设备-24-氮肥装置膨胀节事故分析与解决方案

1、氮肥装置膨胀节事故分析与解决方案张 聪中国石化集团宁波工程有限公司摘 要:氮肥装置中膨胀节的使用比较普遍,由于它自身的特性往往使它成为最容易出问题的地方,本文就对某氮肥气化装置中出现的一起膨胀节事故作以分析。关键词:膨胀节;事故分析1 前言金属膨胀节是一种具有横向波纹的、圆柱形的薄壁金属壳体,在轴向拉力或压力作用下,它可能伸长或缩短,如果给它施加一个产生弯曲力矩的横向力,则可能在它的轴平面内得到相应的位移。由于它的特性接近于线性和在有效面积几乎不变的情况下,能够产生相当大的位移,因此,在各个不同的技术领域中都可以广泛应用。但膨胀节毕竟是工艺管线上的薄弱环节,设计或使用不当就会发生事故。 图1

2、图22 事故概况某厂煤气化装置的粉煤储罐的粉煤循环线上安装了四个金属膨胀节,其工艺流程是烧嘴粉煤输送管线在装置开车时进行粉煤循环输送,煤粉从烧嘴的粉煤输送线经减压管减压送入粉煤储罐。此管线设计温度130,减压管前压力是5.8MPa,减压管后的压力是0.04MPa,膨胀节就安放在减压管和粉煤储罐管口之间,其单线如图1。根据设计条件,我们选择了通用内压式的膨胀节,并在减压管中部设置了固定点。膨胀节的各项参数都符合该工艺的要求。可是在开车前的粉煤循环试车中,减压管处的固定点焊缝被撕裂推开,整个管线向上位移量有300mm左右。膨胀节的波纹管几乎被拉直,粉煤储罐的爆破片起爆,造成装置停车。3 分析原因事

3、故发生后设计院对现场进行了勘察,核对了设计条件,并对该膨胀节的设计计算进行了重新核算。结果是设计条件和膨胀节计算并没有错误,哪是什么原因引起固定点被推开、膨胀节被拉直,根据现场的情况,分析应该有以下三点:表1粉煤储罐设备管口受力(N 减压管处的固定点受力(N压力 MPa 一次应力(SUS二次应力(EXP操作时受力(OPE一次应力(SUS二次应力(EXP操作时受力(OPE0.04 -6676 -2505 -9182 -4158 2485 -16730.1 -9885 -2506 -12391 -949 2485 15360.4 -25930 -2506 -28435 15096 2485 175

4、801.0 -58019 -2506 -60524 47185 2485 496702.0 -111501 -2506 -114007 100667 2485 1031513.0 -164983 -2506 -167489 154149 2485 1566344.0 -218466 -2506 -220971 207632 2485 2101165.8 -314734 -2506 -317238 303898 2485 306382注:本表数据是由美国管道应力计算软件CAESAR计算得来,OPE=SUS+EXP。3.1 管线超压这可能是由于现场工人操作失误所致,从单线上看(如图1,在膨胀节和粉

5、煤储罐之间有个手动的球阀,该阀在试车期间应处于开启状态,但当时有可能工人误操作使该阀处于基本关闭或半关闭状态,造成球阀与减压管之间的管段憋压,使管内压力超过膨胀节设计压力,而使膨胀节的内压推力剧增,减压管处的固定点焊缝不能承受巨大的推力而被拉开,膨胀节失去约束而被拉直。应该指出这段管子的流程也是存在一定隐患,球阀放在膨胀节和粉煤储罐管口之间,如果工人没有误操作,流程是没有问题的,但如果万一发生误操作,膨胀节就首当其冲的被破坏,我们来分析一下表1的数据。固定架所承受的力有:一是管道内压产生的盲板推力F P(SUS,F P=PA e,式中:P-管道的最高工作压力/MPa;A e-膨胀节波纹管的有效

