換熱器是石油、化工、冶金、動(dòng)力、糧油、制冷、食品加工和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。在石化廠中,換熱器投資約占總投資的20%以上,占設(shè)備總質(zhì)量的40%以上。
換熱器的作用有兩個(gè):一是通過(guò)熱交換使物流的工藝溫度達(dá)到規(guī)定溫度的要求,以完成加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等工藝過(guò)程;二是可有效地利用熱源,它在余熱回收等方面已成為必不可少的設(shè)備。但是,有的熱交換器工作條件是在高溫、高壓下進(jìn)行,比如工作介質(zhì)的壓力最高可達(dá)250MPa,操作溫度最高達(dá)1000~1500℃;有的其工作流體具有易燃、易爆、有毒、腐蝕性特點(diǎn),加之化工、石化生產(chǎn)要求處理量大、連續(xù)性強(qiáng),因此,這就給換熱器正常運(yùn)行帶來(lái)了一定的困難,稍有不慎就會(huì)發(fā)生事故,危及職工的生命安全。
熱交換器的事故類型主要有燃燒爆炸、嚴(yán)重泄漏和管束失控三種。其中設(shè)計(jì)不合理、制造缺陷、材料選擇不當(dāng)、腐蝕嚴(yán)重、操作失誤和維護(hù)管理不善是導(dǎo)致?lián)Q熱器發(fā)生事故的主要原因。下面為大家具體介紹引發(fā)事故發(fā)生的原因:
1燃燒爆炸
事故原因:
①自制換熱器,盲目將設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料做較大改動(dòng),制造質(zhì)量差,不符合壓力容器規(guī)范,設(shè)備強(qiáng)度大大降低。
②焊接質(zhì)量差,特別是焊接頭處未焊透,又未進(jìn)行焊縫探傷檢查、爆破試壓,導(dǎo)致焊接頭泄漏或產(chǎn)生疲勞斷裂,進(jìn)而大量易燃易爆流體介質(zhì)溢出,如遇明火,便發(fā)生爆炸。
③由于腐蝕(包括應(yīng)力、晶間腐蝕)引起耐壓強(qiáng)度下降,致使管束失效或產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏,遇明火發(fā)生爆炸。
④換熱器做氣密性試壓時(shí),采用氧氣補(bǔ)壓用可燃性精煉氣體試漏,引起物理與化學(xué)爆炸。
⑤操作違章、操作失誤、閥門關(guān)閉導(dǎo)致超壓爆炸。
⑥長(zhǎng)期不進(jìn)行排污,易燃易爆物質(zhì)(如三氯化氮)積聚過(guò)多,加之溫度過(guò)高導(dǎo)致?lián)Q熱器(如液氯換熱器)發(fā)生猛烈爆炸。
⑦過(guò)氧爆炸。
預(yù)防措施
①換熱器設(shè)計(jì)、制造應(yīng)符合國(guó)家壓力容器的規(guī)范要求,圖紙修改與變動(dòng)必須經(jīng)主管部門同意,經(jīng)驗(yàn)收質(zhì)量合格。
②換熱器制造時(shí),要保證焊接質(zhì)量,并對(duì)焊縫進(jìn)行嚴(yán)格檢查。
③流體為腐蝕介質(zhì)時(shí),應(yīng)注意提高材質(zhì)質(zhì)量和焊接質(zhì)量,增加管壁厚度或在流體中加入腐蝕預(yù)制劑,定期檢查管子表面腐蝕情況和對(duì)易腐蝕損壞的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè),采取有效措施。
④換熱器做氣密性實(shí)驗(yàn)時(shí),必須采用干燥的空氣、氮?dú)夂推渌栊詺怏w,嚴(yán)禁使用氧氣或可燃性氣體實(shí)驗(yàn)或補(bǔ)壓。
⑤嚴(yán)禁違章操作,嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)章。
⑥對(duì)易結(jié)垢的流體可定期進(jìn)行清洗,將結(jié)垢清洗掉。
⑦嚴(yán)格控制氧的含量。
