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平推式門蓋硫化罐安全性分析

文檔作者：郭吉林程正米管誠偉楊晨王建敏文檔來源：臺州市特種設備監(jiān)督檢驗中心太原理工大學臺州市特種設備監(jiān)督檢驗中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月05日
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第37卷第2期化工機械
平推式門蓋硫化罐安全性分析+
郭吉林料程正米管誠偉
(臺州市特種設備監(jiān)督檢驗中心)
楊晨
(太原理工大學)
王建敏
(臺州市特種設備監(jiān)督檢驗中心)
摘要根據平推式門蓋硫化罐的特點，運用爆炸理論對其開罐瞬間產生的爆炸能量進行安全性分析，
結果表明硫化罐在罐內帶少量余壓的情況下門蓋平推拉開時的安全性滿足要求。
關鍵詞硫化罐平推式門蓋爆炸能量安全性
中圖分類號TQ053．2 文獻標識碼B 文章編號0254-6094(2010)02-0225-04
快開門式壓力容器是指裝置有活動端蓋且活
動端蓋可快速啟閉的壓力容器。被廣泛地應用在
橡膠、輕工、紡織、建材、食品和醫(yī)藥行業(yè)。例如橡
膠行業(yè)的硫化罐，輕工紡織行業(yè)的染色機，建材行
業(yè)的于餾罐、枕木防腐罐及硅酸鹽制品的蒸壓釜，
食品行業(yè)的殺菌罐，醫(yī)藥行業(yè)的消毒柜和醫(yī)用氧
艙等‘1l。
據目前統(tǒng)計，大多數(shù)快開門式壓力容器屬于
中、低容器，工作壓力一般在0．8～6．4MPa之間，
工作溫度在200℃左右。但隨著對快開門式壓力
容器應用認識的提高，在19世紀末至20世紀初
對高壓、超高壓快開門式壓力容器應用也提出了
新的要求，在使用過程中，普遍反映出其特點，要
求快速實現(xiàn)門蓋的開啟和關閉，從而提高利用的
效率，實現(xiàn)效益的最大化。
快開門式壓力容器在設計、制造、檢驗在國內
尚無安全聯(lián)鎖裝置國家標準或行業(yè)標準，無推薦
的定型產品，在工業(yè)中實際使用的原理及結構形
式多種多樣，這也造成了檢驗中的困難，目前檢驗
中主要按照《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》第49
條規(guī)定：對于快開門壓力容器，要保證其安全性，
必須保證快開門完全關閉后才能升壓，而開啟時
必須保證在壓力完全釋放后才能動作BJ。但在
實際操作過程中發(fā)現(xiàn)，平推式硫化罐在帶一定余
壓下對其操作也能保證其安全性。因此，研究其
安全性對于其設計和使用有著重要的意義。
1 平推式硫化罐結構及特點
平推式門蓋硫化罐(圖1)的材料為16MnR，
設計壓力為1．6MPa。使用過程可以看成兩個密
封過程：當門蓋關上時，由于密封圈離端面1．0—
2．Omm，門蓋與密封圈間無摩擦；門蓋關緊后，開
始往罐內加水蒸氣，蒸汽由周圍的蒸汽孑L進入密
封裝置，在壓力和溫度的作用下，橡膠密封圈開始
膨脹，端面和門蓋接觸，并產生密封效果，同時門
蓋與卡箍卡緊，達到自鎖效果。硫化罐泄壓后門
蓋以平移的方式打開，門蓋與卡箍的嚙合面逐漸
減小，硫化罐內外通過密封槽貫通的瞬間，在門蓋
垂直于運動方向的兩側，卡箍與門蓋的凸緣仍存
在4塊接觸面(圖2)，而這部分接觸面可確保即
使硫化罐內仍有余壓(包括排汽管內殘存的少量
高溫飽和水的爆沸)，門蓋也無法飛離罐體，隨著
門蓋的平移，這部分接觸面積不斷減少直至消失，
此時硫化罐內外已完全貫通。從現(xiàn)場也發(fā)現(xiàn)，在
貫通的瞬間，蒸汽突然釋放，產生一定程度的“爆
炸”。
2爆炸理論探討
根據爆炸理論可以知道，爆炸后強壓縮能急
劇絕熱膨脹對外做功，從而引起介質變形、移動和
破壞。一般來說，爆炸現(xiàn)象具有以下特征：
a．爆炸過程迅速進行；
弗國家質鼉監(jiān)督檢驗檢驗總局項目(20080K131)。
t。郭吉林，男，1982年7月生，碩士研究生。浙江省臺州市，318000。
萬方數(shù)據
226 化工機械2010年
圖I 平推式門蓋硫化罐的實物圖
圖2硫化罐開罐瞬間接觸圖
b．爆炸點附近壓力急劇升高，產生沖擊波；
c．發(fā)出或大或小的響聲；
d．周圍介質發(fā)生震動或鄰近物質遭受破
壞。
2．1 水蒸氣容器爆破能量
從平推式門蓋硫化罐開罐瞬間來看，罐內蒸
汽壓力突然釋放，可以聽到或大或小的聲音。而
