陳明，陳勛，鄭連學(xué)

（武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所，湖北武漢 430024）

小型氨制冷系統(tǒng)中集油包爆炸事故分析

陳明*，陳勛，鄭連學(xué)

（武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所，湖北武漢 430024）

本文通過材質(zhì)、裂紋特征和氨介質(zhì)特性分析，結(jié)合設(shè)備的使用及操作情況，分析了小型氨制冷系統(tǒng)中集油包爆炸的原因。分析結(jié)果表明，較大環(huán)境溫差使封閉的集油包內(nèi)部產(chǎn)生了較高的內(nèi)應(yīng)力，使集油包筒體產(chǎn)生塑性變形，造成集油包開裂。

小型氨制冷系統(tǒng)；集油包；環(huán)境溫差

0 引言

近年來，小型氨制冷系統(tǒng)事故頻發(fā)，TSGR 7001-2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》[1]針對小型氨制冷裝置中壓力容器定期檢驗提出了專項要求。文獻(xiàn)[2-6]指出，小型氨制冷系統(tǒng)較為復(fù)雜，系統(tǒng)中壓力容器種類較多，設(shè)備本身質(zhì)量問題、操作程序及使用管理不當(dāng)?shù)染鶗寡b置中設(shè)備出現(xiàn)事故，引起氨介質(zhì)泄漏。本文通過材質(zhì)分析、裂紋特征分析和氨介質(zhì)特性分析，結(jié)合設(shè)備的使用及操作情況，分析了小型氨制冷系統(tǒng)中集油包爆炸的原因，并提出了改進(jìn)措施。

某食品廠小型氨制冷系統(tǒng)低壓循環(huán)桶下部的集油包發(fā)生爆炸，致使大量的液氨泄漏。集油包位于低壓循環(huán)桶下部，通過鋼管與低壓循環(huán)桶連接，用于收集低壓循環(huán)桶液氨中混合的機(jī)油。根據(jù)文獻(xiàn)[7]研究表明，集油包容積小于25 L，不須進(jìn)行安裝和定期檢驗。但使用單位無法提供相關(guān)設(shè)計和制造資料。圖1為集油包爆炸破口處。

圖1 集油包爆炸破口處

集油包發(fā)生爆炸時，與集油包連接的低壓循環(huán)桶上安全閥未起跳，該安全閥在有效期內(nèi)，將其帶回進(jìn)行校驗，發(fā)現(xiàn)該安全閥可正常起跳，這說明集油桶爆炸時其上部的低壓循環(huán)桶內(nèi)壓力未超過安全閥整定壓力。

1 檢測分析

1.1 宏觀分析

由圖1可知，集油包爆炸破口位于筒體上，沿軸向開裂，破口處裂紋長約400 mm，最大開口寬約70 mm，破口開裂尾部出現(xiàn)分叉。對該集油包進(jìn)行外觀尺寸和厚度測量，集油包全長約為600 mm，筒體選用外徑約為220 mm的無縫鋼管，集油包容積約為0.019 m3。集油包筒體和封頭厚度均為5.5 mm～5.8 mm。在集油包內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)大量點狀腐蝕坑，如圖2所示。

圖2 集油包內(nèi)壁腐蝕坑圖

圖3為集油包破口處斷口形貌。斷口附近塑性變形量較小，斷口大部分區(qū)域較為粗糙，局部呈現(xiàn)明顯的45°剪切特征，粗糙區(qū)與剪切區(qū)分界處即為裂紋起源處，在主裂紋附近伴隨著許多與主裂紋方向平行的微裂紋，這些微裂紋已經(jīng)由內(nèi)壁貫穿至外壁。以上分析表明裂紋是在較高應(yīng)力下產(chǎn)生的。

圖3 破口處邊緣形貌

1.2 材質(zhì)分析

用合金分析儀對集油包筒體材料進(jìn)行理化分析，結(jié)果顯示，F(xiàn)e含量為99.14%，Mn含量為0.55%。圖4為集油包筒體顯微組織，組織為鐵素體加珠光體，晶粒度級別為8.0級，顯微組織未見明顯劣化現(xiàn)象。破口附近筒體材料布氏硬度分別為115、118和118。根據(jù)以上信息可判斷集油包筒體材料應(yīng)為20#鋼。

