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安全 |換熱器事故原因與防護(hù)措施
換熱器是石油、化工、冶金、動(dòng)力、糧油、制冷、食品加工和國防工業(yè)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。在石化廠中，換熱器投資約占總投資的20%以上，占設(shè)備總質(zhì)量的40%以上。
換熱器的作用有兩個(gè)：一是通過熱交換使物流的工藝溫度達(dá)到規(guī)定溫度的要求，以完成加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等工藝過程；二是可有效地利用熱源，它在余熱回收等方面已成為必不可少的設(shè)備。但是，有的熱交換器工作條件是在高溫、高壓下進(jìn)行，比如工作介質(zhì)的壓力最高可達(dá)250MPa，操作溫度最高達(dá)1000～1500℃；有的其工作流體具有易燃、易爆、有毒、腐蝕性特點(diǎn)，加之化工、石化生產(chǎn)要求處理量大、連續(xù)性強(qiáng)，因此，這就給換熱器正常運(yùn)行帶來了一定的困難，稍有不慎就會(huì)發(fā)生事故，危及職工的生命安全。
熱交換器的事故類型主要有燃燒爆炸、嚴(yán)重泄漏和管束失控三種。其中設(shè)計(jì)不合理、制造缺陷、材料選擇不當(dāng)、腐蝕嚴(yán)重、操作失誤和維護(hù)管理不善是導(dǎo)致?lián)Q熱器發(fā)生事故的主要原因。下面為大家具體介紹引發(fā)事故發(fā)生的原因：
1燃燒爆炸
事故原因：
①自制換熱器，盲目將設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料做較大改動(dòng)，制造質(zhì)量差，不符合壓力容器規(guī)范，設(shè)備強(qiáng)度大大降低。
②焊接質(zhì)量差，特別是焊接頭處未焊透，又未進(jìn)行焊縫探傷檢查、爆破試壓，導(dǎo)致焊接頭泄漏或產(chǎn)生疲勞斷裂，進(jìn)而大量易燃易爆流體介質(zhì)溢出，如遇明火，便發(fā)生爆炸。
③由于腐蝕（包括應(yīng)力、晶間腐蝕）引起耐壓強(qiáng)度下降，致使管束失效或產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏，遇明火發(fā)生爆炸。
④換熱器做氣密性試壓時(shí)，采用氧氣補(bǔ)壓用可燃性精煉氣體試漏，引起物理與化學(xué)爆炸。
⑤操作違章、操作失誤、閥門關(guān)閉導(dǎo)致超壓爆炸。
⑥長(zhǎng)期不進(jìn)行排污，易燃易爆物質(zhì)（如三氯化氮）積聚過多，加之溫度過高導(dǎo)致?lián)Q熱器（如液氯換熱器）發(fā)生猛烈爆炸。
⑦過氧爆炸。
預(yù)防措施
①換熱器設(shè)計(jì)、制造應(yīng)符合國家壓力容器的規(guī)范要求，圖紙修改與變動(dòng)必須經(jīng)主管部門同意，經(jīng)驗(yàn)收質(zhì)量合格。
②換熱器制造時(shí)，要保證焊接質(zhì)量，并對(duì)焊縫進(jìn)行嚴(yán)格檢查。
③流體為腐蝕介質(zhì)時(shí)，應(yīng)注意提高材質(zhì)質(zhì)量和焊接質(zhì)量，增加管壁厚度或在流體中加入腐蝕預(yù)制劑，定期檢查管子表面腐蝕情況和對(duì)易腐蝕損壞的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，采取有效措施。
④換熱器做氣密性實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須采用干燥的空氣、氮?dú)夂推渌栊詺怏w，嚴(yán)禁使用氧氣或可燃性氣體實(shí)驗(yàn)或補(bǔ)壓。
⑤嚴(yán)禁違章操作，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)章。