爆破能量的大小，不僅與氣體壓力和容器的容積
有關，而且與介質在容器內的物性相態(tài)有關，以氣
態(tài)形式存在而發(fā)生爆炸時，其釋放的爆破能量為：
E=普【·一(半)_】×103(1)
式中E——氣體的爆破能量，kJ；
P——容器內氣體的絕對壓力，MPa；
y——容器的容積，m3；
后——氣體的絕熱指數(shù)，即氣體的定壓比
熱與定容比熱之比。罐內氣體可看
作干飽和蒸汽，后取經驗值1．135。
式(1)簡化為：
M．4pvH半)01啪?3㈤
2。2爆炸沖擊波及其傷害、破壞準則
從理論上可知，壓力容器爆炸時，爆炸能量以
沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種
形式表現(xiàn)出來，根據文獻[3]，后兩者所消耗的能
量只占總爆破能量的3％一15％，也就是說大部
分能量產生空氣沖擊波。
當硫化罐門蓋打開的瞬間，容器內的氣體大
量沖出，周圍的空氣受到沖擊而發(fā)生擾動，使其狀
態(tài)(壓力、密度及溫度等)發(fā)生突越變化，傳播速
度大于擾動介質的聲速，從而在空氣中傳播形成
了沖擊波。在離爆破中心一定距離的地方，空氣
壓力會隨時間發(fā)生迅速而懸殊的變化，剛沖出門
蓋時，壓力突然升高，產生一個很大的正壓力，接
著又迅速衰減，在很短的時間內由正壓降至負壓
降。如此反復循環(huán)數(shù)次，壓力漸次衰減下去，開始
時產生的最大正壓力即是沖擊波波面上的超壓
△p，根據經驗，沖擊波的傷害和破壞作用是由超
壓引起的。
沖擊波傷害、破壞判定準則主要采用超壓準
則，即只要沖擊波超壓到一定值，便會對目標造成
一定的傷害或破壞，超壓波對人體的傷害和對建
筑物的破壞作用分別見表l、2。
表1 沖擊波超壓對人體的損害作用
Ap／MPa 傷害作用
0．02～O．03
0．03一O．05
0．05-O．10
>0．10
輕微損傷
聽覺器官損傷或骨折
內臟嚴重損傷或死亡
大部分人員死亡
表2沖擊波對建筑物的破壞作用
Ap／MPa 傷害作用
0．04—0．05
O．06—0．07
0．07一O．10
0．10_O．20
O．20—O．30
墻大裂紋、屋瓦掉下
木建筑廠房房柱折斷，房架松動
磚墻倒塌
防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌
大型鋼架結構破壞
沖擊波波面上的超壓與產生沖擊波的能鼉有
關，同時也與距離爆炸中心的遠近有關。根據實
驗數(shù)據表明，不同數(shù)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時，如
果尺和民之比與q與q。之比的3次方根相等，
則產生的沖擊波超壓相同，即：
△p(尺)=△jP。(％)=△p。(R／a) (3)
萬方數(shù)據
第37卷第2期化工機械227
R 3百
一Ro?！碳毋?
式中卸——目標處的超壓，MPa； △=p廣基準目標處的超壓，MPa；
qo——基準炸藥量，TNT，kg；
q——爆炸時產生沖擊波所消耗的炸藥
量，TNT，kg；
尺——目標爆炸中心的距離，in；
‰——目標與基準爆炸中心的相當距離，
in；
a——炸藥爆炸試驗的模擬比。
表3為l 000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時產
生的沖擊波超壓。
表3 1 000kgTNT爆炸時的沖擊波超壓
3平推式門蓋硫化罐安全性分析
目前國內對于快開門壓力容器的設計、制
造、檢驗按照《容規(guī)》第49條要求。平推式門
蓋硫化罐門蓋與卡箍閉合，升壓就要自鎖效
果，從而無需等到快開門達到預定關閉部位就
能實現(xiàn)升壓運行的聯(lián)鎖控制功能，另一方面，
從企業(yè)使用經驗來看，對于平推式門蓋硫化
罐，在帶有一定的余壓下開罐對其安全性影響
不大。表4為不同規(guī)格的硫化罐在0．5MPa下
平推拉開門蓋瞬間罐內的余壓。
表4瞬間罐內余壓
規(guī)恪∥IIlll 40)仰800 1 000 1 200 1 600 2000
罐體長度／mm 630 630 630 630 630 700 700
余矽MPa 0．045 0．025 0．025 0．021 0．017 0．014 0．010
根據傷害、破壞準則，罐內壓力釋放產生的爆
破能量E先折算成，I'NT當量q，其關系為：
q=∥q腫=E／4500 (4)
由式(2)、(4)可以求得罐內不同壓力爆炸后
TNT當量q(表5)。
表5 不同壓力爆炸后耵盯當量
根據炸藥爆炸試驗的模擬比公式，可以求出