6、面积/mm2。二是膨胀节位移产生的刚度反力F k(EXP,F k=1/2Ke,式中: K-膨胀节的刚度,N/mm;e-膨胀节的补偿量/mm。三是膨胀节伸缩时与导向支架和滑动托架产生的摩擦反力F f,F f=9.8u(W i L+W p,式中:u-摩擦系数;W i-每米管道重量,kg/m;L-管段内管道总长/m;W p-膨胀节重量/kg。固定架主要承受上述三个力的作用影响,本管线因为没有导向架和托架,也就只受两个力的影响,因为管线是垂直布置,所以管口受力还要加上管线、阀门和膨胀节等的重量。由以上应力计算数据可见当压力为0.1MPa时,减压管中部固定点的受力是最小的。正常操作压力为0.04MPa,

7、固定点的受力也不到两千牛顿。但如果压力增大,情况就发生了的改变,可以看出当压力为正常操作压力的10倍时,也就是0.4MPa时,固定点的受力就变成了将近一万八千牛顿。当压力达到1.0MPa时固定点的受力就将近五万牛顿。随着压力逐级上升,固定点受的推力也就越来越大,当压力到4.0MPa时,也就是正常操作压力100倍时,固定点受力为二十一万牛顿,当然这时粉煤储罐上的安全爆破片早就已经起爆了。通常情况下,通用内压式膨胀节能被拉直都是由于超压所致,这根管线内的物料在经过减压管减压后压力才不足0.04MPa,膨胀节是按照0.25MPa的压力设计制造的,是有富裕的,所以管内超压的可能性最大。3.2 其它原因

8、还有一种原因是由膨胀节制造厂提出的。他们认为减压管内的压力由于从 5.8MPa泄放降至0.04MPa,可能会产生一股强大的泄放推力,这股推力就有点类似安全阀或者自控调节阀在起跳时,突然产生的一股反推力,该力应该是瞬时产生的,减压管中部的固定点焊缝在强大的推力下被瞬间拉开,此后该推力就象火箭燃烧燃料时向下喷射气流推动火箭上升一样,推动着管子向上位移,膨胀节的波纹管部分跟着被拉直。一直到这股反推力和膨胀节的轴向刚度相等时,膨胀节才停止被拉,这时管系达到了一种平衡状态。以上两种原因都有一个共同点,就是减压管中部的固定点焊接先被拉开,通用内压式膨胀节在失去约束的情况下被拉直。从现场的勘测可以看出,减压

9、管中部的固定点是坐在两道梁之间的,管壁与梁的焊缝长度不到一寸,焊缝腰高也小于5mm,看起来非常薄弱。当然,如果管线不超压,一切都是按照正常工况运行的话,这样的焊缝还是能承受几千牛顿的推力。但是如果推力有上万牛顿,这种焊缝就不能再承受了。所以施工时这里的质量并没有得到关注,也给事故的发生提供了一个便利的条件。4 解决方案依据以上的分析,我们对膨胀节及管线做了以下调整:1将减压管上的固定点加固,在减压管的立面四周焊上筋板,筋板再与梁焊接,使减压管与梁的连接十分牢固。这能非常有效的抵制住膨胀节内压推力和泄放推力对此处的冲击。这同时也证明一个问题,在设置膨胀节处的固定点牢固程度确实很重要,除了设计计算时提出准确的受力外,施工时也应该对这类的固定点加强监管。2将膨胀节与粉煤储罐之间的球阀移到膨胀节与减压管之间(如图2,这样就算是现场工人误操作,也不会使超出的压力憋在膨胀节里面。这种通过工艺流程的改变来避免事故发生的方法,笔者认为还是很有效的。本身原有的流程是存在一旦现场操作失误就会憋压在膨胀节上的隐患,不论是减压管是否有效减压,还是球阀的开启是否完全,都会因为原有的流程的不足避免不了超压发生的可能,所以这样做可以消除这个隐患。经过对失效膨胀节的更换和管线流程的相应改造,该装置又顺利的开车运行了。