⑥對(duì)易結(jié)垢的流體可定期進(jìn)行清洗，將結(jié)垢清洗掉。
⑦嚴(yán)格控制氧的含量。
案例分析：
換熱器超壓爆炸事故案例分析
1.事故經(jīng)過簡(jiǎn)述
受某石油化工總廠化工一廠的委托，核工業(yè)部第五安裝公司，于1986年3月15日對(duì)化工一廠的換熱器進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。16時(shí)35分 時(shí)，氣壓達(dá)到3.5兆帕?xí)r突然發(fā)生爆炸，試壓環(huán)緊固螺栓被拉斷，螺母脫落，換熱器管束與殼體分離，重量達(dá)四噸的管束在向前方?jīng)_出8米后，撞到載有空氣壓縮 機(jī)的黃河牌載重卡車上，卡車被推移2.3米，管束從原地沖出8米，重量達(dá)2噸的殼體向相反方向飛出38.5米，撞到地樁上。兩臺(tái)換熱器重疊，連接支座螺栓 被剪斷，連接法蘭短管被拉斷，兩臺(tái)設(shè)備脫開。重6噸的未爆炸換熱器受反作用力，整個(gè)向東南方向移位8米左右，并轉(zhuǎn)向170度。在現(xiàn)場(chǎng)工作的四人因爆炸死 亡。爆炸造成直接經(jīng)濟(jì)損失56000元，間接經(jīng)濟(jì)損失25000元。
2.事故原因分析
（1）操作人員違反操作。爆炸的換熱器共有40個(gè)緊固螺栓，但操作人員只裝13只螺栓就進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，且因試壓環(huán)厚度比原連接法 蘭厚4.7厘米，原螺栓長(zhǎng)度不夠，但操作工仍湊合用原螺栓，在承載螺栓數(shù)量減少一大半的情況下，每只螺栓所能承受的載荷又有明顯下降，由于實(shí)際每只螺栓承 載量大大超過設(shè)計(jì)規(guī)定的承載能力，致使螺栓被拉斷后，換熱器發(fā)生爆炸。這是一起典型的因違章操作導(dǎo)致爆炸的事故。
（2）現(xiàn)場(chǎng)管理混亂，分工不明確，職責(zé)不清。直接參加現(xiàn)場(chǎng)工作的主要人員在試驗(yàn)前請(qǐng)假回家，將工作委托他人。試驗(yàn)前沒有人對(duì)安全防護(hù)措施和準(zhǔn)備工作進(jìn)行全面檢查。
2嚴(yán)重泄漏
換熱器最容易發(fā)生泄漏的部位有焊接頭處、封頭與管板連接處、管束與管板連接處和法蘭連接處。焊接接頭泄漏的直接原因是焊接質(zhì)量差， 如：焊縫未焊透、未熔合、存在氣孔夾渣、焊縫未經(jīng)探傷檢驗(yàn)，甚至未做爆破實(shí)驗(yàn)，只做部分部件的水壓試驗(yàn)和采用多次割焊，造成金相改變，內(nèi)應(yīng)力增大，強(qiáng)度大 大降低。列管泄漏會(huì)造成氣體走近路，如管內(nèi)半水煤氣泄入管間變換氣體中，使換氣一氧化碳升高，影響正常生產(chǎn)。造成列管泄漏的主要原因是腐蝕、開停車頻繁、 溫度變化大、換熱器急劇膨脹或收縮使花板脹管處泄漏以及設(shè)備本身制造缺陷等原因所致?？傊l(fā)生燃燒爆炸、窒息、中毒和灼傷事故都是由泄漏引起的。易燃易爆 液體或氣體因泄漏而溢出，遇明火將引起燃燒爆炸事故；有毒氣體將引起窒息中毒；有強(qiáng)腐蝕流體泄漏，將會(huì)導(dǎo)致灼傷事故。
事故原因
①因腐蝕（如蒸汽霧滴、硫化氫、二氧化碳）嚴(yán)重，引起列管泄漏。
②由于開停車頻繁，溫度變化過大，設(shè)備急劇膨脹或收縮，使管板脹管泄漏。
③換熱器本身制造缺陷，焊接接頭泄漏。
④因操作溫度升高，螺栓伸長(zhǎng)，緊固部位松動(dòng)，引起法蘭泄漏。
⑤因管束組裝部位松動(dòng)、管子振動(dòng)、開停車和緊急停車造成的熱沖擊，以及定期檢修操作不當(dāng)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊而引起泄漏。
預(yù)防措施：