案例分析:
換熱器超壓爆炸事故案例分析
1.事故經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)述
受某石油化工總廠化工一廠的委托,核工業(yè)部第五安裝公司,于1986年3月15日對(duì)化工一廠的換熱器進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。16時(shí)35分 時(shí),氣壓達(dá)到3.5兆帕?xí)r突然發(fā)生爆炸,試壓環(huán)緊固螺栓被拉斷,螺母脫落,換熱器管束與殼體分離,重量達(dá)四噸的管束在向前方?jīng)_出8米后,撞到載有空氣壓縮 機(jī)的黃河牌載重卡車上,卡車被推移2.3米,管束從原地沖出8米,重量達(dá)2噸的殼體向相反方向飛出38.5米,撞到地樁上。兩臺(tái)換熱器重疊,連接支座螺栓 被剪斷,連接法蘭短管被拉斷,兩臺(tái)設(shè)備脫開。重6噸的未爆炸換熱器受反作用力,整個(gè)向東南方向移位8米左右,并轉(zhuǎn)向170度。在現(xiàn)場(chǎng)工作的四人因爆炸死 亡。爆炸造成直接經(jīng)濟(jì)損失56000元,間接經(jīng)濟(jì)損失25000元。
2.事故原因分析
(1)操作人員違反操作。爆炸的換熱器共有40個(gè)緊固螺栓,但操作人員只裝13只螺栓就進(jìn)行氣密性試驗(yàn),且因試壓環(huán)厚度比原連接法 蘭厚4.7厘米,原螺栓長(zhǎng)度不夠,但操作工仍湊合用原螺栓,在承載螺栓數(shù)量減少一大半的情況下,每只螺栓所能承受的載荷又有明顯下降,由于實(shí)際每只螺栓承 載量大大超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定的承載能力,致使螺栓被拉斷后,換熱器發(fā)生爆炸。這是一起典型的因違章操作導(dǎo)致爆炸的事故。
(2)現(xiàn)場(chǎng)管理混亂,分工不明確,職責(zé)不清。直接參加現(xiàn)場(chǎng)工作的主要人員在試驗(yàn)前請(qǐng)假回家,將工作委托他人。試驗(yàn)前沒有人對(duì)安全防護(hù)措施和準(zhǔn)備工作進(jìn)行全面檢查。
2嚴(yán)重泄漏
換熱器最容易發(fā)生泄漏的部位有焊接頭處、封頭與管板連接處、管束與管板連接處和法蘭連接處。焊接接頭泄漏的直接原因是焊接質(zhì)量差, 如:焊縫未焊透、未熔合、存在氣孔夾渣、焊縫未經(jīng)探傷檢驗(yàn),甚至未做爆破實(shí)驗(yàn),只做部分部件的水壓試驗(yàn)和采用多次割焊,造成金相改變,內(nèi)應(yīng)力增大,強(qiáng)度大 大降低。列管泄漏會(huì)造成氣體走近路,如管內(nèi)半水煤氣泄入管間變換氣體中,使換氣一氧化碳升高,影響正常生產(chǎn)。造成列管泄漏的主要原因是腐蝕、開停車頻繁、 溫度變化大、換熱器急劇膨脹或收縮使花板脹管處泄漏以及設(shè)備本身制造缺陷等原因所致??傊l(fā)生燃燒爆炸、窒息、中毒和灼傷事故都是由泄漏引起的。易燃易爆 液體或氣體因泄漏而溢出,遇明火將引起燃燒爆炸事故;有毒氣體將引起窒息中毒;有強(qiáng)腐蝕流體泄漏,將會(huì)導(dǎo)致灼傷事故。
事故原因
①因腐蝕(如蒸汽霧滴、硫化氫、二氧化碳)嚴(yán)重,引起列管泄漏。
②由于開停車頻繁,溫度變化過(guò)大,設(shè)備急劇膨脹或收縮,使管板脹管泄漏。
③換熱器本身制造缺陷,焊接接頭泄漏。
④因操作溫度升高,螺栓伸長(zhǎng),緊固部位松動(dòng),引起法蘭泄漏。
⑤因管束組裝部位松動(dòng)、管子振動(dòng)、開停車和緊急停車造成的熱沖擊,以及定期檢修操作不當(dāng)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊而引起泄漏。
預(yù)防措施:
①定期進(jìn)行清洗,選擇耐蝕管材,流體中就愛如腐蝕抑氧劑,控制管內(nèi)流速,視泄漏情況決定停車更換或采取堵泄措施。