在基準1 000kgTNT模擬比a，即：
a：FR：0．1q÷ (5) 曠瓦．u’’ L)’
根據企業(yè)實際情況，根據式(5)和表5，根據
離罐體門蓋R=lm處的超壓情況來判斷不同規(guī)
格下瞬間開罐安全的可靠性(表6)。
表6離罐體門蓋R=1m處沖擊波超壓
根據超壓準則及表6，可以得出不同規(guī)格平
推式硫化罐在0．5MPa拉動下開罐瞬間，在lnl處
產生的超壓卸<0．02 MPa，可以看出，其對人體
的傷害作用很小，對在lm處的建筑物只是產生
窗框的損壞，從而可以得出，開罐的瞬間只要卡箍
(下轉第242頁)
萬方數(shù)據
242 化工機械2010年
器的溫度較低，氨冷器列管內結冰造成阻力大。
通過提高氨冷器的出口溫度，已經解決壓差問題。
分子篩系統(tǒng)的水含量一直控制在5×10。以內。
3壓縮機內件的改造
針對以上原因分析，2009年5月，對本機高
壓缸轉子氣封及軸承結構進行改造，具體情況如
下：
a．將機間氣封結構由平滑梳齒密封改為階
梯密封，密封件增加破渦片，密封齒由旋轉部件改
為靜止安裝到機間隔板上，在原葉輪密封齒位置
加工配合臺階面；平衡盤氣封由旋轉部件改為靜
止部件，結構仍為普通梳齒密封，但將原氣封加工
的防激振氣孔全部堵死。
b．增加破渦片，可以減少進入氣封的氣流
擾動，相對于平滑式的迷宮密封，階梯型迷宮密封
可以更好地增加氣體的流動阻力，同時由于氣體
從高壓側向低壓側流動過程中，流道面積逐步增
大，降低了密封齒問的氣體壓力和氣量，減小氣體
對轉子的作用力，密封齒改為靜止件，還能降低兩
齒間氣流的擾動。
c．將原5塊可傾瓦軸承結構改為4塊瓦，采
取上下對稱安裝，適當加大油孔尺寸，增加油膜厚
度，以增加阻尼力，減輕轉子的自激敏感性。
d．轉子回裝前重新進行高速動平衡，嚴格
控制轉子在下隔板的中心位置偏移量、軸承間隙、
軸竄量、氣封間隙；回裝后，對高壓缸整體進行機
械運轉試驗，可基本確認回裝后不會存在機械方
面的故障。
4結束語
合成氣壓縮機經過此次改造后，于2009年6
月8日一次試車成功，經過連續(xù)的負荷調整試驗，
振動值一直在要求指標以內，機組運行穩(wěn)定。
(收稿日期：2009·10一12)
(上接第227頁)
的強度能滿足設計要求，其安全性也能得到滿足。
4結論
4．1 從爆炸理論出發(fā)，得出平推式硫化罐在開
罐瞬間罐內余壓產生的爆破能量的破壞作用很
小，這說明對于平推式硫化罐只要卡箍在設計中
滿足強度要求，其安全性也能滿足要求。
4．2 根據現(xiàn)場試驗，平推式硫化罐在帶有少量
余壓的情況下開罐，可以保證其安全性，從而縮短
了開罐的時間，提高生產效率，這也為今后改造平
推式硫化罐時采用繼電器控制拉罐時間來控制泄
壓時間提供了一定的依據。
參考文獻
1趙智鵬．快開門式壓力容器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢．鍋爐
壓力容器安全技術，2004，26(3)：8—9
2勞動人事部．蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程．北京：中國
勞動出版社，1999
3國家安全生產監(jiān)督管理局．安全評價．北京：煤炭工業(yè)
出版社，2004
(收稿日期：2009-lO．10，修回日期：20LO-03．19)
(上接第232頁)
的拉應力有關外，與鉆桿的焊縫質量及環(huán)境腐蝕
都有直接關系。鉆桿正常切焦過程中，強大的水
壓和桿重以及焦炭阻力在整個鉆桿截面上構成了
較大的綜合應力，而由于鉆桿的接口焊縫中存在
缺陷，就會在缺陷處產生應力集中而形成多個裂
紋源，裂紋源在拉應力下不斷在整個管壁中橫向
擴展，造成承受應力的有效管截面面積不斷縮小。
而焊縫區(qū)材料強度又較低，因此，當有效管截面面
積上的應力達到其屈服極限時，焊縫區(qū)就發(fā)生了
縮徑變形，造成鉆桿焊縫區(qū)有效面積進一步縮小。
當該處有效面積上的應力值達到材料的強度極限
時，鉆桿就在焊縫區(qū)突然失穩(wěn)，發(fā)生瞬間斷裂。
4結束語
綜合以上檢驗分析，除焦鉆桿的斷裂屬于拉
應力作用下的韌性斷裂。焊接質量是影響其運行
安全與壽命的重要因素，嚴格控制焊接內部質量
缺陷，排除不安全因素，是保證該設備安全穩(wěn)定運
行的必要保障。
(收稿日期：2009-05-21)
萬方數(shù)據

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