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安全 |换热器事故原因与防护措施

换热器是石油、化工、冶金、动力、粮油、制冷、食品加工和国防工业等领域中广泛应用的一种通用工艺设备。在石化厂中,换热器投资约占总投资的20%以上,占设备总质量的40%以上。

换热器的作用有两个:一是通过热交换使物流的工艺温度达到规定温度的要求,以完成加热、冷却、蒸发和冷凝等工艺过程;二是可有效地利用热源,它在余热回收等方面已成为必不可少的设备。但是,有的热交换器工作条件是在高温、高压下进行,比如工作介质的压力最高可达250MPa,操作温度最高达1000~1500℃;有的其工作流体具有易燃、易爆、有毒、腐蚀性特点,加之化工、石化生产要求处理量大、连续性强,因此,这就给换热器正常运行带来了一定的困难,稍有不慎就会发生事故,危及职工的生命安全。

热交换器的事故类型主要有燃烧爆炸、严重泄漏和管束失控三种。其中设计不合理、制造缺陷、材料选择不当、腐蚀严重、操作失误和维护管理不善是导致换热器发生事故的主要原因。下面为大家具体介绍引发事故发生的原因:

1燃烧爆炸

事故原因:

①自制换热器,盲目将设备结构和材料做较大改动,制造质量差,不符合压力容器规范,设备强度大大降低。

②焊接质量差,特别是焊接头处未焊透,又未进行焊缝探伤检查、爆破试压,导致焊接头泄漏或产生疲劳断裂,进而大量易燃易爆流体介质溢出,如遇明火,便发生爆炸。

③由于腐蚀(包括应力、晶间腐蚀)引起耐压强度下降,致使管束失效或产生严重泄漏,遇明火发生爆炸。

④换热器做气密性试压时,采用氧气补压用可燃性精炼气体试漏,引起物理与化学爆炸。

⑤操作违章、操作失误、阀门关闭导致超压爆炸。

⑥长期不进行排污,易燃易爆物质(如三氯化氮)积聚过多,加之温度过高导致换热器(如液氯换热器)发生猛烈爆炸。

⑦过氧爆炸。

预防措施

①换热器设计、制造应符合国家压力容器的规范要求,图纸修改与变动必须经主管部门同意,经验收质量合格。

②换热器制造时,要保证焊接质量,并对焊缝进行严格检查。

③流体为腐蚀介质时,应注意提高材质质量和焊接质量,增加管壁厚度或在流体中加入腐蚀预制剂,定期检查管子表面腐蚀情况和对易腐蚀损坏的设备进行检测,采取有效措施。

④换热器做气密性实验时,必须采用干燥的空气、氮气和其他惰性气体,严禁使用氧气或可燃性气体实验或补压。

⑤严禁违章操作,严格执行操作规章。

⑥对易结垢的流体可定期进行清洗,将结垢清洗掉。

⑦严格控制氧的含量。

案例分析:

换热器超压爆炸事故案例分析

1.事故经过简述

受某石油化工总厂化工一厂的委托,核工业部第五安装公司,于1986年3月15日对化工一厂的换热器进行气密性试验。16时35分 时,气压达到3.5兆帕时突然发生爆炸,试压环紧固螺栓被拉断,螺母脱落,换热器管束与壳体分离,重量达四吨的管束在向前方冲出8米后,撞到载有空气压缩 机的黄河牌载重卡车上,卡车被推移2.3米,管束从原地冲出8米,重量达2吨的壳体向相反方向飞出38.5米,撞到地桩上。两台换热器重叠,连接支座螺栓 被剪断,连接法兰短管被拉断,两台设备脱开。重6吨的未爆炸换热器受反作用力,整个向东南方向移位8米左右,并转向170度。在现场工作的四人因爆炸死 亡。爆炸造成直接经济损失56000元,间接经济损失25000元。

2.事故原因分析

(1)操作人员违反操作。爆炸的换热器共有40个紧固螺栓,但操作人员只装13只螺栓就进行气密性试验,且因试压环厚度比原连接法 兰厚4.7厘米,原螺栓长度不够,但操作工仍凑合用原螺栓,在承载螺栓数量减少一大半的情况下,每只螺栓所能承受的载荷又有明显下降,由于实际每只螺栓承 载量大大超过设计规定的承载能力,致使螺栓被拉断后,换热器发生爆炸。这是一起典型的因违章操作导致爆炸的事故。

