第21卷第4期機械設計Vol 21 No 42004年4月JOURNAL OF MACHINE DESIGN重質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廣東茂名52504)摘要對重質潤滑油生產裝置中套管型換熱器的一條內管的塌陷失效原因進行了分析缐合分析了設備旳運行歷史、場陷外觀表現(xiàn)、材料的理化檢驗、結構的受力比較和介質爆燃的可能性后確定介質的化學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鍵詞套管換熱器泆效分析爆炸中圖分類號ITH117.2文獻標識碼∶A文章編號:1001-23542004)4-0053-03失效的發(fā)現(xiàn)異常。因此失效發(fā)生于設備開始停車至吹掃結束期間但沒有聽見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品2.2軸向塌陷的生產運行時內管內最大壓力為2.5MPa管間最大壓力為1如圖3所示失效起點位于膨脹節(jié)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丁酮和甲60m內外管相焊接處軸向失穩(wěn)全長約2400m失穩(wěn)止苯與內管的含蠟油進行熱交換使含蠟油溫度降低而析出結晶點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傳動機構驅動用手連接和支持管軸的中間軸承座效圖3中沒有拍照出來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內管壁將粘結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圖1實物圖見圖2。997年9月某公司裝置其他設備大修時為恢復生產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流程內的介質再通1MPa、176℃的蒸汽進行吹掃然后拆檢發(fā)現(xiàn)其1號套管管軸無法拉岀。經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。并對套的失效進行分析。套聞進口2失效表現(xiàn)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(wěn)管段的內管總體表現(xiàn)為軸對稱結構的非對稱失穩(wěn)失更換了全部管軸這次停車前設備運轉正常。其他管軸均沒發(fā)穩(wěn)的橫截面在失穩(wěn)全長內的變形趨向完全一致呈腰形腰要背現(xiàn)異常情況且1號套管的外管及外管上的U形膨脹節(jié)也沒見略見扁平其自然方位以及靠近膨脹節(jié)處為最大失穩(wěn)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]南昌江西科學技術出版社,[4]黃北京.高等教育出版社2002[5]高中國煤化工統(tǒng)的研究D1碩士學位論又[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作者簡介1965-)男廣東化州人工學碩士高級工程師茂名石化公司機械廠副廠長兼總工程師主要從事壓力容器及管道問題的究機械設計第21卷第4期3.1壁厚測量內管原來壁厚的標準值是8mm現(xiàn)從膨脹節(jié)處起軸向500m范圍內的內管失穩(wěn)處進行超聲波測厚測點如圖3所示。約50mm間隔的11個點測厚值分別為7.47.27.36.97.1,7.06.97.17.07.16.9(mm),平均厚7.08mm,說明由于刮刀刮蠟作用使內管壁厚平均減薄1.5%3.2化學成分內管材質SH39相當于10MnDR是中國石化總公司和成都無縫鋼管廠共同開發(fā)的專用產品其標準成分及失效內管材質的化學成分見表1內管樣品通過機械方法取自失效部位3.3物理性能SH3的力學性能標準值及失效樣品值見表2沖沖擊試樣尺圖2大套管結晶器實物圖寸為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(jié)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的化學成分化學成分%)標準管<0.25<0.35<1.35<0.03<0.03圖3剖開外管后所見膨脹節(jié)附近內管的失穩(wěn)形貌失效管0.100.240.570.0160.018表2SH39的力學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(guī)定SH39鋼管的交貨狀態(tài)為正火或正火+回火綜上可見內管材質化學成分正常機械性能符合有關標準的規(guī)定且尚有富裕管材沒有原始缺陷。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(wěn)載荷圖4閃官腰形失穩(wěn)截血已知內管外直徑D為219mm內管壁厚δ見3.1節(jié)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所示沿失效管長腰形背面上有五處鼓包其中較近承作用確定內管無支承有效長度L取3500m根據(jù)L/D=3膨脹節(jié)的三處已凸裂裂口孤長依次為40mm3m和25m,50029=15.98和D6=2196.9=31.74>20查CB150裂口壁厚均無減薄外觀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(shù)A=0.00097由A和內套色從三個裂囗處均可看見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(shù)B=在內管里面無法產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裂。