②精心操作,控制系統(tǒng)溫度不要發(fā)生較大的波動(dòng)。
③保證焊接質(zhì)量,對(duì)焊接進(jìn)行認(rèn)真檢查。
④盡量減少法蘭連接,升溫后及時(shí)重新緊固螺栓,緊固作業(yè)力求方便。
⑤對(duì)脹管部位不允許有泄漏的換熱器宜采取焊接裝配。
案例分析:
1994年2月17日,湖南岳陽(yáng)氮肥廠甲胺分廠發(fā)生泄漏事故,死亡3人,中毒4人,直接經(jīng)濟(jì)損失約157萬(wàn)元,停產(chǎn)1個(gè)月。
事故經(jīng)過(guò):
2月13日,湖南岳陽(yáng)市氮肥廠甲胺分廠合成崗位低溫?fù)Q熱器因內(nèi)漏導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率低而停車安排檢修。2月15日堵內(nèi)漏并拆換了法蘭密封 墊,20時(shí)檢修完畢,作了水壓試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)泄漏,便開車升溫。2月16日中班轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。2月17日3時(shí)10分,換熱器的封頭法蘭新更換的金屬纏繞墊突然 被容器內(nèi)介質(zhì)沖壞,大量液氨、甲醇混合氣從泄漏點(diǎn)向外噴出、擴(kuò)散,形成東西長(zhǎng)約200m,南北長(zhǎng)約100m的混合氣覆蓋區(qū)?,F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員中有7人中毒,其 中,3人因中毒嚴(yán)重死亡,4人送醫(yī)院搶救脫離危險(xiǎn)。事故發(fā)生后,全廠干部職工聞?dòng)嵓皶r(shí)趕赴事故現(xiàn)場(chǎng),消除引爆條件,切斷泄漏氣源,用5臺(tái)消防水車強(qiáng)制稀釋 有毒氣體,到5時(shí)30分,事故現(xiàn)場(chǎng)已被控制。
事故分析:
造成這起事故的直接原因,是未按圖樣要求更換法蘭密封墊。低溫?fù)Q熱器封頭法蘭密封墊圖樣要求為金屬包石棉墊,2月15日檢修更換的 是金屬纏繞墊,當(dāng)設(shè)備工作壓力升高后,金屬纏繞墊靠北方向薄弱點(diǎn)被內(nèi)壓沖壞,內(nèi)部介質(zhì)突然大量外噴,釀成事故。造成事故的主要原因是檢修完成后,未嚴(yán)格按 規(guī)程對(duì)容器進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn),埋下了事故隱患。同時(shí),設(shè)備檢修質(zhì)量存在問(wèn)題是事故發(fā)生的重要原因。在安裝封頭法蘭時(shí)沒有按照緊固螺栓的方法操作, 使整個(gè)法蘭受力不勻;而且,28個(gè)法蘭螺栓未完全上滿,空缺了1個(gè)。當(dāng)班操作工及維修工未及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故苗頭,沒有加強(qiáng)巡回檢查。
3管束失效
塔設(shè)備污染、反應(yīng)器觸媒中毒、設(shè)備嚴(yán)重泄漏都是化工設(shè)備事故,而管殼式換熱器、合成塔和廢熱鍋爐的管束失效也是化工設(shè)備破壞形式之一。
管殼式換熱器、合成塔和廢熱鍋爐的管束是薄弱環(huán)節(jié),最容易失效。管束失效的形式主要要有腐蝕開裂、傳熱能力迅速下降、碰撞破壞、管子切開、管束泄漏等。
事故原因:
1腐蝕
換熱器多用碳酸制造,冷卻水中溶解的氧所致的氧極化腐蝕極為嚴(yán)重,管束壽命往往只有幾個(gè)月或一兩年,加之工作介質(zhì)又有許多是有腐蝕 性的,如小氮肥的碳化塔冷卻水箱,在高濃度碳化氨水的腐蝕和碳酸氫銨結(jié)晶腐蝕雙作用下,碳化塔冷卻水箱有時(shí)僅使用兩三個(gè)月就發(fā)生泄漏。
