三臺夾套容器內筒失穩的事故分析

柳迅(河北省特種設備學會，河北 石家莊 050091)

0 引言

某制藥車間在生產過程中三臺夾套容器(一臺去催罐和兩臺結晶罐)內筒相繼鼓包變形(見圖1)，發生特種設備嚴重損害的變形事故[1]，造成較大損失。三臺夾套容器全部為間接加熱冷卻系統，即通過夾套中熱水和冷鹽水的循環來實現為攪拌容器內筒物料加熱和冷卻要求，夾套容器的結構示意圖見圖2所示。

圖1 內筒鼓包照片

圖2 夾套容器結構示意圖

1 事故基本情況

1.1 去催罐事故情況

操作人員發現3-2001 去催罐內溫度約為40℃，適合抽濾，于是檢查相關閥門和罐內料液(因有料液未能發現異常)，確認正常后進行去催罐抽濾。完成后通過視鏡發現罐內壁出現鼓包現象。最后經設備部確認3-2001 去催罐手孔左前方筒體內壁鼓起。

1.2 結晶罐事故情況

操作人員將在二次結晶罐溶解后的料液分別壓入3-5001和3-5003 結晶罐，在攪拌過程中，聽到咣當一聲，攪拌槳葉被絆住不能轉動，隨觀察發現內壁鼓起。兩臺結晶罐情況相同，都是手孔左前方筒體內壁鼓起。

2 事故原因調查

2.1 夾套容器設備情況調查

發生事故的兩臺結晶罐和一臺去催罐全部屬于Ⅱ類壓力容器，設計制造單位為同一家具有壓力容器設計和制造許可資質的專業企業。

對制造企業提供的設計文件和出廠資料等進行審查(三臺設備的技術參數見表1)。查驗設計圖紙中的設計參數設置，都符合操作條件和相關標準的要求，其中設計壓力和設計溫度是依據設備運行中最苛刻的組合工況確定[2]。確定最大計算外壓力(即內筒抽真空和夾套內為設計內壓聯合產生的最大負壓)來重新核算內筒和內封頭強度和壁厚并對照查驗廠家強度計算書，確認核算無誤。結合圖紙審查廠家提供出廠資料相關內容也未發現問題，其中在壓力試驗檢驗報告中，三臺容器耐壓試驗曲線都顯示，內筒試驗壓力為0.675MPa，保壓30min，夾套試驗壓力為0.55MPa，保壓30min，均為合格，查驗無問題。所以設計文件和出廠資料審查未發現導致內筒失穩的問題。

表1 三臺夾套容器的技術參數

現場檢查三臺夾套容器設備本體，發現三臺設備都是手孔左前方筒體內壁鼓起，結合圖紙和出廠資料檢查設備制造質量，用光譜分析儀查驗內筒和夾套等部件材料化學成分，實測內筒封頭特別是鼓包處部位壁厚、相關結構尺寸(特別是內筒的圓度、內筒受外壓部分長度等)，查驗焊接制造質量等。除內筒鼓包變形外，其他檢查的項目與圖紙和出廠資料一致，未發現其他設備本體制造質量問題。

檢查與設備連接的管道，發現兩臺結晶罐位于室外的換熱器補水管道未進行保溫發生了凍管現象，管道被堵塞。發現與去催罐連接管道的乙二醇-水罐安全閥下面的截止閥處于關閉狀態。

2.2 工藝及操作調查

設備使用流程圖詳見圖3。

2.2.1 去催罐操作過程描述：

打開去催罐排氣，將氫化釜內氫化液壓入去催罐。打開去催罐夾套熱水閥門，通過熱乙二醇-熱水罐、乙二醇-水泵、乙二醇-水換熱器，將去催罐內料液升溫至105℃。切換去催罐夾套冷水閥門，通過冷乙二醇-冷水罐、乙二醇-水泵、乙二醇-水換熱器，將去催罐內料液降溫至35℃以下。

打開去催液收集罐，通過去催液過濾器將去催罐內去催液抽濾至去催液收集罐。開去催液收集罐氮氣，將去催液收集罐內料液壓入濃縮罐。

2.2.2 三次結晶罐操作過程描述：

將二次結晶粉投入到二次結晶罐中并壓入乙醇，通過結晶罐對應的換熱器組及熱水泵為二次結晶罐升溫，使結晶罐內料液充分溶解(料液溫度約75℃)。

打開二次結晶罐氮氣，將罐內溶解液通過過濾器壓入三次結晶罐。通過三次結晶罐對應的換熱器組及熱水泵，使用降溫程序控制，為三次結晶罐內料液降溫至14℃，降溫過程中加入甲酰胺及純化水。

料液降溫結束后，開三次結晶罐罐底閥，將結晶液放至對應抽濾器內抽濾。若放料過程中發現罐底料液堵塞，短暫開三次結晶罐真空將罐底料液反抽一次，繼續放料。

3 事故原因分析

三臺設備結構都是典型的夾套容器，內筒壁承受內筒物料產生的內壓、夾套內循環水的外壓以及抽料過程中產生的真空三種壓力。此次發生的失穩事故是內筒壁在外壓作用下，形狀突然發生改變而產生癟塌的失效形式，被稱為失穩失效，這時其筒壁受力由薄膜應力狀態突變為彎曲應力狀態，被壓癟時的最小外壓力即是臨界壓力[3]。由于實際制造的外壓容器受殼體圓度、材料不均勻等因素的影響，實際的失穩壓力要比理論計算的臨界壓力要低，所以用許用外壓作為控制不致失穩的參數[3]。防止外壓失穩就要使殼體所受外壓不能超過許用外壓力。