①定期進(jìn)行清洗，選擇耐蝕管材，流體中就愛如腐蝕抑氧劑，控制管內(nèi)流速，視泄漏情況決定停車更換或采取堵泄措施。
②精心操作，控制系統(tǒng)溫度不要發(fā)生較大的波動(dòng)。
③保證焊接質(zhì)量，對(duì)焊接進(jìn)行認(rèn)真檢查。
④盡量減少法蘭連接，升溫后及時(shí)重新緊固螺栓，緊固作業(yè)力求方便。
⑤對(duì)脹管部位不允許有泄漏的換熱器宜采取焊接裝配。
案例分析：
1994年2月17日，湖南岳陽氮肥廠甲胺分廠發(fā)生泄漏事故，死亡3人，中毒4人，直接經(jīng)濟(jì)損失約157萬元，停產(chǎn)1個(gè)月。
事故經(jīng)過：
2月13日，湖南岳陽市氮肥廠甲胺分廠合成崗位低溫?fù)Q熱器因內(nèi)漏導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率低而停車安排檢修。2月15日堵內(nèi)漏并拆換了法蘭密封 墊，20時(shí)檢修完畢，作了水壓試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)泄漏，便開車升溫。2月16日中班轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。2月17日3時(shí)10分，換熱器的封頭法蘭新更換的金屬纏繞墊突然 被容器內(nèi)介質(zhì)沖壞，大量液氨、甲醇混合氣從泄漏點(diǎn)向外噴出、擴(kuò)散，形成東西長(zhǎng)約200m，南北長(zhǎng)約100m的混合氣覆蓋區(qū)。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員中有7人中毒，其 中，3人因中毒嚴(yán)重死亡，4人送醫(yī)院搶救脫離危險(xiǎn)。事故發(fā)生后，全廠干部職工聞?dòng)嵓皶r(shí)趕赴事故現(xiàn)場(chǎng)，消除引爆條件，切斷泄漏氣源，用5臺(tái)消防水車強(qiáng)制稀釋 有毒氣體，到5時(shí)30分，事故現(xiàn)場(chǎng)已被控制。
事故分析：
造成這起事故的直接原因，是未按圖樣要求更換法蘭密封墊。低溫?fù)Q熱器封頭法蘭密封墊圖樣要求為金屬包石棉墊，2月15日檢修更換的 是金屬纏繞墊，當(dāng)設(shè)備工作壓力升高后，金屬纏繞墊靠北方向薄弱點(diǎn)被內(nèi)壓沖壞，內(nèi)部介質(zhì)突然大量外噴，釀成事故。造成事故的主要原因是檢修完成后，未嚴(yán)格按 規(guī)程對(duì)容器進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)，埋下了事故隱患。同時(shí)，設(shè)備檢修質(zhì)量存在問題是事故發(fā)生的重要原因。在安裝封頭法蘭時(shí)沒有按照緊固螺栓的方法操作， 使整個(gè)法蘭受力不勻；而且，28個(gè)法蘭螺栓未完全上滿，空缺了1個(gè)。當(dāng)班操作工及維修工未及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故苗頭，沒有加強(qiáng)巡回檢查。
3管束失效
塔設(shè)備污染、反應(yīng)器觸媒中毒、設(shè)備嚴(yán)重泄漏都是化工設(shè)備事故，而管殼式換熱器、合成塔和廢熱鍋爐的管束失效也是化工設(shè)備破壞形式之一。
管殼式換熱器、合成塔和廢熱鍋爐的管束是薄弱環(huán)節(jié)，最容易失效。管束失效的形式主要要有腐蝕開裂、傳熱能力迅速下降、碰撞破壞、管子切開、管束泄漏等。
事故原因：
1腐蝕
換熱器多用碳酸制造，冷卻水中溶解的氧所致的氧極化腐蝕極為嚴(yán)重，管束壽命往往只有幾個(gè)月或一兩年，加之工作介質(zhì)又有許多是有腐蝕 性的，如小氮肥的碳化塔冷卻水箱，在高濃度碳化氨水的腐蝕和碳酸氫銨結(jié)晶腐蝕雙作用下，碳化塔冷卻水箱有時(shí)僅使用兩三個(gè)月就發(fā)生泄漏。
