不透性石墨設備封頭破壞原因與對策研究

劉仍禮 陸 俊 陳 燕 劉 暢

（南通星球石墨股份有限公司，江蘇 南通 226541）

0 引言

不透性石墨材料具有優良的耐腐蝕、耐溫性能和導熱性能，其導熱系數是不銹鋼的4倍，碳鋼的2倍多，耐溫最高可達400℃，在醫藥、石油化工、三廢處理以及氯堿工業等行業中得到廣泛應用。絕大部分不透性石墨設備的工作壓力都大于0.1MPa，屬于壓力容器。部分不透性石墨設備還屬于TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱《容規》）監管范圍內的壓力容器，不透性石墨設備使用中可能發生封頭損壞等情況，影響設備密閉性，從而威脅設備使用安全等。為保證使用者人身安全，促進設備穩定運行，提高經濟效益，必須全面分析、有效預防和控制此類風險。

1 概述

石化、化工、制藥、等行業的都需要大型設備的石墨換熱器，石墨換熱器中的石墨封頭基于生產工藝要求需要設置大型進出料口，部分不透性石墨設備采用氣體作為介質，對開口規格要求較高。不透性石墨設備開口較大時，在設備運行中較易出現封頭破損，導致設備內部物料發生泄漏，影響設備常規運行，進而影響生產活動進行。

不透性石墨設備封頭較易在設備運行中發生損毀，而在運行后則不易發生此種情況。不透性石墨設備封頭損壞不僅增加生產成本，不利于節能降耗，而且影響設備運行安全，較易誘發生產事故。針對不透性石墨材料制造的封頭全方位分析引起其損壞的原因，從設計環節、安裝環節和使用環節進行損毀因素分析，針對性采取措施，優化不透性石墨設備封頭設計科學性，減少安裝過程造成的不良影響，促進設備科學使用，對于不透性石墨設備封頭長期安全使用具有積極意義。

2 實效分析

2.1 設計分析

不透性石墨設備封頭所采用的原材料為不透性石墨，脆性較強，而強度較弱，對應力承受能力較差。在目前石墨制圓形封頭的計算是將圓形端蓋近似的看作圓錐殼體，按錐形薄壁應力公示求最大周向拉應力來校核其強度。但是部分廠家在生產時設計都在選用“許用抗拉強度”時不科學，或者采用劣質原材料，選的“許用抗拉強度”并非是標準要求的“設計溫度下材料的許用抗拉強度”這樣計算的石墨封頭厚度存在影響質量的風險。

2.2 安裝技術分析

安裝過程中，因為不透性石墨設備封頭和管道之間各自具有軸心，二者軸線一旦存在差異將增加安裝難度。強力安裝時較易導致不透性石墨設備封頭受到破壞，影響其正常使用，或者導致不透性石墨設備封頭報廢。

2.3 使用操作分析

設備使用過程中，從啟動階段至平穩運行階段這一周期中，從低溫升到高溫，因為溫差存在而產生一定應力，尤其是迅速升溫時導致溫度應力較大，對不透性石墨設備封頭中石墨材料造成影響，縮短使用壽命。

3 科學策略

3.1 設計環節優化

3.1.1 石墨封頭強度分析

如圖1所示，該石墨換熱器的結構屬于石墨換熱器典型結構，上封頭上部加設鋼制蓋板，作為石墨換熱器浮動端的緊固基點，并使用螺栓與鋼制殼程筒體連接緊固，使用熱補償彈簧來對金屬與石墨件熱脹系數不同所導致的溫度應力的補償。在整體的結構設計上也不存在問題[1]。

圖1 石墨換熱器上封頭結構示意圖

為了保證石墨封頭安全可靠運行，部分情況下雖然可以采用封頭加厚的處理方法，但是當封頭的錐角確定后，錐口部位壁厚最小值也隨之固定。為了改善封頭使用性能，可通過選擇優質石墨原材料的方法進行材料許用應力提升。此外，可在石墨封頭處使用鋼制抱箍或者纏繞碳纖維的方式來有效分擔封頭應力。通過此種改進可促進石墨材料得到高質量利用，降低不透性石墨設備封頭耗損速度，促進設備安全，同時有利于節約成本。當前不透性石墨設備封頭使用相關產業中，眾多項目采用此種改進方法，應用效果比較理想。