通過調查分析，排除了設計參數設置、強度計算、材料成分、內筒壁厚和圓度等結構尺寸、焊接制造質量等各種可能導致內筒失穩的因素[4]，能確定在正常操作工況下，三臺設備的設計制造質量能夠滿足設備使用條件，所以排除了設備本身缺陷原因導致事故的可能性。由于三臺設備內筒的操作使用有完整的未現異常的操作記錄，且配有壓力泄放裝置和監控設施，不會造成超壓超溫等工況，故能排除內筒導致事故的可能。

在夾套管道系統中壓力源只來自循環泵，故取泵的關閉壓力作為管道系統最大壓力為0.4MPa[5]，車間認為不會存在超壓的可能，也就沒有對夾套管道系統操作進行記錄，造成無法查證操作壓力和操作溫度等是否發生過異常。

圖3 設備使用流程圖

對于現場發現的兩臺結晶罐補水管的凍管現象，懷疑可能是補水管凍管堵塞，導致夾套循環水系統封閉，而換熱器一直在加熱，水溫就會升高，夾套內壓相應上升，超出臨界壓力時，內筒就會失穩形成鼓包。

為印證上述分析，對結晶罐系統進行模擬試驗，關閉補水管道，打開蒸汽管道通過換熱器對換熱水進行加熱，開啟循環泵，觀察到換熱水溫度在2 分鐘的時間由44℃升至45℃時，壓力表由初始壓力0.27MPa 急速升至0.5MPa，為保證安全未繼續進行試驗，但已經證實了溫度升高導致壓力快速升高趨勢。

核算結晶罐內筒的許用外壓力，由于

式中：Do表示圓筒外直徑；Di表示圓筒內徑；δn表示圓筒名義厚度；δe表示圓筒的有效厚度；C1表示材料厚度負偏差；C2表示腐蝕裕量；L表示圓筒計算長度，取內筒受外壓部分長度加內封頭直邊高加封頭曲面深度的1/3。

然后查圖確定外壓應變系數A 為0.0009690，進而確定外壓應力系數B 為72.74，故確定的許用外壓力[P]為：

說明內筒最大能夠承受0.582MPa 的外壓，大于這個數值內筒就有可能發生失穩變形。在模擬試驗試驗中，把熱水加熱到45℃時壓力就已經升至0.5MPa,已接近了許用外壓，只要溫度繼續升高壓力隨之就會超過許用外壓值，充分說明失穩變形事故是由于夾套管道封閉導致水溫升高引起超壓所致。

在去催罐系統中熱水罐截止閥處于關閉狀態，致使與其連接的安全閥失去超壓泄放功能。在此情況下，夾套管道內的熱水被換熱器反復加熱，其飽和溫度會持續增高，導致飽和壓相應升高，而無法泄放，導致超壓最終造成內筒失穩。

核算去催罐內筒的許用外壓力，由于

式中字母代表意義同上，然后查圖確定外壓應變系數A 為0.0007991，進而確定外壓應力系數B 為65.96，故許用外壓力[P]為：

說明內筒所受外壓超過0.528MPa，即飽和蒸汽壓大于0.528MPa 對應的飽和溫度高于159.9℃時，內筒就可能發生失穩變形。

經過調查分析排除了夾套容器自身的設計制造質量問題。通過模擬試驗證實在封閉環境里水溫增加可引起的壓力快速增大。結晶罐夾套補水管道凍結堵塞，而又未設置壓力保護系統，致使夾套換熱水系統封閉，隨著換熱器持續對循環熱水加熱，水溫持續增高，致使液體膨脹，由于系統被封閉，膨脹被限制，由于水不易壓縮，導致壓力急劇升高[7]，當系統壓力大于夾套內筒失穩臨界壓力時，內筒失穩變形，形成鼓包。而去催罐夾套管道系統中安全閥失去作用，同樣隨著對循環熱水加熱，使其飽和壓隨之增大，超過臨界壓力，內筒就會失穩變形。

4 提出整改措施

(1)修改結晶罐夾套管道系統工藝流程，增加超壓泄放裝置，防止特殊情況時發生超壓。

(2)拆除已經鼓包的三臺設備，更換備用設備，施工完成后進行壓力試驗。

(3)兩臺結晶罐補水管線增加保溫層，防止凍結現象發生。根據修改后工藝流程，增加系統保護措施，安裝安全泄放裝置或超壓報警裝置。

(4)拆除去催罐系統中乙二醇-水罐安全閥下面的截止閥，發揮安全閥的超壓泄放作用。

5 處理后運行跟蹤

設備部更換了三臺鼓包設備，對兩臺結晶罐的補水管道進行了保溫，并在夾套進口側安裝安全閥，將去催罐系統中安全閥處的截止閥拆除。車間完善了三臺設備相關操作規程，對崗位操作進行了培訓，增加夾套操作記錄，并加強巡檢，目前設備運轉良好。

6 結語

企業常常容易忽視夾套加熱或冷卻換熱的安全問題，認為發生失穩比爆破失效危險性小，但是這三臺設備事故提醒企業夾套失穩變形，同樣會造成重大損失[8]。所以企業要改變觀念，重視夾套循環系統安全，充分考慮誤操作、環境影響等特殊情況導致的超溫超壓，完善安全防護配置，防止夾套容器失穩事故發生。