管子與管板的接頭是管束上的易損區(qū)，許多管束的失效都是由于接頭初的局部腐蝕所致。我國的換熱器接頭多采用焊接形式，管子與管板之 間存在間隙，殼程介質(zhì)進(jìn)入到間隙死角之中，就會(huì)引起縫隙腐蝕。對(duì)于采用膨脹形式的接頭，由于膨脹過程中存在殘余應(yīng)力，在已膨脹和未膨脹段間的過渡區(qū)上，管 子內(nèi)、外壁都存在拉應(yīng)力區(qū)，對(duì)應(yīng)力腐蝕非常敏感。一旦具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度、介質(zhì)條件，換熱器就很快由于應(yīng)力腐蝕而破壞。許多合金鋼和不銹鋼換 熱器管束，往往是由于局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕而迅速開裂的。有人曾對(duì)某變換氣換熱器管束做過失效分析，該換熱器材質(zhì)為Cr25Ni20，在溫度為420℃左右 下運(yùn)行，在操作三四個(gè)月之后，竟有14％的管子開裂泄漏。對(duì)其斷口進(jìn)行分析表明，斷口形態(tài)呈敏化不銹鋼應(yīng)力腐蝕的典型特征：裂紋在起始處為晶間型，裂紋深 入到金屬內(nèi)部時(shí)轉(zhuǎn)化為穿晶型。
2結(jié)垢
在換熱器操作中，管束內(nèi)外壁都可能會(huì)結(jié)垢，而污垢層的熱阻要比金屬管材大得多，從而導(dǎo)致?lián)Q熱能力迅速下降，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使換熱介質(zhì)的流道阻塞。
3流體流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)
為強(qiáng)化傳熱和減少污垢層，通常采用增大殼程流體流速的方法。而殼程流體流速增加，產(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng)的可能性也將大大增加，從而導(dǎo)致管束中管子的振動(dòng)，最終致使管束破壞。常見的破壞形式有以下幾種。
（1）碰撞破壞當(dāng)管子的振幅足夠大時(shí)，將致使管子之間相互碰撞，位于管束外圍的管子還可能和換熱器殼體內(nèi)壁發(fā)生碰撞。在碰撞中，管壁磨損變薄，最終發(fā)生開裂。
（2）折流板處管子切開折流板孔和管子之間有徑向間隙，當(dāng)管子發(fā)生橫向振動(dòng)的振幅較大時(shí)，就會(huì)引起管壁與折流板孔的內(nèi)表面間產(chǎn)生反 復(fù)碰撞。由于折流板厚度不大，管壁多次、頻繁與其接觸，將承受很大的沖擊載荷，因而在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)就可能發(fā)生管子被切開的局部性破壞。
（3）管子與管板連接處破壞此種連接結(jié)構(gòu)可視為固定端約束，管子振動(dòng)產(chǎn)生橫向撓曲時(shí)，連接處的應(yīng)力最大，因此，它是最容易產(chǎn)生管束失效的地區(qū)之一。此外，殼程接管也多位于管板處，接管附近介質(zhì)的高速流動(dòng)更容易在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)。
（4）材料缺陷的擴(kuò)展造成失效盡管設(shè)計(jì)得比較保守，在操作中管束的振動(dòng)是不可避免的，只不過振幅很小而已。因此，如果管子材料本身 存在缺陷（包括腐蝕和磨蝕產(chǎn)生的缺陷），那么在振動(dòng)引起的交變應(yīng)力作用下，位于主應(yīng)力方向上的缺陷裂紋就會(huì)迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致管子失效。