3.1.2 金屬部件強度優化

石墨換熱器中含有金屬部件。為促進不透性石墨設備封頭優化設計，還應計算金屬件強度。不透性石墨設備封頭中有蓋板結構，該結構為受壓元件。該部件在受力作用下發生形變后，引起局部應力集中，進而導致不透性石墨設備封頭不均勻承受應力，加重損毀風險。在部件設計中，應進行標準校核，保證封頭、上蓋板平整相接，同時應保證蓋板厚度在承受應力后形狀穩定。解決該問題的目的是預防應力過度集中，導致石墨件部分超負荷，不透性石墨屬于脆性材料，受到此種應力影響較易破裂。

3.2 安裝技術優化

通過科學分析可知，介質壓力只是導致不透性石墨設備封頭損毀的諸多原因之一，通過不透性石墨設備封頭實際使用監控可知，導致封頭破裂的因素還有安裝因素，安裝時不合理螺栓預緊力以及安裝應力超標也是導致部件損壞的直接原因。在安裝不透性石墨設備封頭時，采用科學的安裝技術可促進安裝應力降低，從而降低封頭損壞風險。在封頭與管道安裝時較易發生強力安裝情況，導致不透性石墨設備封頭破損。此類情況較易發生在管道和設備兩者軸線處于不同軸管道時。在安裝過程中，較易發生安裝誤差，而且管道自身具有較大重力，不科學的安裝就會造成石墨封頭的損傷。所以在工藝管道的設計時通常在石墨借口和管道處設置補償器，或稱管道膨脹節，此種部件具有一定軸向可伸縮性，也能在一定的角度內克服管道對接不同軸向而產生的偏移，能極大的方便管道的安裝與拆卸，在管道允許伸縮量中可以自由伸縮,采用此種部件可以緩解不同方向熱變形。在設備運行中產生振動，振動會對設備造成耗損，通過安裝補償器部件可緩解振動、減輕此類耗損，此外，當發生地震等情況時，補償器的存在也可在一定程度上保護管道，降低設備損壞風險。

不透性石墨設備封頭中間部位有石墨接管，部件外部還有金屬蓋板。為保證管道良好密封同時有效進出料，還會使用法蘭和墊片等部件。受到此種結構影響，不透性石墨設備封頭結構中，圓平板部分中存在的內壓力被有效分散，螺栓、墊片等傳遞內壓力向金屬蓋板轉移。

3.3 操作技術改進

在操作時也應積極維護設備，減少非必要耗損。在設備運行中，充分考慮開車初始階段，石墨零部件的受熱膨脹伸長量大于金屬伸長量的情況，可以采取緩慢升溫的方法，來減緩石墨零部件的膨脹伸長速率，緩解或避免石墨零部件膨脹伸長量大于金屬伸長量情況的發生，以減小螺栓中出現的最大載荷，也可以先接入冷卻水，然后為熱物料，促進設備中升溫過程緩慢進行，從而有效降低溫差應力。在不透性石墨設備封頭部件使用中應進行全周期管理，通過此種管理可有效減少耗損，促進不透性石墨設備封頭科學安裝和使用，優化不透性石墨設備封頭設計，顯著延長不透性石墨設備封頭使用壽命，提高不透性石墨設備封頭應用質量。

4 結語

在不透性石墨設備封頭應用全周期中，導致該部件受到破壞的因素眾多，主要分為：（1）設計不科學因素，設計時通過對石墨封頭以及不透性石墨封頭外部碳鋼蓋板、法蘭螺栓等外界設備載荷進行校核來保證不透性石墨設備封頭可以可靠的使用；（2）安裝技術因素，應在安裝過程中加強技術控制。使用補償器處理管道結構，可對不透性石墨設備封頭形成有效保護，在一定程度上抵消石墨部件脆性大、強度低的缺點，降低封頭破壞風險；（3）使用因素,在設備使用時應控制升溫過程，降低溫差應力，促進不透性石墨設備封頭延長服役周期。