72.94.4閉杯1.2-7.056丁酮-94.5110.72.9441.8-10515[1]全國壓力容器標準化技術(shù)委員會(huì ).GB150-1998《鋼制壓力容器》5.2化學(xué)爆炸性分析中國煤化工3甲苯燃爆反應式為3[2]曹中國勞動(dòng)出版社1992CH4CH2+9O2→7CO2↑+4H2O↑+Q[3]中CNMHG刷十年制學(xué)校高中課本(試用在長(cháng)2400m失效管間容積4.8×10-4m3空間內的甲苯質(zhì)本光敩第二冊M]北京民教育出版社.1980146-14量濃度為4mg/L雖然離其爆炸下限尚有較大差距但根據內管[4]高維民石油化工安全衛生監督指南M]北京中國勞動(dòng)出版社