重质换热型大套管结晶器内管塌陷分析

第21卷第4期机械设计Vol 21 No 42004年4月JOURNAL OF MACHINE DESIGN重质换热型大套管结晶器內管塌陷分析陈孙艺中国石化茂名石化机械厂广东茂名52504)摘要对重质润滑油生产裝置中套管型换热器的一条內管的塌陷失效原因进行了分析缐合分析了设备旳运行历史、場陷外观表现、材料的理化检验、结构的受力比较和介质爆燃的可能性后确定介质的化学爆炸是这起设备事故的根本原因并从结构设计和操作方面提出了改善的预防措施关键词套管换热器泆效分析爆炸中图分类号ITH117.2文献标识码∶A文章编号:1001-23542004)4-0053-03失效的发现异常。因此失效发生于设备开始停车至吹扫结束期间但没有听见异常的声换热型大套管结晶器广泛应用于高级润滑油和石蜡产品2.2轴向塌陷的生产运行时内管内最大压力为2.5MPa管间最大压力为1如图3所示失效起点位于膨胀节附近在距离端面法兰约6Mh其功能一方面是在套管间通入混合冷却介质丁酮和甲60m内外管相焊接处轴向失稳全长约2400m失稳止苯与内管的含蜡油进行热交换使含蜡油温度降低而析出结晶点位于焊在内管外表面上以保持管间间隙的支承块及内管内蜡粘结于内管壁上另一方面在内套管端部通过传动机构驱动用手连接和支持管轴的中间轴承座效图3中没有拍照出来带有框架刮刀装置的管轴旋转刮刀片在弹簧力的作用下紧靠内管壁将粘结于内管壁上的结晶蜡刮下排岀。一台结晶器由套间出口12条套管分两排串联排列而成每条14m的套管由中219mmx8mm的内管和∮273mm×8mm的外管夹套组焊而成管轴于内管内示意图见图1实物图见图2。997年9月某公司装置其他设备大修时为恢复生产前作内套管外套管准备而抽检一台结晶器抽检前先排除干净內管内和夹套间个流程內的介质再通1MPa、176℃的蒸汽进行吹扫然后拆检发现其1号套管管轴无法拉岀。经解剖该內管壁刀组件存在不同程度变形且和管轴之间紧紧卡住。并对套的失效进行分析。套闻进口2失效表现及初步分析图1大套管结晶器套管橫截面布置2.1总体情况2.3横截面变形该设备1994年安装后正常运行直至1996年装置大修期间失稳管段的内管总体表现为轴对称结构的非对称失稳失更换了全部管轴这次停车前设备运转正常。其他管轴均没发稳的横截面在失稳全长内的变形趋向完全一致呈腰形腰要背现异常情况且1号套管的外管及外管上的U形膨胀节也没见略见扁平其自然方位以及靠近膨胀节处为最大失稳截面尺寸如图4所示。[3]孙桓陈作模.机械原理(第六版IM]北京高等教育出版社参考文献[I]朱孝录中国机械设计大典M]南昌江西科学技术出版社,[4]黄北京.高等教育出版社2002[5]高中国煤化工统的研究D1硕士学位论又[2]郑文伟吴克坚.机楲原理M]北京高等教育出版社997CNMHG收稿日期2003-07-28修订日期2003-11-24作者简介1965-)男广东化州人工学硕士高级工程师茂名石化公司机械厂副厂长兼总工程师主要从事压力容器及管道问题的究机械设计第21卷第4期3.1壁厚测量内管原来壁厚的标准值是8mm现从膨胀节处起轴向500m范围内的内管失稳处进行超声波测厚测点如图3所示。