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安全 |換熱器事故原因與防護措施

換熱器是石油、化工、冶金、動(dòng)力、糧油、制冷、食品加工和國防工業(yè)等領(lǐng)域中廣泛應用的一種通用工藝設備。在石化廠(chǎng)中,換熱器投資約占總投資的20%以上,占設備總質(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到規定溫度的要求,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250MPa,操作溫度最高達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、連續性強,因此,這就給換熱器正常運行帶來(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(lèi)型主要有燃燒爆炸、嚴重泄漏和管束失控三種。其中設計不合理、制造缺陷、材料選擇不當、腐蝕嚴重、操作失誤和維護管理不善是導致?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,盲目將設備結構和材料做較大改動(dòng),制造質(zhì)量差,不符合壓力容器規范,設備強度大大降低。

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(包括應力、晶間腐蝕)引起耐壓強度下降,致使管束失效或產(chǎn)生嚴重泄漏,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(mén)關(guān)閉導致超壓爆炸。

⑥長(cháng)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。

預防措施

①換熱器設計、制造應符合國家壓力容器的規范要求,圖紙修改與變動(dòng)必須經(jīng)主管部門(mén)同意,經(jīng)驗收質(zhì)量合格。

②換熱器制造時(shí),要保證焊接質(zhì)量,并對焊縫進(jìn)行嚴格檢查。

③流體為腐蝕介質(zhì)時(shí),應注意提高材質(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制劑,定期檢查管子表面腐蝕情況和對易腐蝕損壞的設備進(jìn)行檢測,采取有效措施。

④換熱器做氣密性實(shí)驗時(shí),必須采用干燥的空氣、氮氣和其他惰性氣體,嚴禁使用氧氣或可燃性氣體實(shí)驗或補壓。

⑤嚴禁違章操作,嚴格執行操作規章。

⑥對易結垢的流體可定期進(jìn)行清洗,將結垢清洗掉。

⑦嚴格控制氧的含量。

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(chǎng)化工一廠(chǎng)的委托,核工業(yè)部第五安裝公司,于1986年3月15日對化工一廠(chǎng)的換熱器進(jìn)行氣密性試驗。16時(shí)35分 時(shí),氣壓達到3.5兆帕時(shí)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,重量達四噸的管束在向前方?jīng)_出8米后,撞到載有空氣壓縮 機的黃河牌載重卡車(chē)上,卡車(chē)被推移2.3米,管束從原地沖出8米,重量達2噸的殼體向相反方向飛出38.5米,撞到地樁上。兩臺換熱器重疊,連接支座螺栓 被剪斷,連接法蘭短管被拉斷,兩臺設備脫開(kāi)。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,并轉向170度。在現場(chǎng)工作的四人因爆炸死 亡。爆炸造成直接經(jīng)濟損失56000元,間接經(jīng)濟損失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,且因試壓環(huán)厚度比原連接法 蘭厚4.7厘米,原螺栓長(cháng)度不夠,但操作工仍湊合用原螺栓,在承載螺栓數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)設計規定的承載能力,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致爆炸的事故。

(2)現場(chǎng)管理混亂,分工不明確,職責不清。直接參加現場(chǎng)工作的主要人員在試驗前請假回家,將工作委托他人。試驗前沒(méi)有人對安全防護措施和準備工作進(jìn)行全面檢查。

2嚴重泄漏

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,甚至未做爆破實(shí)驗,只做部分部件的水壓試驗和采用多次割焊,造成金相改變,內應力增大,強度大 大降低。列管泄漏會(huì )造成氣體走近路,如管內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(kāi)停車(chē)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;有強腐蝕流體泄漏,將會(huì )導致灼傷事故。

事故原因

①因腐蝕(如蒸汽霧滴、硫化氫、二氧化碳)嚴重,引起列管泄漏。

②由于開(kāi)停車(chē)頻繁,溫度變化過(guò)大,設備急劇膨脹或收縮,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(cháng),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(kāi)停車(chē)和緊急停車(chē)造成的熱沖擊,以及定期檢修操作不當產(chǎn)生的機械沖擊而引起泄漏。

預防措施:

①定期進(jìn)行清洗,選擇耐蝕管材,流體中就愛(ài)如腐蝕抑氧劑,控制管內流速,視泄漏情況決定停車(chē)更換或采取堵泄措施。

②精心操作,控制系統溫度不要發(fā)生較大的波動(dòng)。


③保證焊接質(zhì)量,對焊接進(jìn)行認真檢查。

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(chǎng)甲胺分廠(chǎng)發(fā)生泄漏事故,死亡3人,中毒4人,直接經(jīng)濟損失約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(chǎng)甲胺分廠(chǎng)合成崗位低溫換熱器因內漏導致轉化率低而停車(chē)安排檢修。2月15日堵內漏并拆換了法蘭密封 墊,20時(shí)檢修完畢,作了水壓試驗未發(fā)現泄漏,便開(kāi)車(chē)升溫。2月16日中班轉入正常運行。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 被容器內介質(zhì)沖壞,大量液氨、甲醇混合氣從泄漏點(diǎn)向外噴出、擴散,形成東西長(cháng)約200m,南北長(cháng)約100m的混合氣覆蓋區?,F場(chǎng)作業(yè)人員中有7人中毒,其 中,3人因中毒嚴重死亡,4人送醫院搶救脫離危險。事故發(fā)生后,全廠(chǎng)干部職工聞?dòng)嵓皶r(shí)趕赴事故現場(chǎng),消除引爆條件,切斷泄漏氣源,用5臺消防水車(chē)強制稀釋 有毒氣體,到5時(shí)30分,事故現場(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。低溫換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,當設備工作壓力升高后,金屬纏繞墊靠北方向薄弱點(diǎn)被內壓沖壞,內部介質(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,未嚴格按 規程對容器進(jìn)行水壓試驗和氣密性試驗,埋下了事故隱患。同時(shí),設備檢修質(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(méi)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(mǎn),空缺了1個(gè)。當班操作工及維修工未及時(shí)發(fā)現事故苗頭,沒(méi)有加強巡回檢查。

