内压容器吸瘪原因分析及防范措施

奥永泉（山西原平昊华化工有限公司，山西原平034100）

·化工设备与自动化·

内压容器吸瘪原因分析及防范措施

奥永泉
（山西原平昊华化工有限公司，山西原平034100）

摘要：对于内压设备来说，防止其超压是安全生产的必要条件，但在实际生产中往往忽略其承受外压的情况，从而使设备失稳而破坏。临界压力PCR是判断外压薄壁容器失效的主要依据。通过对两起吸瘪事故的数据分析和受力计算，找到吸瘪原因并提出了防范措施。

关键词：低压湿式煤气柜；电捕焦油器；吸瘪；原因；防范措施

某公司中温煤焦油加氢装置的配套焦化车间为135万吨/年兰炭项目。2009年在建设阶段曾发生一起低压湿式煤气柜吸瘪事故，造成气柜壁板、钟罩等严重变形，给生产带来严重影响。2011年又发生一起电捕焦油器吸瘪事故。下面就这两起事故分别进行分析。

1　煤气柜吸瘪事故

1.1事故经过

2009年11月焦化车间新建一台煤气气柜。设计压力4kPa，工作压力0～4kPa，设计温度、工作温度均为常温，当地大气压P1=89.6 kPa，公称容积1万m3。11月12日气柜钢水槽注水进行基础沉陷实验合格。为防止夜间温度降低水槽内水结冰冻坏钢水槽，故决定排水。排水时顶部放空DN150闸阀未打开，导致气柜钟罩壁板大面积变形产生内凹，内立柱已经全部扭曲变形，上导轮与外轨道脱轨，中节Ⅱ壁板也已严重变形，焊缝开裂，导致气柜无法进行正常运行。

1.2原因分析

（1）车间在气柜排水时未制订作业指导书，也无专人负责，气柜岗位也无操作规程。

（2）理论计算受力情况。

气柜排水时，各塔节均落底，由于顶部放散关闭，同时水槽有水封存在，柜内形成密闭空间。水槽排水过程中，随着水位的下降，柜内气体被迫膨胀作功，促使内部气压强下降，形成一定负压，导致发生“吸瘪”。气柜钟罩落到底部时内部气体表压为1.06kPa，绝对压强约为P1= （1.06+89.6）=90.66kPa，气体体积是钟罩体积V1=π× 1.72×（48.84- 1.7/3）=438m3。

假设气柜水槽水位降到h时气柜内外大气压平衡，由于排水较慢，气体温度变化可忽略，此时气柜内气体体积为钟罩体积与部分水槽体积之和。V2=438+（3.14× 28.32×h/4）=438+629h。根据玻意尔定律P1V1=P2V2代入数据90.66×438=89.6×438+629h，得h=8.24mm。即当水位降低8.23mm时，气柜内外气压平衡，当水位继续降低时气柜会承受负压。当气柜内水排完时，柜内气体压力为P3。

气柜到底能承受多大外压，下面以中节Ⅱ为例来计算。

基本数据：气柜中节二筒体内径Di=26.5m，筒体高度L=6.6m，筒体壁厚δe=6mm，环境温度15℃，当地大气压P1=89.6kPa，筒体材质Q235A，屈服极限σs=2350 kg/cm2，弹性模量E=2.06×108kPa，对外压圆筒的计算采用拉姆公式。

筒体临界长度：

临界压力采用拉姆公式：

计算出来的临界压力值是在筒体的壁板材质均匀、厚度一致，且筒体是一个理想圆柱的情况下得出的。实际的筒体都存在一定的不圆柱度，钢板厚度有偏差，材质也不均匀。所以，一般当外力达到1/2～1/3临界压力时，筒体就会失稳。

引入稳定安全系数m=3，则该气柜许用外压：

而气柜在排水过程中，内外压差不断加大，直至排完水后，气柜内外压差达到82.25kPa，远远超过其许用压力，因此气柜被吸瘪。

1.3修复过程

为了不影响生产，缩短检修时间，故作如下处理方案：

（1）保留钟罩，更换壁板和立柱，对钟罩采取加固保护措施，防止钟罩下塌及变形。

（2）壁板产生塑性形变的地方用气割将壁板切割成小块，然后用倒链将小块的壁板从上面平稳移出，在外面将壁板预制成大块拼板，焊接为双面焊，经煤油渗漏合格后，用角磨机除锈至铁板原色后，先刷两遍底漆后再焊接。

（3）内立柱变形的较大部分可考虑更换。气柜钟罩内形成负压也可能导致顶梁塌陷，需更换处理。立柱更换或调直时用2台千斤顶加φ219*7无缝钢管作支架，先在立柱内侧将千斤顶支起并顶至塔身有1～3mm空隙，再进行切割更换或调正，待焊接冷却后撤掉千斤顶。以此类推，对于顶梁塌陷部分先用50吨吊车配合拆除顶板上的上导轮，再视情况在顶板上开孔使顶梁损坏部分暴露。用吊车将顶梁吊到理想位置切割已坏顶梁后，马上将预制好的工字钢与原有顶梁对接，待焊完后吊车才可松钩。开孔后的顶板还原时用磨光机打磨好坡口，去除边上的油漆才可进行焊接。更换完毕后导轮按实际偏差位置定位焊接，再调整导轮间隙。