(2)现场管理混乱,分工不明确,职责不清。直接参加现场工作的主要人员在试验前请假回家,将工作委托他人。试验前没有人对安全防护措施和准备工作进行全面检查。

2严重泄漏

换热器最容易发生泄漏的部位有焊接头处、封头与管板连接处、管束与管板连接处和法兰连接处。焊接接头泄漏的直接原因是焊接质量差, 如:焊缝未焊透、未熔合、存在气孔夹渣、焊缝未经探伤检验,甚至未做爆破实验,只做部分部件的水压试验和采用多次割焊,造成金相改变,内应力增大,强度大 大降低。列管泄漏会造成气体走近路,如管内半水煤气泄入管间变换气体中,使换气一氧化碳升高,影响正常生产。造成列管泄漏的主要原因是腐蚀、开停车频繁、 温度变化大、换热器急剧膨胀或收缩使花板胀管处泄漏以及设备本身制造缺陷等原因所致。总之发生燃烧爆炸、窒息、中毒和灼伤事故都是由泄漏引起的。易燃易爆 液体或气体因泄漏而溢出,遇明火将引起燃烧爆炸事故;有毒气体将引起窒息中毒;有强腐蚀流体泄漏,将会导致灼伤事故。

事故原因

①因腐蚀(如蒸汽雾滴、硫化氢、二氧化碳)严重,引起列管泄漏。

②由于开停车频繁,温度变化过大,设备急剧膨胀或收缩,使管板胀管泄漏。

③换热器本身制造缺陷,焊接接头泄漏。

④因操作温度升高,螺栓伸长,紧固部位松动,引起法兰泄漏。

⑤因管束组装部位松动、管子振动、开停车和紧急停车造成的热冲击,以及定期检修操作不当产生的机械冲击而引起泄漏。

预防措施:

①定期进行清洗,选择耐蚀管材,流体中就爱如腐蚀抑氧剂,控制管内流速,视泄漏情况决定停车更换或采取堵泄措施。

②精心操作,控制系统温度不要发生较大的波动。


③保证焊接质量,对焊接进行认真检查。

④尽量减少法兰连接,升温后及时重新紧固螺栓,紧固作业力求方便。

⑤对胀管部位不允许有泄漏的换热器宜采取焊接装配。

案例分析:

1994年2月17日,湖南岳阳氮肥厂甲胺分厂发生泄漏事故,死亡3人,中毒4人,直接经济损失约157万元,停产1个月。

事故经过:

2月13日,湖南岳阳市氮肥厂甲胺分厂合成岗位低温换热器因内漏导致转化率低而停车安排检修。2月15日堵内漏并拆换了法兰密封 垫,20时检修完毕,作了水压试验未发现泄漏,便开车升温。2月16日中班转入正常运行。2月17日3时10分,换热器的封头法兰新更换的金属缠绕垫突然 被容器内介质冲坏,大量液氨、甲醇混合气从泄漏点向外喷出、扩散,形成东西长约200m,南北长约100m的混合气覆盖区。现场作业人员中有7人中毒,其 中,3人因中毒严重死亡,4人送医院抢救脱离危险。事故发生后,全厂干部职工闻讯及时赶赴事故现场,消除引爆条件,切断泄漏气源,用5台消防水车强制稀释 有毒气体,到5时30分,事故现场已被控制。

事故分析:

造成这起事故的直接原因,是未按图样要求更换法兰密封垫。低温换热器封头法兰密封垫图样要求为金属包石棉垫,2月15日检修更换的 是金属缠绕垫,当设备工作压力升高后,金属缠绕垫靠北方向薄弱点被内压冲坏,内部介质突然大量外喷,酿成事故。造成事故的主要原因是检修完成后,未严格按 规程对容器进行水压试验和气密性试验,埋下了事故隐患。同时,设备检修质量存在问题是事故发生的重要原因。在安装封头法兰时没有按照紧固螺栓的方法操作, 使整个法兰受力不匀;而且,28个法兰螺栓未完全上满,空缺了1个。当班操作工及维修工未及时发现事故苗头,没有加强巡回检查。

3管束失效

塔设备污染、反应器触媒中毒、设备严重泄漏都是化工设备事故,而管壳式换热器、合成塔和废热锅炉的管束失效也是化工设备破坏形式之一。

管壳式换热器、合成塔和废热锅炉的管束是薄弱环节,最容易失效。管束失效的形式主要要有腐蚀开裂、传热能力迅速下降、碰撞破坏、管子切开、管束泄漏等。

事故原因:

1腐蚀

换热器多用碳酸制造,冷却水中溶解的氧所致的氧极化腐蚀极为严重,管束寿命往往只有几个月或一两年,加之工作介质又有许多是有腐蚀 性的,如小氮肥的碳化塔冷却水箱,在高浓度碳化氨水的腐蚀和碳酸氢铵结晶腐蚀双作用下,碳化塔冷却水箱有时仅使用两三个月就发生泄漏。

