不透性石墨设备封头破坏原因与对策研究

刘仍礼 陆 俊 陈 燕 刘 畅

（南通星球石墨股份有限公司，江苏 南通 226541）

0 引言

不透性石墨材料具有优良的耐腐蚀、耐温性能和导热性能，其导热系数是不锈钢的4倍，碳钢的2倍多，耐温最高可达400℃，在医药、石油化工、三废处理以及氯碱工业等行业中得到广泛应用。绝大部分不透性石墨设备的工作压力都大于0.1MPa，属于压力容器。部分不透性石墨设备还属于TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》（以下简称《容规》）监管范围内的压力容器，不透性石墨设备使用中可能发生封头损坏等情况，影响设备密闭性，从而威胁设备使用安全等。为保证使用者人身安全，促进设备稳定运行，提高经济效益，必须全面分析、有效预防和控制此类风险。

1 概述

石化、化工、制药、等行业的都需要大型设备的石墨换热器，石墨换热器中的石墨封头基于生产工艺要求需要设置大型进出料口，部分不透性石墨设备采用气体作为介质，对开口规格要求较高。不透性石墨设备开口较大时，在设备运行中较易出现封头破损，导致设备内部物料发生泄漏，影响设备常规运行，进而影响生产活动进行。

不透性石墨设备封头较易在设备运行中发生损毁，而在运行后则不易发生此种情况。不透性石墨设备封头损坏不仅增加生产成本，不利于节能降耗，而且影响设备运行安全，较易诱发生产事故。针对不透性石墨材料制造的封头全方位分析引起其损坏的原因，从设计环节、安装环节和使用环节进行损毁因素分析，针对性采取措施，优化不透性石墨设备封头设计科学性，减少安装过程造成的不良影响，促进设备科学使用，对于不透性石墨设备封头长期安全使用具有积极意义。

2 实效分析

2.1 设计分析

不透性石墨设备封头所采用的原材料为不透性石墨，脆性较强，而强度较弱，对应力承受能力较差。在目前石墨制圆形封头的计算是将圆形端盖近似的看作圆锥壳体，按锥形薄壁应力公示求最大周向拉应力来校核其强度。但是部分厂家在生产时设计都在选用“许用抗拉强度”时不科学，或者采用劣质原材料，选的“许用抗拉强度”并非是标准要求的“设计温度下材料的许用抗拉强度”这样计算的石墨封头厚度存在影响质量的风险。

2.2 安装技术分析

安装过程中，因为不透性石墨设备封头和管道之间各自具有轴心，二者轴线一旦存在差异将增加安装难度。强力安装时较易导致不透性石墨设备封头受到破坏，影响其正常使用，或者导致不透性石墨设备封头报废。

2.3 使用操作分析

设备使用过程中，从启动阶段至平稳运行阶段这一周期中，从低温升到高温，因为温差存在而产生一定应力，尤其是迅速升温时导致温度应力较大，对不透性石墨设备封头中石墨材料造成影响，缩短使用寿命。

3 科学策略

3.1 设计环节优化

3.1.1 石墨封头强度分析

如图1所示，该石墨换热器的结构属于石墨换热器典型结构，上封头上部加设钢制盖板，作为石墨换热器浮动端的紧固基点，并使用螺栓与钢制壳程筒体连接紧固，使用热补偿弹簧来对金属与石墨件热胀系数不同所导致的温度应力的补偿。在整体的结构设计上也不存在问题[1]。

图1 石墨换热器上封头结构示意图

为了保证石墨封头安全可靠运行，部分情况下虽然可以采用封头加厚的处理方法，但是当封头的锥角确定后，锥口部位壁厚最小值也随之固定。为了改善封头使用性能，可通过选择优质石墨原材料的方法进行材料许用应力提升。此外，可在石墨封头处使用钢制抱箍或者缠绕碳纤维的方式来有效分担封头应力。通过此种改进可促进石墨材料得到高质量利用，降低不透性石墨设备封头耗损速度，促进设备安全，同时有利于节约成本。当前不透性石墨设备封头使用相关产业中，众多项目采用此种改进方法，应用效果比较理想。

