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換熱器安全事故原因與防護(hù)措施
- 作者:wyjlj
- 發(fā)布時間:2016-01-19
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換熱器是石油、化工、冶金、動力、糧油、制冷、食品加工和國防工業(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:一是通過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)的壓力高可達(dá)250MPa,操作溫度高達(dá)1000~1500℃;有的其工作流體具有易燃、易爆、有毒、腐蝕性特點,加之化工、石化生產(chǎn)要求處理量大、連續(xù)性強,因此,這就給換熱器正常運行帶來了一定的困難,稍有不慎就會發(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,制造質(zhì)量差,不符合壓力容器規(guī)范,設(shè)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(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,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、閥門關(guān)閉導(dǎo)致超壓爆炸。
⑥長期不進(jìn)行排污,易燃易爆物質(zhì)(如三氯化氮)積聚過多,加之溫度過高導(dǎo)致?lián)Q熱器(如液氯換熱器)發(fā)生猛烈爆炸。
⑦過氧爆炸。
預(yù)防措施
①換熱器設(shè)計、制造應(yīng)符合國家壓力容器的規(guī)范要求,圖紙修改與變動必須經(jīng)主管部門同意,經(jīng)驗收質(zhì)量合格。
②換熱器制造時,要保證焊接質(zhì)量,并對焊縫進(jìn)行嚴(yán)格檢查。
③流體為腐蝕介質(zhì)時,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易腐蝕損壞的設(shè)備進(jìn)行檢測,采取有效措施。
④換熱器做氣密性實驗時,必須采用干燥的空氣、氮氣和其他惰性氣體,嚴(yán)禁使用氧氣或可燃性氣體實驗或補壓。
⑤嚴(yán)禁違章操作,嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)章。
⑥對易結(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。
2嚴(yán)重泄漏
換熱器容易發(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(nèi)應(yīng)力增大,強度大 大降低。列管泄漏會造成氣體走近路,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;有強腐蝕流體泄漏,將會導(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,緊固部位松動,引起法蘭泄漏。
⑤因管束組裝部位松動、管子振動、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。
③保證焊接質(zhì)量,對焊接進(jìn)行認(rèn)真檢查。
④盡量減少法蘭連接,升溫后及時重新緊固螺栓,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。
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),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僅使用兩三個月就發(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,就會引起縫隙腐蝕。對于采用膨脹形式的接頭,由于膨脹過程中存在殘余應(yīng)力,在已膨脹和未膨脹段間的過渡區(qū)上,管 子內(nèi)、外壁都存在拉應(yīng)力區(qū),對應(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。有人曾對某變換氣換熱器管束做過失效分析,該換熱器材質(zhì)為Cr25Ni20,在溫度為420℃左右 下運行,在操作三四個月之后,竟有14%的管子開裂泄漏。對其斷口進(jìn)行分析表明,斷口形態(tài)呈敏化不銹鋼應(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)重時將會使換熱介質(zhì)的流道阻塞。
③流體流動誘導(dǎo)振動
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(dǎo)振動的可能性也將大大增加,從而導(dǎo)致管束中管子的振動,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,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,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)生橫向振動的振幅較大時,就會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,因而在不長的時間內(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,管子振動產(chǎn)生橫向撓曲時,連接處的應(yīng)力大,因此,它是容易產(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)的高速流動更容易在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生振動。
(4)材料缺陷的擴(kuò)展造成失效盡管設(shè)計得比較保守,在操作中管束的振動是不可避免的,只不過振幅很小而已。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迅速擴(kuò)展,導(dǎo)致管子失效。
(5)振動交變應(yīng)力場中的拉應(yīng)力還會成為應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力源。
流動誘導(dǎo)振動引起管子破壞,易發(fā)生在撓度相對較大和殼程橫向流速較高的區(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具備的情況下才會發(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,容易出現(xiàn)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件。
在開工的熱過程中,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 公式計算,管外壁拉應(yīng)力將接近或超過管材的屈服點。在這種高拉應(yīng)力的反復(fù)作用下,管子上將會產(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)專家曾對變換氣換熱器管束做過試驗,一次發(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,以致造成管束報廢。這是由于堵塞的管子因管內(nèi)無介質(zhì)流動,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,加強在線監(jiān)測,嚴(yán)格控制運行條件,防止和減輕應(yīng)力腐蝕。對工藝進(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,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,對接頭修復(fù)脹管要慎重。修復(fù)管束時,采用堵管方法也應(yīng)慎重,在可以更換管子的場合,應(yīng)盡量拆管更換,而不采取堵管的方法。