=125/31.74=3.94MPa失穩(wěn)安全系數(shù)m=3則該內管失穩(wěn)2.5管軸狀況時的管間壓力為P=mP]=3×3.94=11.82MPa>10MPa火割解剖發(fā)現(xiàn)管軸沒有扭歪現(xiàn)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(xiàn)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(jié)的波紋形段內有凝結的潤滑CNMHG汽吹掃時,6MDR的高溫強度為aoa但是考慮到SH3實際的常溫屈服強度脂擔沒發(fā)現(xiàn)零部件外觀上可見的原始缺陷。值較標準值高出1.58倍故實取σ8=267MPs則外管失效時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(wěn)壓力式中——鋼管的焊縫系數(shù)φ2004年4月陳孫藝等重質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(jié)內壓失穩(wěn)載荷的影響也可能殘存有較多的甲苯介質再結合內管塌陷的部位1)無加強波紋管許用內壓。經計算在僅承受內壓的情況為上半部的實際情況分析,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(jù)這一原理制成的)其化學爆炸反應完全可以2)加強環(huán)強度?？紤]波紋管護環(huán)、膨脹節(jié)法蘭及外管組合發(fā)生于介質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(jié)附近空間迅速達到爆炸下限MPa>內管失穩(wěn)壓力3)波頂圓環(huán)許用內壓。由于波紋管護環(huán)及膨脹節(jié)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(wěn)壓力。4.4管間壓力性質分析正常操作的運行工況及停車蒸汽吹掃壓力均屬于低壓遠圖5膨脹節(jié)滯流介質圖低于內管失穩(wěn)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)在裝置停車吹掃及大修過程套管上各有關零部件的許用內壓尚未通過安全系數(shù)換算成極中可通過管線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(wěn)極限載荷由此可見使擦特性在蒸汽進口處因為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(wěn)壓使得摩擦激烈也可產生靜電但此類爆炸可在沒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(wěn)作用力具有局部性或者說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性進一步判斷該作用力屬于爆炸力。置大修現(xiàn)場其他各種噪聲的影響,以及外套管沒有外觀變形等表現(xiàn)現(xiàn)場人員對該設備事故的發(fā)生沒有感覺是不奇怪的?？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管間介質物化性質及介質殘余量物。丁酮為無色易揮發(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混合物,蒸氣與空氣1)內管失穩(wěn)與材質及正常的操作工況無關失穩(wěn)外壓來形成爆炸性混合物。其他物化性質見表3自管間介質丁酮和甲苯的化學爆炸作用。僅從理論上分析滯流于膨脹節(jié)波紋圓環(huán)的殘余介質如圖(2)為了方便設備停車檢修時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膨脹節(jié)兩個波紋環(huán)底部應增設排污孔其他進出囗也應設計余介質數(shù)量少蒸發(fā)氣體可以沿著管間擴散因此,甲苯和丁酮成可完全排凈介質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)生總有一段升壓過程破裂形式一般(3)合理制定大套管結晶器停車吹掃的工藝規(guī)程。例如先屬于延性破裂從三個沖擊裂口無減薄的實際情況判斷也排除吹掃內管且吹掃時間長些以使套管間殘余介質得到充分的受了這種可能性。表3管間介質物化性質寺寺介質點沸點蒸氣壓閃點爆炸極限自燃點(℃)(℃)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委員會.GB150-1998《鋼制壓力容器》5.2化學爆炸性分析中國煤化工3甲苯燃爆反應式為3[2]曹中國勞動出版社1992CH4CH2+9O2→7CO2↑+4H2O↑+Q[3]中CNMHG刷十年制學校高中課本(試用在長2400m失效管間容積4.8×10-4m3空間內的甲苯質本光敩第二冊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(jù)內管[4]高維民石油化工安全衛(wèi)生監(jiān)督指南M]北京中國勞動出版社