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            制氢装置含机械损伤缺陷解吸气混合罐安全性分析

            文档作者: 徐晓丹1 赵建平2        文档来源: 1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 2.南京工业大学机械与动力工程学院
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            更新时间: 2021年01月08日
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            182 化工机械2013年 制氢装置含机械损伤缺陷解吸气 混合罐安全性分析+ 徐晓丹”1 赵建平2 (1.江苏省特种设备安全监督检验研究院;2.南京工业大学机械与动力工程学院) 摘要某制氢装置的一台解吸气混合罐,在检验过程中发现130ram长、2ram深的机械划痕,采用断裂 力学方法对其开展了安全评价。根据断裂评价结果,该缺陷是可以接受的。 关键词混合罐制氢装置断裂力学机械划痕安全分析 中圈分类号TQ051.7+1 文献标识码A 文章编号0254_6094(2013)02-0182-03 某厂能源动力部制氢装置采用变压吸附 (PSA)原理精制煤气以及从焦炉煤气(COG)中提 纯氢气。该装置的一台解吸气混合罐内径 2 400mm,材料20R,壁厚11mm,设计温度50℃, 设计压力0.3MPa。在检验过程中发现,该解吸气 混合罐筒体从上往下数,距离第五筒节与第六筒 节的环缝lOOmm处、距离第五筒节纵缝lOmm处 开始,跨过纵缝平行于第五筒节与第六筒节环缝 处有约长130ram、深2ram的机械划痕,根据TSG R7001.2004(压力容器定期检验规则》第四十及 四十一条之规定,需打磨至圆滑,但该设备位于易 燃易爆区域,又不能动火,需进行安全性分析。 1缺陷的表征 为了从安全角度考虑,保守地将130ram长、 2ram深的机械划痕等效为同尺寸的裂纹缺陷,按 GB/T 19624中5.3缺陷规则化的要求,将该机械 划痕表征为2c=130mm,口=2ram的外表面半椭 圆裂纹,该表征裂纹取安全系数1.0后作为计算 用的表征裂纹尺寸c=65mm,口=2ram。 2应力的确定 按GB/T 19624规范规定,在评定中所取用 的应力是缺陷部位主应力,计算该主应力是采用 弹性计算方法,并假设结构中不存在缺陷。 一次薄膜应力是由内压引起的,可以按无力 矩理论计算: P’。4=石PD=_0.3五×而24—00=18MPa 4曰4×10 一 式中B——壳体计算厚度,即扣除内外壁腐蚀 余量后的缺陷附近壳体壁厚。 一次弯曲应力P。=0MPa。 二次应力包括二次弯曲应力、残余应力及热 应力等。对于本例,仅考虑焊接残余应力。 本项目的研究工作未对焊接残余应力进行测 定,根据GB/T 19624规范表5-2的规定,取盯。= 0.30",,再按该规范表4中值矿,,得到焊接残余应 力引起的二次薄膜应力Q。=0.30",=0.3×345= 103.5MPa。 按规范规定,由错边、角变形及局部厚度差等 所引起的局部应力,按二次应力考虑。查GB/T 19624规范表5-3得到错边引起的二次弯曲应力 为: 仆才磊P。鑫=毒篙鬲棚×÷ =14.84MP8 上式中曰。为对焊接头错边两侧的容器壁厚 的较大值,曰:为对焊接头错边两侧的容器壁厚的 较小值,取B。=B:;e为错边量。 一次应力和二次应力取分安全系数后的值: P。=1.2×18=21.6MPa }国家科技支撑计划项目(2012BAKl3803和2011BAK06803)资助。 一徐晓丹,男,1962年9月生,高级工程师,副院长。江苏省南京市,210036。 万方数据 第40卷第2期化工机械183 Pb=OMPa Q。=103.5MPa Qb=Q:+Q:=o+14.84=14.84MPa 3材料性能数据的确定 开展了断裂韧性的实验室测试,取3个试样 中的最小值,断裂韧度按62.5N/mm计算,则材 料断裂度为: 耻辱:~/—1.96 x—105 x巫62.5瑙6灿№m耽 取1.1倍安全系数以后,评定用断裂韧度为: K,c:=—_3了66_—9.-02:3335.5N/mm3/2 . 4应力强度因子的计算 K?和K;分别为一次应力和二次应力引起的 应力强度因子,在应力强度因子的计算中分别对 表面裂纹的A点和B点(表面裂纹的最深点和最 长点)进行计算(图1),求得A点的(K;)。和 (K;).,B点(K?)。和(K;)。,然后确定危险点。 图1表面理解纹尺寸示意图 查规范附表D1_4,当a/c=0.031,a/B=0.2 时: Z=1.294Z=o.999Z=o.377彳=0.351 (群).=/鬲(矿Z+盯Z)=/再万X(21.6× 1.294+0 X0.999、=70.06N/mm3“ (群).=石i(盯Z+盯Z)=/;五西×(103.5× 1.294+14.84 X0.999)=372.87N/mm” (K?)。=4-4z(盯。名+盯彳)=~,丽×(21.6 X 0.377+0×0.351)=20.41N/ram3“ (霹)。=石i(盯Z+盯誓)=丽X(103.5 X 0.377+14.84×0.351)=110.86N/mm3“ 由上述计算可知:A点是危险点,应该按A点 进行安全性校核。 5脆性断裂因子K和塑性失效因子£-,的计算 K,为失效评定图FAD的纵坐标,它是含裂纹 结构脆断的指标。由于—芝: o,q可o —立丝害兰=:o.431,查规范图5.14得妒。: 345 X 0奄X 2 0.025,当L,<0.8时,裂纹塑性区的修正值P= o.025。