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1、一起压力容器爆炸事故的剖析中铝山西分公司安全环保部 贺红生 摘要：本文简要描述了一起压力容器爆炸事故的经过和严重后果,并从技术角度对爆炸的原因、爆炸时的、压力及爆炸断裂拉力走向进行了理论分析和计算,提出了预防类似事故的对策,对预防压力容器爆炸事故以及调查、分析压力容器爆炸事故原因具有一定的指导意义。 关键词：压力容器 爆炸事故 超压 压力容器在工业生产中的应用是极为普遍的,尤其是在化学工业中,几手每一个工艺过程都离不了压力容器,是生产中的主要设备。压力容器承受着一定的压力载荷,且往往在高温或深冷条件下运行,很易发生爆炸事故,造成灾难性后果。因此,研究和预防压力容器爆炸事故显得十分重要。下面就一
2、起压力容器爆炸事故的原因进行深入分析,并探讨预防类似事故发生的对策。1 事故经过及事故现场情况 (1)事故经过：2003年2月5日凌晨1时55分,山西某化工厂三车间系列冷凝水闪蒸器Nt112(以下简称Nt112)发生爆炸事故,当班职工柴某工亡,并造成较大经济损失。 (2)爆炸事故现场描述：Nt112罐体炸裂为以下四个部分：上部落至Nt112原位置西南方向8m处已变形；中部落至Nt112原位置东北方向6m处已变形；下部落至东南方向36m处；人孔门飞过马路穿墙至热电院内57m处。Nt112项部乏汽管道从罐体顶部撕断,落至酸罐西侧距原位置47m处；进水管道炸断。与之相邻的冷凝水闪蒸器Nt113倾斜,
3、进水管道炸断。操作室、电梯间坍塌,吊装孔损坏,4根支撑梁变形,17m楼板部分损坏,一根900钢梁断(见图1)。图1 冷凝水闪蒸器Nt112爆炸现场示意图2 爆炸设备及其相关工艺 (1)爆炸设备(N1112)性能参数：Nt112是类压力容器。该设备设计压力06MPa,设计温度165,规格为2500691612,容积30m3,介质为蒸汽和冷凝水：主体材料为A48CPR进口钢(相当于国产16MnR钢),设备本体有一块压力表,出汽管上有2个安全阀,本设备处于备用状态时与安全阀不相通,因备用时F1阀门关闭(见图2)。图2 Nt112、Nt113工艺流程图 (2)该设备相关工艺过程：Nt112前与高压冷凝
4、水罐NP112、NP113、NP114、NP122、NP123连接(NP为高压冷凝水罐的简称,其后数字为不同高压冷凝水罐的编号,其内压力均为56MPa,温度260270),后与预脱硅系统相通。即压力为56MPa的水经节流孔板进入冷凝水闪蒸器,减压降温后,一部分水变为蒸汽,通过冷凝水闪蒸器进入出汽管送预脱硅,管道压力06MPa(见图2和图3实线所示)；一部分水仍呈液态通过冷凝水出口至出水管进入热水槽,出水管上有排水管(阀)至地沟(点划线所示)。本设备已于2002年11月12日停止使用,即排水阀F6常开,其它阀门均关闭,直至事故发生一直处于备用状态。2003年2月4日9时15分左右,当班操作工将排
5、水阀F6关闭(见图2)。图3 冷凝水闪蒸器Nt112设备本体及爆炸裂缝示意图 说明：图中粗实线表示断裂缝。事故发生后设备本体断为上、中、下三部分,其中中部变形最严重,已完全展开,下部变形严重,上部相对较轻。人孔门周围变形最为严重。3 事故原因分析 (1)该设备在停用期间,本应切断进水阀打开排水阀F6,使其处于常压状态。而3个进水阀(F3、F4、F5)经常压试水一个渗漏(滴水),一个泄漏(流水),一个不漏(不滴不流)。虽关仍漏(两个阀门不正常)为设备的带压、增压直至超压提供了压力源。排水阀F6被关闭(据上述时间推算,排水阀F6关闭时间长达16小时40分),无法卸压,这是导致超压爆炸的重要原因。
6、(2)管理工作存在漏洞,白班职工违章关闭排水阀,而运行记录未注明,交接班时也未向接班职工说明,致使排水阀一直处于关闭状态。 (3)从爆炸后设备筒体的断口来看,绝大部分破口表面较为规则平整,且与母材成3045夹角,属韧性断裂。这说明钢板是由于超压而撕裂的。在人孔破口处发现,有大约100mm2的母材钢板严重减薄,实侧最小壁厚63mm(原设计壁厚为12mm),呈塑性变形特征。因为设备在制造过程中,人孔部位会产生应力集中,在运行时,受力状态比较复杂,使其成为整个设备的薄弱部位。又因爆炸后人孔接管带盖是单独飞出去的,由此推断,破点就在此处。 (4)爆破时的压力计算 根据钢制压力容器技术条件80版,圆筒内