管子與管板的接頭是管束上的易損區(qū),許多管束的失效都是由于接頭初的局部腐蝕所致。我國(guó)的換熱器接頭多采用焊接形式,管子與管板之 間存在間隙,殼程介質(zhì)進(jìn)入到間隙死角之中,就會(huì)引起縫隙腐蝕。對(duì)于采用膨脹形式的接頭,由于膨脹過(guò)程中存在殘余應(yīng)力,在已膨脹和未膨脹段間的過(guò)渡區(qū)上,管 子內(nèi)、外壁都存在拉應(yīng)力區(qū),對(duì)應(yīng)力腐蝕非常敏感。一旦具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度、介質(zhì)條件,換熱器就很快由于應(yīng)力腐蝕而破壞。許多合金鋼和不銹鋼換 熱器管束,往往是由于局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕而迅速開裂的。有人曾對(duì)某變換氣換熱器管束做過(guò)失效分析,該換熱器材質(zhì)為Cr25Ni20,在溫度為420℃左右 下運(yùn)行,在操作三四個(gè)月之后,竟有14%的管子開裂泄漏。對(duì)其斷口進(jìn)行分析表明,斷口形態(tài)呈敏化不銹鋼應(yīng)力腐蝕的典型特征:裂紋在起始處為晶間型,裂紋深 入到金屬內(nèi)部時(shí)轉(zhuǎn)化為穿晶型。
2結(jié)垢
在換熱器操作中,管束內(nèi)外壁都可能會(huì)結(jié)垢,而污垢層的熱阻要比金屬管材大得多,從而導(dǎo)致?lián)Q熱能力迅速下降,嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使換熱介質(zhì)的流道阻塞。
3流體流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)
為強(qiáng)化傳熱和減少污垢層,通常采用增大殼程流體流速的方法。而殼程流體流速增加,產(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng)的可能性也將大大增加,從而導(dǎo)致管束中管子的振動(dòng),最終致使管束破壞。常見的破壞形式有以下幾種。
(1)碰撞破壞當(dāng)管子的振幅足夠大時(shí),將致使管子之間相互碰撞,位于管束外圍的管子還可能和換熱器殼體內(nèi)壁發(fā)生碰撞。在碰撞中,管壁磨損變薄,最終發(fā)生開裂。
(2)折流板處管子切開折流板孔和管子之間有徑向間隙,當(dāng)管子發(fā)生橫向振動(dòng)的振幅較大時(shí),就會(huì)引起管壁與折流板孔的內(nèi)表面間產(chǎn)生反 復(fù)碰撞。由于折流板厚度不大,管壁多次、頻繁與其接觸,將承受很大的沖擊載荷,因而在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)就可能發(fā)生管子被切開的局部性破壞。
(3)管子與管板連接處破壞此種連接結(jié)構(gòu)可視為固定端約束,管子振動(dòng)產(chǎn)生橫向撓曲時(shí),連接處的應(yīng)力最大,因此,它是最容易產(chǎn)生管束失效的地區(qū)之一。此外,殼程接管也多位于管板處,接管附近介質(zhì)的高速流動(dòng)更容易在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)。
(4)材料缺陷的擴(kuò)展造成失效盡管設(shè)計(jì)得比較保守,在操作中管束的振動(dòng)是不可避免的,只不過(guò)振幅很小而已。因此,如果管子材料本身 存在缺陷(包括腐蝕和磨蝕產(chǎn)生的缺陷),那么在振動(dòng)引起的交變應(yīng)力作用下,位于主應(yīng)力方向上的缺陷裂紋就會(huì)迅速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致管子失效。