（4）内导轨与内导轮间隙进行复测和重新定位。为了保证维修后气柜的正常升降，必须对原先安装的内导轨与内导轮进行复测和重新定位，中节Ⅰ上水封与钟罩壁下水封，每隔2米外绕线测量其半径，误差小的可利用上下导轮进行调运，误差大的地方可用火工煨弯的办法进行整圆，一定要保证上下水封在挂起时平稳，不倾斜。检查钟罩上的所有焊缝，发现撕裂处即将原有焊缝磨掉进行补焊。以上工作全部完成后进行内侧防腐封闭、注水。

2　电捕焦油器吸瘪事故

2.1事故经过

2013年公司大修，8月2日14时40分，车间对某台电捕焦油器断电，退出运行。15时，关闭电捕焦出入口阀、塔底保温蒸汽阀和焦油氨水冷凝液回水阀，当时电捕焦油器后总管压力为- 1.609kPa，温度为63.66℃。16时，用蒸汽吹扫电捕焦油器。18时10分，电捕焦油器停止蒸汽吹扫。当时电捕焦油器后压力为- 1.752kPa，后温度为65.71℃。8月3日1时50分，电捕焦油器发出“砰”的声响，外壳向内凹进变形。当时电捕焦油器后总管压力- 1.151kPa，温度66.25℃，损坏情况见图1。

2.2原因分析

筒壁向内凹陷，显然是由于筒壁受到的外力超过了筒体的临界压力而发生失稳变形。如果出口阀未关或关闭不严，筒内压力应为出口总管压力，即- 1.151kPa，此压力值仍在电捕焦油器正常工作的压力范围内，所以不会使筒体变形。为了清洗筒内焦油，用蒸汽对筒内进行吹扫。吹扫时蒸汽温度约300℃左右。吹扫时间两个多小时，筒内温度应能达到150℃以上。夜间1时50分，筒内气体冷却到大气温度，即15℃左右。气体冷却后体积缩小，筒内形成很高的负压。筒内外压差大于筒体的临界压力，导致筒体失稳变形。

在工程设计过程中，对不同壁厚的圆筒采用不同的设计公式。一般将k = Do/Di≤1.2的圆筒称为薄壁圆筒，k＞1.2的圆筒称为厚壁圆筒。工程上常用的外压容器多属薄壁容器，其中有一些DO/δ比较大的圆筒，它们的刚性不好，在压力尚低于屈服极限时，圆筒就会突然被压瘪而失效。尽管外压容器也有强度破坏问题，但失稳仍是其主要的失效形式。

（1）基本数据

筒体计算高度L=11.06m,筒体外径Do=4.65m，筒体内径Di=4.63m,筒体壁厚δe=10mm，气体温度T1=150℃（423K），T2=15℃（288K），气体压力P1=89.6kPa，筒体材质：Q235A，屈服极限σs=2350 kg/cm2，弹性模量E=2.06×108kPa。

（2）受力计算

筒体临界长度：

故筒体为短圆筒。临界压力采用拉姆公式：

该临界压力值是在筒体的壁板质材均匀、厚度一致，且筒体是一个理想圆柱的情况下得出的。实际的筒体都存在一定的不圆柱度，钢板厚度有偏差，材质也不均匀。所以，一般当外力达到1/2～1/3临界压力时，筒体就会失稳。

稳定安全系数m=3，则该电捕焦油器许用外压：

对于电捕焦油器来说，当内外压差达到16.1kPa时，就会被吸瘪。

当气体冷却收缩时，根据查理定律，筒内压力：

内外压差为P1- P2= 28.6 kPa＞17.85kPa

根据以上分析，筒体被吸瘪是由于筒内气体收缩产生较大的负压造成的。

3　防范措施

（1）编写试车检修方案和相关操作规程，并由专人负责，避免吸瘪现象发生。

（2）气柜在排水时应打开顶部放空阀，使内外气体压力平衡。

（3）电捕焦油器如需进行蒸汽吹扫，必须打开对空排气阀，使筒内外压差为零；同时，要在进出口加盲板，以防蝶阀关闭不严，空气进入管道。用氮气作为保护气体，防止负压时空气进入，形成爆炸性混合气体出现安全事故。

参考文献

[1]李建.化工设备[M].北京：化学工业出版社，1991:6- 77.□

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.02.029

中图分类号：TQ522.63

文献标识码：B

文章编号：1008- 553X（2015）02- 0082- 03

收稿日期：2014- 12- 04

作者简介：奥永泉（1974-），男，工程师，主要从事化工设备的维护和管理工作，18291269689，ayqabc@sina.com。

Analysis and Prevention Measures of Suction Deflatd Container

AO Yong-quan
（Shanxi Yuanping Haohua Chemical Co.，Ltd.，Yuanping034100，China）

Abstract:For the internal pressure device，toprevent the overpressure is a necessary condition for stable work，but in actual production often overlooked subjected to external pressure，prompting device instability and failure. Therefore，the critical pressure Pcris the main method for the thin- walled container failure judgment toexternal pressure.

Key words:lowpressure wet gas cabinet；electrical tar precipitator；deflated；reason；preventive measures