管子与管板的接头是管束上的易损区,许多管束的失效都是由于接头初的局部腐蚀所致。我国的换热器接头多采用焊接形式,管子与管板之 间存在间隙,壳程介质进入到间隙死角之中,就会引起缝隙腐蚀。对于采用膨胀形式的接头,由于膨胀过程中存在残余应力,在已膨胀和未膨胀段间的过渡区上,管 子内、外壁都存在拉应力区,对应力腐蚀非常敏感。一旦具备发生应力腐蚀的温度、介质条件,换热器就很快由于应力腐蚀而破坏。许多合金钢和不锈钢 热器管束,往往是由于局部腐蚀和应力腐蚀而迅速开裂的。有人曾对某变换气换热器管束做过失效分析,该换热器材质为Cr25Ni20,在温度为420℃左右 下运行,在操作三四个月之后,竟有14%的管子开裂泄漏。对其断口进行分析表明,断口形态呈敏化不锈钢应力腐蚀的典型特征:裂纹在起始处为晶间型,裂纹深 入到金属内部时转化为穿晶型。

2结垢

在换热器操作中,管束内外壁都可能会结垢,而污垢层的热阻要比金属管材大得多,从而导致换热能力迅速下降,严重时将会使换热介质的流道阻塞。

3流体流动诱导振动

为强化传热和减少污垢层,通常采用增大壳程流体流速的方法。而壳程流体流速增加,产生诱导振动的可能性也将大大增加,从而导致管束中管子的振动,最终致使管束破坏。常见的破坏形式有以下几种。

(1)碰撞破坏当管子的振幅足够大时,将致使管子之间相互碰撞,位于管束外围的管子还可能和换热器壳体内壁发生碰撞。在碰撞中,管壁磨损变薄,最终发生开裂。

(2)折流板处管子切开折流板孔和管子之间有径向间隙,当管子发生横向振动的振幅较大时,就会引起管壁与折流板孔的内表面间产生反 复碰撞。由于折流板厚度不大,管壁多次、频繁与其接触,将承受很大的冲击载荷,因而在不长的时间内就可能发生管子被切开的局部性破坏。

(3)管子与管板连接处破坏此种连接结构可视为固定端约束,管子振动产生横向挠曲时,连接处的应力最大,因此,它是最容易产生管束失效的地区之一。此外,壳程接管也多位于管板处,接管附近介质的高速流动更容易在此区域内产生振动。

(4)材料缺陷的扩展造成失效尽管设计得比较保守,在操作中管束的振动是不可避免的,只不过振幅很小而已。因此,如果管子材料本身 存在缺陷(包括腐蚀和磨蚀产生的缺陷),那么在振动引起的交变应力作用下,位于主应力方向上的缺陷裂纹就会迅速扩展,最终导致管子失效。

(5)振动交变应力场中的拉应力还会成为应力腐蚀的应力源。

流动诱导振动引起管子破坏,易发生在挠度相对较大和壳程横向流速较高的区域。此区域通常是U形弯头、壳程进出口接管区、管板区、折流板缺口区和承受压缩应力的管子。

4操作维修不当

应力腐蚀只有在拉应力、腐蚀介质和材料敏化温度等条件同时具备的情况下才会发生。如果操作条件不稳定或控制不当,尤其是刚开工时,最容易出现产生应力腐蚀的条件。

在开工的热过程中,管子内壁温度远远高于管外壁温度,因而在管子外壁面将产生短暂但应力水平很高的轴向和周向拉应力。依据温度应力 公式计算,管外壁拉应力将接近或超过管材的屈服点。在这种高拉应力的反复作用下,管子上将会产生应力腐蚀微观裂纹,并迅速扩展直至开裂。换热器管束上的裂 纹一般起始于管外壁,且垂直于拉应力方向。

管束产生泄漏后,现场经常采用堵管方法,并作为一种应急的修复措施。有关专家曾对变换气换热器管束做过试验,当第一次发现管束泄漏后,将占管总数14%的泄漏管子予以堵塞,然后继续使用。

结果,很快就发生了更严重的破坏,以致造成管束报废。这是由于堵塞的管子因管内无介质流动,其温度大致等于壳程介质的温度,若壳程为高温介质,这些 已堵管子的温度还要大大增加,从而因已堵管和未堵管的温差很大,加速了自身的破坏。而且已堵管子因温度较高,还会受到轴向压应力的作用;未堵管子,特别是 位于已堵管周围的管子,就将受到附加轴向拉应力的作用,从而加快自身的应力腐蚀破坏。

预防措施:

①合理选择管材,制定合理的开停程序,加强在线监测,严格控制运行条件,防止和减轻应力腐蚀。对工艺进行适当处理,降低其腐蚀性。

②采取先进水处理新工艺、新配方。

③优化结构设计,在流体入口前设置缓冲罐,减少脉冲,适当减小折流间距和折流板厚度,增加管壁厚度。

④严格控制操作条件,使其比较稳定。在管束试压或操作中发现接头泄漏时,对接头修复胀管要慎重。修复管束时,采用堵管方法也应慎重,在可以更换管子的场合,应尽量拆管更换,而不采取堵管的方法。





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