“天然气电加热器”壳体鼓包、破裂原因及处理论述
时间：2020-12-01 20:07:49 来源：达达文档网 本文已影响 人 
胡涛
在除去“天然气”中水分的“分子筛系统”中，用“电加热器”加热“天然气”的方式，我们已有几次成功的案例。但我公司北方某建设项目所采购的一台“天然气电加热器”今年年初在系统投料试车不久却发生了“电加热器”壳体靠近出气口处鼓包、破裂的情况，因发现及时幸未造成重大事故。如图：“天然气电加热器”结构简图及事故图片。
一、事故调查
1.事故现象
1.1“电加热器”壳体靠近出气口一边，筒体的上部产生一个大鼓包，鼓包顶端有一长4cm沿筒体纵向裂口，裂口四周钢材炭化痕迹明显。
1.2鼓包、裂口处离出气口接管距离仍较远，且无纵、环焊缝（筒体纵缝在侧面，与其成90°）。
1.3抽出“电加热芯子”发现有大量炭黑类粉末，芯子上部比下部多。经检查“不锈钢电加热棒组”无损伤。
1.4距出气口最近一块“折流板”上部有发白现象。
2.设计核查
根据“电加热器”厂家提供的技术资料及设计图摘录：
2.1“电加热器”设计参数
2.2“电加热器”壳体的设计技术特性参数
从使用工况来看，该“电加热器”壳体已属“固容规”管辖范畴的压力容器，需按“固容规”及“GB150-”等标准规范设计、制造及监检。经查该“电加热器”壳体的选材，壁厚（名义厚度：8mm）确定3.操作核查
3.1事故发生时系统操作压力为1.9MPa，“电加热器”出口K2点设定控制温度为300℃。
3.2经查事故时工艺管路系统疏通、无堵塞发生。
3.3事故后系统中“再生循环压缩机”仍运行，以及由“升温曲线”判定“电加热器”不存在干烧可能。
从上述调查情况来看，事故发生时温度设定、操作压力均未超出“电加热器”的设计参数要求。那么造成本次事故的原因是什么呢？下面我们进行分析：
二、事故原因分析
1.设计结构
“电加热器”壳体内部设有4块“折流板”，其作用是支撑电加热棒，另外也减小“天然气”流速，让“天然气”充分加热，但折流板间隙与壳体间隙很小（约3mm）且在缺口向下“折流板”的最高处均未开设适当的V型通气口，所以造成在缺口向下“折流板”的上部与筒体夹角处（也即是鼓包位置）气体流动较慢，甚至形成“死气”。这部分气体的温度始终高于其他区域的气体，从而使壳体局部出现超温问题。
从“电加热芯子”上发现有大量炭黑类粉末就说明温度已超高（“天然气”无氧热裂炭黑的最低温度在500℃左右），上部粉末比下部多说明上部温度高于下部温度。距“出气口”最近一块“折流板”上部有发白现象也说明有严重的局部超温现象。
2.加热控制
“电加热器”上设有两个测温点，（见“电加热器结构简图”）一是在进气口K1点，测量进入“电加热器”的“天然气”的温度。另一个是在出气口K2点，测量加热后“天然气”的输出温度。K2点也作为控制点，当输出“天然气”的温度低于“设定值”时，“电加热棒组”自动加大负荷升温；
当输出“天然气”的温度高于“设定值”时，“电加热棒组”自动减小负荷降温。这样的控制无法解决“电加热器”壳体上局部超温的问题。
3.检测推论
3.1按原设计从新制作一件“电加热器壳体”套上原“电加热棒组”，安装在系统中。鉴于安全，将K2出口控制温度设定为220℃，其它条件照原试车时不变投料运行。并在“电加热器”壳体上部选择三点，（见“电加热器结构简图”）其中“壳体测温点3”即为上次鼓包裂口处。用“远红外线测温枪”分时段测量三点的温度，
记录的数据是在进口K1点温度最低与最高时的典型数据，随时间延续其循环往复数据变动基本一样。
从记录可以看出：
3.1.1在K2出口控制温度设定为220℃时，当进口温度（K1点温度30℃左右）最低时，电加热器运行的负荷最大，壳体“测温点3”的温度最高（已经超过设计温度），而此时气流量却相对减小，所以此时应为最差工况。
3.1.2在同一进口K1点温度（即同一进气温度）时，出口K2点温度与壳体“测温点3”的温度近似成正比例。