约50mm间隔的11个点测厚值分别为7.47.27.36.97.1,7.06.97.17.07.16.9(mm),平均厚7.08mm,说明由于刮刀刮蜡作用使内管壁厚平均减薄1.5%3.2化学成分内管材质SH39相当于10MnDR是中国石化总公司和成都无缝钢管厂共同开发的专用产品其标准成分及失效内管材质的化学成分见表1内管样品通过机械方法取自失效部位3.3物理性能SH3的力学性能标准值及失效样品值见表2沖冲击试样尺图2大套管结晶器实物图寸为5mm×10mm×55m由表知SH39取样的屈强比为a/on支承块0.75~0.83,较按标准计得的参照值0.54提高了399澎胀节54%强度储备的降低在一定程度上削弱了材料抵抗变形的性表1SH9的化学成分化学成分%)标准管<0.25<0.35<1.35<0.03<0.03图3剖开外管后所见膨胀节附近内管的失稳形貌失效管0.100.240.570.0160.018表2SH39的力学性能测厚处管抗拉强度屈服强庭延伸率%A冲击吸收σ,/MPa纵向横向功-40℃(J)标准管>382>206>35>2失效管384-4230-30283.4热处理状态按标准规定SH39钢管的交货状态为正火或正火+回火综上可见内管材质化学成分正常机械性能符合有关标准的规定且尚有富裕管材没有原始缺陷。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内管外压失稳载荷图4闪官腰形失稳截血已知内管外直径D为219mm内管壁厚δ见3.1节壁厚2.4鼓包凸裂测量所得的最小值6.9mm考虑到管轴中间轴承座对内管的支如图3所示沿失效管长腰形背面上有五处鼓包其中较近承作用确定内管无支承有效长度L取3500m根据L/D=3膨胀节的三处已凸裂裂口孤长依次为40mm3m和25m,50029=15.98和D6=2196.9=31.74>20查CB150裂口壁厚均无減薄外观但断面垂直于管壁且表面较粗糙呈灰1998《钢制压力容器》图6-2得系数A=0.00097由A和内套色从三个裂囗处均可看见内管里面管轴的刮刀座鉴于刮刀座管的弹性模量E=25MP3再查该标准的图6-4得系数B=在内管里面无法产生径向向外的作用力,可判断是内管径向受125按该标准的式6-1)计算其许用外压值为P]=B/D/0。压向内变形受到刮刀座的顶撞而冲击开裂。=125/31.74=3.94MPa失稳安全系数m=3则该内管失稳2.5管轴状况时的管间压力为P=mP]=3×3.94=11.82MPa>10MPa火割解剖发现管轴没有扭歪现象腰底面的鼓包罩在刮刀座上刮刀组件轻微扭歪。此外还发现内外套管及管轴均被黑4.2中国煤化工取色油污粘染似有被烧迹象膨胀节的波纹形段內有凝结的润滑CNMHG汽吹扫时,6MDR的高温强度为aoa但是考虑到SH3实际的常温屈服强度脂担没发现零部件外观上可见的原始缺陷。值较标准值高出1.58倍故实取σ8=267MPs则外管失效时的许用内压可按下式计算13理化检验P=2,中(D1+8)=16.1MPa>内管失稳压力式中——钢管的焊缝系数φ2004年4月陈孙艺等重质换热型大套管结晶器內管塌陷分析内套管的内直径,D=257尚残存一定的结晶蜡可推断其外管由于不直度及设备水平度膨胀节内压失稳载荷的影响也可能残存有较多的甲苯介质再结合内管塌陷的部位1)无加强波纹管许用內压。经计算在仅承受內压的情况为上半部的实际情况分析,考虑到爆炸的破坏性强,作用范下校核波纹管组合应力的许用载荷为1.7MPa此时波纹管由广因为夹套间的空间小,甲苯燃爆的传播速度和范围也就小于加强环的加强作用尚有安全裕度阻火器就是根据这一原理制成的)其化学爆炸反应完全可以2)加强环强度。考虑波纹管护环、膨胀节法兰及外管组合发生于介质浓度相对较高的局部空间特别是其燃烧速度比航体的加强作用取。