（5）振動(dòng)交變應(yīng)力場(chǎng)中的拉應(yīng)力還會(huì)成為應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力源。
流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)引起管子破壞，易發(fā)生在撓度相對(duì)較大和殼程橫向流速較高的區(qū)域。此區(qū)域通常是U形彎頭、殼程進(jìn)出口接管區(qū)、管板區(qū)、折流板缺口區(qū)和承受壓縮應(yīng)力的管子。
4操作維修不當(dāng)
應(yīng)力腐蝕只有在拉應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)和材料敏化溫度等條件同時(shí)具備的情況下才會(huì)發(fā)生。如果操作條件不穩(wěn)定或控制不當(dāng)，尤其是剛開工時(shí)，最容易出現(xiàn)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件。
在開工的熱過程中，管子內(nèi)壁溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于管外壁溫度，因而在管子外壁面將產(chǎn)生短暫但應(yīng)力水平很高的軸向和周向拉應(yīng)力。依據(jù)溫度應(yīng)力 公式計(jì)算，管外壁拉應(yīng)力將接近或超過管材的屈服點(diǎn)。在這種高拉應(yīng)力的反復(fù)作用下，管子上將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕微觀裂紋，并迅速擴(kuò)展直至開裂。換熱器管束上的裂 紋一般起始于管外壁，且垂直于拉應(yīng)力方向。
管束產(chǎn)生泄漏后，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常采用堵管方法，并作為一種應(yīng)急的修復(fù)措施。有關(guān)專家曾對(duì)變換氣換熱器管束做過試驗(yàn)，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)現(xiàn)管束泄漏后，將占管總數(shù)14％的泄漏管子予以堵塞，然后繼續(xù)使用。
結(jié)果，很快就發(fā)生了更嚴(yán)重的破壞，以致造成管束報(bào)廢。這是由于堵塞的管子因管內(nèi)無介質(zhì)流動(dòng)，其溫度大致等于殼程介質(zhì)的溫度，若殼程為高溫介質(zhì)，這些 已堵管子的溫度還要大大增加，從而因已堵管和未堵管的溫差很大，加速了自身的破壞。而且已堵管子因溫度較高，還會(huì)受到軸向壓應(yīng)力的作用；未堵管子，特別是 位于已堵管周圍的管子，就將受到附加軸向拉應(yīng)力的作用，從而加快自身的應(yīng)力腐蝕破壞。
預(yù)防措施：
①合理選擇管材，制定合理的開停程序，加強(qiáng)在線監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制運(yùn)行條件，防止和減輕應(yīng)力腐蝕。對(duì)工藝進(jìn)行適當(dāng)處理，降低其腐蝕性。
②采取先進(jìn)水處理新工藝、新配方。
③優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在流體入口前設(shè)置緩沖罐，減少脈沖，適當(dāng)減小折流間距和折流板厚度，增加管壁厚度。
④嚴(yán)格控制操作條件，使其比較穩(wěn)定。在管束試壓或操作中發(fā)現(xiàn)接頭泄漏時(shí)，對(duì)接頭修復(fù)脹管要慎重。修復(fù)管束時(shí)，采用堵管方法也應(yīng)慎重，在可以更換管子的場(chǎng)合，應(yīng)盡量拆管更換，而不采取堵管的方法。
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