将记录表中工况最差的（即时间13：00点与16：00点）两组相关数据取平均值：
由此我们可以推导出“出口K2点”控制温度设定为300℃时，壳体“测温点3”的近似温度为：
——（式1-1）
这个温度已经超过Q345R在GB150.2-2011中规定的475℃的使用上限。
3.3用GB150.3-2011公式3-1计算在“事故压力P=1.9MPa”，金属温度为400℃与475℃时本电加热器壳体所需Q345R钢板的壁厚：
3.3.1当温度t=400℃时
3.3.2当温度t=475℃时
由上述计算可以得知：在工作压力P=1.9 MPa，出口K2点控制温度设定为220℃时，壳体局部金属温度最高达到367℃左右，壳体厚度8mm也能满足强度的需要。但当出口K2点控制温度设定为300℃时，壳体金属局部温度最高达到480℃左右时，则8mm壳体厚度不能满足强度的需要。
3.4由设计压力、有效厚度反推满足强度的壳体金属的最高温度
有效厚度：
设计温度下的许用应力：
结合GB150.2-2011表2，用插值法可以算出许用应力的Q345R钢板所对应的温度为419.4℃。
由此可见“电加热器”在设计年限，设计压力内最高温度达到419℃，其壳体也不会出现“本次事故”这样的鼓包、破裂现象。当然由于没有考虑开孔削弱等情况，以及Q345R在此温度下已接近蠕变温度所以不能以此作为该“电加热器壳体”允许使用的最高温度，但可作为该“电加热器壳体”在类似“测温点3”这样的局部区域可以“短时”的达到的温度。
三、分析结论
综上所述：“电加热器”在选材可靠、强度计算正确、制造监检合格，且操作符合规范的情况下，其远离开孔、焊缝等局部高应力区的筒体上表面出现局部较大塑性变形（鼓包），直至破裂成鱼形裂口的主要原因是：“电加热器”装置温度控制设置与内件“折流板”结构设计不合理，从而造成金属材料局部温升过高，金属材料强度性能变化，在低于设计压力的情况下金属材料也发生了“延性断裂”所致。
四、整改方案
1.根据事故分析结论，改进“电加热器”装置温度控制设置是解决问题的主要方法。
1.1将“出口K2点”控制温度设为240℃：
参照前面（式1-1）推导设备壳体在“测温点3”（即最高局部温度）的温度为X1：
此温度远低于前面“第二、（三）、4款”推算得出的金属可以短时到达最高温度419℃，所以，“出口K2点”控制温度设为240℃可行。
1.2在“测温点3”与“测温点2”增设温度控制点（见“电加热器结构简图”1）、将“测温点3”增设温控点的控制温度设为390℃。
2）、将“测温点2”增设温控点的控制温度设为350℃。（当“出口K2点”控制温度设为240℃时，参照前面“式1-1推导此点的温度仅为338℃。所以此处按“电加热器”的设计温度设定。）
二个增设的温控点与“出口K2点”控制温度均与“电加热器”的负荷形成联动，每一个点超温，“电加热器”则自动降负荷。三个点降温30℃，则“电加热器”自动升负荷。
1.3在进气口设置流量控制点，并与温度控制连锁，保证“电加热器”装置在任何温度情况下气流量稳定。避免装置在高温时，气流量反而减小，温度不能迅速带走的情况。
2.在缺口向下“折流板”上开设适当的通气口：
在靠近“出气口”的最近的一块“折流板”上端开设一个深15mm的直角缺口，增加原局部温度最高处的气流循环，避免形成“死气”造成超温同时也不会影响“天然气”的加热效果。
上述整改后，经过二个多月的试运行目前“电加热器”装置在整个系统中运行正常，平稳。
参考文献
[1]GB158-2011《压力容器》及标准释义——中国国家标准化管理委员会 发布.
[2]《化工容器技术问答》初志会、吴岩石编——化学工业出版社.
[3]《承压容器》丁伯民、曹文辉编——化学工业出版社.
[4]化工设备设计全书《化工设备用钢》王非、林英编——化学工业出版社.