3管束失效

塔設備污染、反應器觸媒中毒、設備嚴重泄漏都是化工設備事故,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,最容易失效。管束失效的形式主要要有腐蝕開(kāi)裂、傳熱能力迅速下降、碰撞破壞、管子切開(kāi)、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,許多管束的失效都是由于接頭初的局部腐蝕所致。我國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。對于采用膨脹形式的接頭,由于膨脹過(guò)程中存在殘余應力,在已膨脹和未膨脹段間的過(guò)渡區上,管 子內、外壁都存在拉應力區,對應力腐蝕非常敏感。一旦具備發(fā)生應力腐蝕的溫度、介質(zhì)條件,換熱器就很快由于應力腐蝕而破壞。許多合金鋼和不銹鋼 熱器管束,往往是由于局部腐蝕和應力腐蝕而迅速開(kāi)裂的。有人曾對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 下運行,在操作三四個(gè)月之后,竟有14%的管子開(kāi)裂泄漏。對其斷口進(jìn)行分析表明,斷口形態(tài)呈敏化不銹鋼應力腐蝕的典型特征:裂紋在起始處為晶間型,裂紋深 入到金屬內部時(shí)轉化為穿晶型。

2結垢

在換熱器操作中,管束內外壁都可能會(huì )結垢,而污垢層的熱阻要比金屬管材大得多,從而導致?lián)Q熱能力迅速下降,嚴重時(shí)將會(huì )使換熱介質(zhì)的流道阻塞。

3流體流動(dòng)誘導振動(dòng)

為強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)生誘導振動(dòng)的可能性也將大大增加,從而導致管束中管子的振動(dòng),最終致使管束破壞。常見(jiàn)的破壞形式有以下幾種。

(1)碰撞破壞當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壁發(fā)生碰撞。在碰撞中,管壁磨損變薄,最終發(fā)生開(kāi)裂。

(2)折流板處管子切開(kāi)折流板孔和管子之間有徑向間隙,當管子發(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表面間產(chǎn)生反 復碰撞。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(cháng)的時(shí)間內就可能發(fā)生管子被切開(kāi)的局部性破壞。

(3)管子與管板連接處破壞此種連接結構可視為固定端約束,管子振動(dòng)產(chǎn)生橫向撓曲時(shí),連接處的應力最大,因此,它是最容易產(chǎn)生管束失效的地區之一。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)更容易在此區域內產(chǎn)生振動(dòng)。

(4)材料缺陷的擴展造成失效盡管設計得比較保守,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)引起的交變應力作用下,位于主應力方向上的缺陷裂紋就會(huì )迅速擴展,最終導致管子失效。

(5)振動(dòng)交變應力場(chǎng)中的拉應力還會(huì )成為應力腐蝕的應力源。

流動(dòng)誘導振動(dòng)引起管子破壞,易發(fā)生在撓度相對較大和殼程橫向流速較高的區域。此區域通常是U形彎頭、殼程進(jìn)出口接管區、管板區、折流板缺口區和承受壓縮應力的管子。

4操作維修不當

應力腐蝕只有在拉應力、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。如果操作條件不穩定或控制不當,尤其是剛開(kāi)工時(shí),最容易出現產(chǎn)生應力腐蝕的條件。

在開(kāi)工的熱過(guò)程中,管子內壁溫度遠遠高于管外壁溫度,因而在管子外壁面將產(chǎn)生短暫但應力水平很高的軸向和周向拉應力。依據溫度應力 公式計算,管外壁拉應力將接近或超過(guò)管材的屈服點(diǎn)。在這種高拉應力的反復作用下,管子上將會(huì )產(chǎn)生應力腐蝕微觀(guān)裂紋,并迅速擴展直至開(kāi)裂。換熱器管束上的裂 紋一般起始于管外壁,且垂直于拉應力方向。

管束產(chǎn)生泄漏后,現場(chǎng)經(jīng)常采用堵管方法,并作為一種應急的修復措施。有關(guān)專(zhuān)家曾對變換氣換熱器管束做過(guò)試驗,當第一次發(fā)現管束泄漏后,將占管總數14%的泄漏管子予以堵塞,然后繼續使用。

結果,很快就發(fā)生了更嚴重的破壞,以致造成管束報廢。這是由于堵塞的管子因管內無(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 )受到軸向壓應力的作用;未堵管子,特別是 位于已堵管周?chē)墓茏?,就將受到附加軸向拉應力的作用,從而加快自身的應力腐蝕破壞。

預防措施:

①合理選擇管材,制定合理的開(kāi)停程序,加強在線(xiàn)監測,嚴格控制運行條件,防止和減輕應力腐蝕。對工藝進(jìn)行適當處理,降低其腐蝕性。

②采取先進(jìn)水處理新工藝、新配方。

③優(yōu)化結構設計,在流體入口前設置緩沖罐,減少脈沖,適當減小折流間距和折流板厚度,增加管壁厚度。

④?chē)栏窨刂撇僮鳁l件,使其比較穩定。在管束試壓或操作中發(fā)現接頭泄漏時(shí),對接頭修復脹管要慎重。修復管束時(shí),采用堵管方法也應慎重,在可以更換管子的場(chǎng)合,應盡量拆管更換,而不采取堵管的方法。





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