7、压容器壁厚计算公式为 导出压力 式中：钢材在设计温度下的许用应力。设计时,计算圆筒壁厚使用。本次计算爆破压力时取用材料抗拉强度下限值为499MPa,即b499MPa。 焊缝系数,设计制造时为1。 Di设备圆筒内径,该设备2476mm。 圆筒最小壁厚。本设备现场实测已拉伸变形减薄区的最小值为63mm,区外为108mm,本次计算分别以63mm和108mm为基准。分两次计算爆破时的所需压力： 取63mm(不考虑破裂时的延伸变薄) 则 取108mm(考虑到设备破裂时的延伸减薄) 则 根据以上计算结果,如不考虑破裂时的拉伸减薄,爆破压力应为253MPa；若考虑破裂时的拉伸减薄更切合实际情况,则爆破时的压
8、力为433MPa。 (4)Nt112在备用期间与安全阀不相通,导致其内压力超设计压力时,安全阀不能泄压,失去其应有作用,造成Ntll2内压力不断升高,直至爆炸。 (5)断裂拉力走向分析：Nt112的人孔处破裂后,强大的内部压力,一部分力将人孔接管带盖抛出57m远。另一部分力从人孔中心线偏下部沿环向拉伸扩展,直至将直径为25m的圆筒全部撕断,形成底部一段。再一部分力从破点沿纵向往上扩展,将中段圆筒纵向撕开成卷板状,当扩展到简体环焊缝处时,因环焊缝强度大于母材,所以,这部分力不得不改变走向,沿环焊缝熔合线环向继续扩展,把母材钢板全部撕断,将剩余的简体又一分为二。这样,就形成了爆炸后整个筒体分为三段
9、的结果(见图3和图4)。图4 中部直筒展开断缝示意图 (6)设备爆炸时,内部压力在瞬间降为零(表压)。饱和水迅速汽化,体积急剧膨胀,产生巨大的二次压力,爆炸时的超压(即33中计算出的户)与二次压力形成合力,强大的合力将上段抛起砸坏车间横梁和部分管道,使简体顶部的出汽管拔出飞落,造成现场的惨景。 综上所述,冷凝水闪蒸器Nt112爆炸的直接原因是：该设备在停运期间,排水阀F6被关闭,进水阀严重泄漏,当压力为56MPa的冷凝水不断流入Nt112时,压力逐渐升高,又不能排水卸压,致使其超压破裂,发生爆炸。冷凝水闪蒸器Nt112,在停用关闭阀门F1的状态下与安全阀不相通,安全阀不能起到泄压作用,没能有效
10、地防止事故发生。 间接原因：管理不严,职工违章关闭排水阀F6,巡检不到位,交接班无记录,也未口头交接说明。4 事故防范对策 (1)完善指挥系统的规章制度,明确各级管理人员在管理中的职责,对重点环节实施监控,做到精细化管理。 (2)针对交接班记录不详细、巡检不到位问题,加强对职工培训教育,严格执行规程和有关制度,按要求做好各项运行记录。 (3)备用设备隔离措施要严密,针对备用设备隔离不严问题,必须加强设备检查和维护管理,对于生产过程中设备状态,要全面掌握,尤其是关键阀门的开关状态必须明确制度,必要时对开关阀门采取上锁措施。 (4)必须严格执行国家有关压力容器的各项法规和标准。 (5)对Nt112
11、和Nt113安全阀设置不合理问题进行完善,在Nt112和阀门F1之间加设两个安全阀,并将现有的两个安全阀移至Nt113和阀门F2之间,并对其它工艺系统展开调查,发现问题及时整改。 (6)进一步完善监控仪表、仪器和设备。 (7)进一步研究深化、细化压力容器安全检查的办法,通过技术手段查找和处理事故隐患。5 结语 压力容器属于特种设备,国家对压力容器的设计、制造、安装、质量检验、运行、监测和维护管理均有严格的规定,必须严格遵守。任何一个环节如有疏忽,都有可能发生严重的爆炸事故。必须采用科学合理的设计方案,重视技术改造,引进先进的管理方法、技术和设备,加强对压力容器的检查和监控,教育职工严格执行操作规程和各项规章制度,这样才能保证压力容器的安全运行。 参考文献 1吴粤焱编著压力容器安全技术北京：化学工业出版社,1993摘自中国职业安全卫生管理体系认证2004年第5期