=组合体当量厚度值38mm按10号钢取空汽油还要快26%[4在吹扫蒸汽作用下,甲苯很快便可气化按前式同理可计算组合体的许用载荷为25.76并在膨胀节附近空间迅速达到爆炸下限MPa>内管失稳压力3)波顶圆环许用内压。由于波纹管护环及膨胀节加强环外管内径的加强作用波纹管波顶圆环的承压极限可视该圆环为小圆筒计考虑10%的成形减薄量后A=2.4×90%=2.16mm取波纹管波顶圆内径σN8=133MPa按前式同理可计算波顶圆环失效的许用内压为31.64MPa>内管失稳压力。4.4管间压力性质分析正常操作的运行工况及停车蒸汽吹扫压力均属于低压远图5膨胀节滯流介质图低于內管失稳的套间压力。由上述计算结果比较可知虽然外作为引爆源的空气氧成分)在装置停车吹扫及大修过程套管上各有关零部件的许用内压尚未通过安全系数换算成极中可通过管线混入到套管间欢扫套管的水蒸汽具有一定的摩限载荷但均已大于内套管的外压失稳极限载荷由此可见使擦特性在蒸汽进口处因为9°流向转变及内管支承块的阻碍内管塌陷的作用力属于高压作用力并且该力大于内管失稳压使得摩擦激烈也可产生静电但此类爆炸可在没有明火和静电力而小于外管及其辅件的承压极限。的作用下发生。从失效限于局部结构看失稳作用力具有局部性或者说具由于燃爆反应升压仅一瞬间其爆炸声封闭在管內加上装有瞬时性进一步判断该作用力属于爆炸力。置大修现场其他各种噪声的影响,以及外套管没有外观变形等表现现场人员对该设备事故的发生没有感觉是不奇怪的。总管间爆炸分析之只有爆炸才能造成这次内管的失效而套管间也具有燃爆的可能性。6)甲苯为无色液体不溶于水易燃与空气形成爆炸性混合6结论和建议5.1管间介质物化性质及介质残余量物。丁酮为无色易挥发、易燃液体溶于苯、乙醇和乙醚,可与油混溶溶于约四倍的水中与水形成恒沸点混合物,蒸气与空气1)内管失稳与材质及正常的操作工况无关失稳外压来形成爆炸性混合物。其他物化性质见表3自管间介质丁酮和甲苯的化学爆炸作用。仅从理论上分析滞流于膨胀节波纹圆环的残余介质如图(2)为了方便设备停车检修时能排干净管间易燃易爆介5阴影所示其容积为2.2×104m3由于管间连通空间较大残质膨胀节两个波纹环底部应增设排污孔其他进出囗也应设计余介质数量少蒸发气体可以沿着管间扩散因此,甲苯和丁酮成可完全排净介质的结构还应保证设备接地良好防止静电累在蒸汽的加热下仅由于迅速蒸发膨胀形成物理爆炸的可能性积较小。另外物理爆炸的发生总有一段升压过程破裂形式一般(3)合理制定大套管结晶器停车吹扫的工艺规程。例如先属于延性破裂从三个冲击裂口无减薄的实际情况判断也排除吹扫内管且吹扫时间长些以使套管间残余介质得到充分的受了这种可能性。表3管间介质物化性质寺寺介质点沸点蒸气压闪点爆炸极限自燃点(℃)(℃)kPd20℃)(℃)%体积)(℃)参考文献甲苯-94.510.72.94.4闭杯1.2-7.056丁酮-94.5110.72.9441.8-10515[1]全国压力容器标准化技术委员会.GB150-1998《钢制压力容器》5.2化学爆炸性分析中国煤化工3甲苯燃爆反应式为3[2]曹中国劳动出版社1992CH4CH2+9O2→7CO2↑+4H2O↑+Q[3]中CNMHG刷十年制学校高中课本(试用在长2400m失效管间容积4.8×10-4m3空间内的甲苯质本光敩第二册M]北京民教育出版社.1980146-14量浓度为4mg/L虽然离其爆炸下限尚有较大差距但根据内管[4]高维民石油化工安全卫生监督指南M]北京中国劳动出版社