(5)振動(dòng)交變應(yīng)力場(chǎng)中的拉應(yīng)力還會(huì)成為應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力源。
流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)引起管子破壞,易發(fā)生在撓度相對(duì)較大和殼程橫向流速較高的區(qū)域。此區(qū)域通常是U形彎頭、殼程進(jìn)出口接管區(qū)、管板區(qū)、折流板缺口區(qū)和承受壓縮應(yīng)力的管子。
4操作維修不當(dāng)
應(yīng)力腐蝕只有在拉應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)和材料敏化溫度等條件同時(shí)具備的情況下才會(huì)發(fā)生。如果操作條件不穩(wěn)定或控制不當(dāng),尤其是剛開工時(shí),最容易出現(xiàn)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件。
在開工的熱過(guò)程中,管子內(nèi)壁溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于管外壁溫度,因而在管子外壁面將產(chǎn)生短暫但應(yīng)力水平很高的軸向和周向拉應(yīng)力。依據(jù)溫度應(yīng)力 公式計(jì)算,管外壁拉應(yīng)力將接近或超過(guò)管材的屈服點(diǎn)。在這種高拉應(yīng)力的反復(fù)作用下,管子上將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕微觀裂紋,并迅速擴(kuò)展直至開裂。換熱器管束上的裂 紋一般起始于管外壁,且垂直于拉應(yīng)力方向。
管束產(chǎn)生泄漏后,現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常采用堵管方法,并作為一種應(yīng)急的修復(fù)措施。有關(guān)專家曾對(duì)變換氣換熱器管束做過(guò)試驗(yàn),當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)現(xiàn)管束泄漏后,將占管總數(shù)14%的泄漏管子予以堵塞,然后繼續(xù)使用。
結(jié)果,很快就發(fā)生了更嚴(yán)重的破壞,以致造成管束報(bào)廢。這是由于堵塞的管子因管內(nèi)無(wú)介質(zhì)流動(dòng),其溫度大致等于殼程介質(zhì)的溫度,若殼程為高溫介質(zhì),這些 已堵管子的溫度還要大大增加,從而因已堵管和未堵管的溫差很大,加速了自身的破壞。而且已堵管子因溫度較高,還會(huì)受到軸向壓應(yīng)力的作用;未堵管子,特別是 位于已堵管周圍的管子,就將受到附加軸向拉應(yīng)力的作用,從而加快自身的應(yīng)力腐蝕破壞。
預(yù)防措施:
①合理選擇管材,制定合理的開停程序,加強(qiáng)在線監(jiān)測(cè),嚴(yán)格控制運(yùn)行條件,防止和減輕應(yīng)力腐蝕。對(duì)工藝進(jìn)行適當(dāng)處理,降低其腐蝕性。
②采取先進(jìn)水處理新工藝、新配方。
③優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在流體入口前設(shè)置緩沖罐,減少脈沖,適當(dāng)減小折流間距和折流板厚度,增加管壁厚度。
④嚴(yán)格控制操作條件,使其比較穩(wěn)定。在管束試壓或操作中發(fā)現(xiàn)接頭泄漏時(shí),對(duì)接頭修復(fù)脹管要慎重。修復(fù)管束時(shí),采用堵管方法也應(yīng)慎重,在可以更換管子的場(chǎng)合,應(yīng)盡量拆管更換,而不采取堵管的方法。
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