所雌=竽妒掣掣+ 0.025=0.158。 三。是失效评定图FAD的横坐标,它是含缺陷 结构塑性失效的指标,受内压壳体上表面裂纹的 极限载荷为: 1 a 2 小警善=訾×{1孚.o.啪1 B 1—10 厂————丁 式中帆?!?+1.6南叫·25 6安全性评价 由上述计算得评定点的坐标为(0.079, 0.158),从图2中可以看出,该评定点落在失效评 定曲线下面的安全区域,说明该缺陷满足合于使 用的要求。 逆 H’ 殴 碟 螽 趟 磐 图2评定点在失效安全评定图中的位置 7 结束语 采用断裂力学方法对制氢装置的一台解吸气 混合罐进行了安全评价,通过计算脆性断裂因子 K,和塑性失效因子£,,由失效评定图技术分析: 解吸气混合罐表面发现的130mm长、2mm深的 机械划痕,能够满足合于使用的要求。 (收稿日期:2012.10.25) Safety Analysis of Desorbed Gas Mixture Tank with Mechanical Damage for Hydrogen Equipment (Continued on Page 249) 万方数据 第40卷第2期化工机械249 管板管孔力n-r_强度胀的两道胀槽,胀接前要 做好管孔内径、换热管内外径的测量,通过试胀, 确定合适的胀管率,避免出现过胀和欠胀,检验合 格后确定最终的胀管率。 苫8 .n 一 |n N令 图3 焊接管头尺寸 4改进工艺及操作条件 4.1 控制Cl一含量和改善水质环境 316L材料管束短期内失效的主要原因是汽包 水含有cl一而导致应力腐蚀开裂,在严控汽包水质 量后,316L管柬可以保证在较长周期内使用。 为了防止可能出现的低碳钢的OH一应力腐 蚀开裂,控制好壳体水pH值在8.5—10.0,缓蚀 剂由Na,PO.改为NaH:PO。,加强脱氧,改善材料 对应力腐蚀环境的敏感性。在操作上要求调整不 能过于频繁,提高壳程水循环倍率,将部分给水补 入下降管,避免蒸汽在管束表面的快速蒸干与杂 质沉积,减少因此而产生的振动。 4.2调整管束工作温度 碳钢管束在改善制造质量后的主要问题是碳 钢高温硫腐蚀,当形成稳定的硫化铁?;つず?,碳 钢管束可以满足较长时间的使用要求。介质为蜡 油的E1108操作温度在350℃左右,考虑到高温 硫腐蚀在温度350—400%最为剧烈,2009年装置 流程优化时在E1108前添加一台换热器E1106, 优化后将E1108入El温度调整至270℃以下。也 在一定程度上缓解了碳钢管束的高温硫腐蚀。 5 结束语 通过对管束采取措施,E1107、E1108管束的 腐蚀失效现状得到了较好地解决,其在2008年投 用后运行良好,2009年5月装置停工大检修时拆 卸清洗检查,两台管束除少量均匀腐蚀外未见其 他明显异常腐蚀现象,2012年5月大检修时对管 束进行了涡流检测,内壁均匀腐蚀,无明显坑点腐 蚀,还可以继续使用。目前相当部分的设计单位 在对此类换热器管束选型时仅考虑了工艺部分的 设计要求,较多的考虑了温度、压力、换热面积及 介质等因素,对腐蚀环境、操作条件、材料、换热管 与管板连接形式等问题考虑较少。这些细节的疏 忽会造成在投用后虽能够满足工艺参数的需要, 但无法保证设备的稳定可靠运行。故在设计过程 中遇到此类问题时应根据工艺条件的不同,全面 考虑工艺和设备因素,从而确保设备的安全、稳定 和长周期运行。 参考文献 [1]林玉珍,杨德钧.腐蚀和腐蚀控制原理[M].北京: 中国石化出版社,2007. [2] 王维龙,孙先辉.热交换器管束应力腐蚀开裂分析 [J].石油化工设备,201l,40(2):96—98. [3] 宋晓芳,张可刚.碱性条件下碳钢的缝隙腐蚀行为 [J].腐蚀与防护,2008,(10):27—30. [4] 李汉.管壳式换热器振动问题探[J].化工设计, 2007,17(1):79—84. [5]GB 151—1999,管壳式换热器[S].北京:国家质量技 术监督局,1999. [6] 陆民延.浅谈管壳式换热器的振动及预防措施 [J].化工技术与开发,2010,(7):48—49. [7] 马万顺.换热器管柬使用中存在问题的探讨[J]. 石油化工设备技术,2004。(4):8—10. (收稿日期:2013-01-30,修回日期:2013-02-24) (Continued from Page 1 83) XU Xiao.danl.ZHAO Jian.pin92 (1.Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Instau抛,Nanjing 211178,China; 2.School ofMechanical and Power Engineering。Nanjing University ofTechnology,Nanjing 211816,China) Abstract The fracture mechanics was used to analyze the safety of hydrogen equipment’S desorbed gas mix— ture tank where a mechanical scratch 130mm in length and 2mm in depth can be found.The assessment resuIt shows that this defect can be accepted. Key words mixture tank,hydrogen equipment,fracture mechanics,mechanical scratch,safety analysis
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