3.1.2 金属部件强度优化

石墨换热器中含有金属部件。为促进不透性石墨设备封头优化设计，还应计算金属件强度。不透性石墨设备封头中有盖板结构，该结构为受压元件。该部件在受力作用下发生形变后，引起局部应力集中，进而导致不透性石墨设备封头不均匀承受应力，加重损毁风险。在部件设计中，应进行标准校核，保证封头、上盖板平整相接，同时应保证盖板厚度在承受应力后形状稳定。解决该问题的目的是预防应力过度集中，导致石墨件部分超负荷，不透性石墨属于脆性材料，受到此种应力影响较易破裂。

3.2 安装技术优化

通过科学分析可知，介质压力只是导致不透性石墨设备封头损毁的诸多原因之一，通过不透性石墨设备封头实际使用监控可知，导致封头破裂的因素还有安装因素，安装时不合理螺栓预紧力以及安装应力超标也是导致部件损坏的直接原因。在安装不透性石墨设备封头时，采用科学的安装技术可促进安装应力降低，从而降低封头损坏风险。在封头与管道安装时较易发生强力安装情况，导致不透性石墨设备封头破损。此类情况较易发生在管道和设备两者轴线处于不同轴管道时。在安装过程中，较易发生安装误差，而且管道自身具有较大重力，不科学的安装就会造成石墨封头的损伤。所以在工艺管道的设计时通常在石墨借口和管道处设置补偿器，或称管道膨胀节，此种部件具有一定轴向可伸缩性，也能在一定的角度内克服管道对接不同轴向而产生的偏移，能极大的方便管道的安装与拆卸，在管道允许伸缩量中可以自由伸缩,采用此种部件可以缓解不同方向热变形。在设备运行中产生振动，振动会对设备造成耗损，通过安装补偿器部件可缓解振动、减轻此类耗损，此外，当发生地震等情况时，补偿器的存在也可在一定程度上保护管道，降低设备损坏风险。

不透性石墨设备封头中间部位有石墨接管，部件外部还有金属盖板。为保证管道良好密封同时有效进出料，还会使用法兰和垫片等部件。受到此种结构影响，不透性石墨设备封头结构中，圆平板部分中存在的内压力被有效分散，螺栓、垫片等传递内压力向金属盖板转移。

3.3 操作技术改进

在操作时也应积极维护设备，减少非必要耗损。在设备运行中，充分考虑开车初始阶段，石墨零部件的受热膨胀伸长量大于金属伸长量的情况，可以采取缓慢升温的方法，来减缓石墨零部件的膨胀伸长速率，缓解或避免石墨零部件膨胀伸长量大于金属伸长量情况的发生，以减小螺栓中出现的最大载荷，也可以先接入冷却水，然后为热物料，促进设备中升温过程缓慢进行，从而有效降低温差应力。在不透性石墨设备封头部件使用中应进行全周期管理，通过此种管理可有效减少耗损，促进不透性石墨设备封头科学安装和使用，优化不透性石墨设备封头设计，显著延长不透性石墨设备封头使用寿命，提高不透性石墨设备封头应用质量。

4 结语

在不透性石墨设备封头应用全周期中，导致该部件受到破坏的因素众多，主要分为：（1）设计不科学因素，设计时通过对石墨封头以及不透性石墨封头外部碳钢盖板、法兰螺栓等外界设备载荷进行校核来保证不透性石墨设备封头可以可靠的使用；（2）安装技术因素，应在安装过程中加强技术控制。使用补偿器处理管道结构，可对不透性石墨设备封头形成有效保护，在一定程度上抵消石墨部件脆性大、强度低的缺点，降低封头破坏风险；（3）使用因素,在设备使用时应控制升温过程，降低温差应力，促进不透性石墨设备封头延长服役周期。