圖4 集油包筒體顯微組織

1.3 微觀裂紋分析

對破口邊緣微裂紋進(jìn)行微觀形貌分析發(fā)現(xiàn)，微裂紋方向大多與主裂紋方向平行，如圖5所示；裂紋末端呈平直狀，在微裂紋末端發(fā)現(xiàn)大量孔洞，如圖6所示。

圖5 微裂紋形貌

圖6 微裂紋及孔洞

2 分析與討論

通過對設(shè)備操作人員及相關(guān)管理人員進(jìn)行詢問得知，該集油包在日常使用過程中，（7～10）天進(jìn)行一次排油，但在事故發(fā)生前一個多月，集油包底部排油閥損壞，已經(jīng)超過一個月未進(jìn)行排油，操作人員發(fā)現(xiàn)閥門損壞后即將問題反應(yīng)至相關(guān)管理人員，但使用單位一直未進(jìn)行整改。

在冷庫系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下，集油包與低壓循環(huán)桶之間的閥門應(yīng)保持常開，集油包底部閥門關(guān)閉，只有在集油包排油時才關(guān)閉集油包與低壓循環(huán)桶之間的閥門，打開集油包底部閥門。當(dāng)集油包底部閥門損壞后，為防止低壓循環(huán)桶中液氨泄漏將集油包與低壓循環(huán)桶之間的閥門關(guān)閉。此時集油包中將裝滿液氨和機(jī)油，集油包下部儲存機(jī)油，上部可以看成是一個裝滿液氨的容器。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]所示，裝滿液氨的容器，當(dāng)溫度升高時，容器內(nèi)壓增加的計算公式如下：

式中：

α1——升溫前體積膨脹系數(shù)；

α2——升溫后體積膨脹系數(shù)；

β1——升溫前體積壓縮系數(shù)；

β2——升溫后體積壓縮系數(shù)；

Δt——溫差。

當(dāng)裝滿液氨的容器，溫度由20 ℃升高到25 ℃時，容器內(nèi)壓將增加8.483 MPa。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]所示，筒體最高允許工作壓力為：

式中：

[σ]t——設(shè)計溫度下筒體材料的許用應(yīng)力；

δe——筒體材料的有效厚度；

φ——焊接接頭系數(shù)；

Di——筒體內(nèi)直徑。

將20#鋼及集油包相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式可得，筒體最高允許工作壓力為7.79 MPa。

由此可以看出，溫度的升高將明顯增加滿裝液氨容器內(nèi)部的壓力，溫度由20 ℃升高到25 ℃，容器內(nèi)壓增加值都將超過該集油包筒體最高允許工作壓力。

在封閉的集油包內(nèi)部，液體（氨加油）因升溫而膨脹，隨著季節(jié)變化，環(huán)境溫差逐步增加，集油包內(nèi)部液體（氨加油）因膨脹產(chǎn)生的壓力逐步增加，當(dāng)超過集油包筒體材料的屈服強(qiáng)度后，使集油包的筒體產(chǎn)生塑性變形[10]；隨著溫差進(jìn)一步增加，筒體塑性變形量逐步加大，會在軸向產(chǎn)生微小裂紋，在經(jīng)歷多次升降溫后，使細(xì)小裂紋逐步擴(kuò)展，最后導(dǎo)致集油包開裂。

由以上分析可知，較大的環(huán)境溫差使封閉的集油包內(nèi)部產(chǎn)生了較高的內(nèi)應(yīng)力，使集油包筒體產(chǎn)生塑性變形而萌生裂紋，造成集油包開裂。

3 改進(jìn)措施

1) 定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，閥門等損壞及時維修或更換，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，集油包與低壓循環(huán)桶之間的閥門應(yīng)保持常開。

2) 改進(jìn)冷庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將集油桶中的液氨機(jī)油混合液直接引入氨液分離器，不需在底部安裝閥門進(jìn)行排油。

4 結(jié)論

由于集油包底部閥門損壞，操作人員將集油包與低壓循環(huán)桶之間的閥門關(guān)閉，使集油包成為了滿液的密閉容器，較大的環(huán)境溫差使封閉的集油包內(nèi)部產(chǎn)生了較高的內(nèi)應(yīng)力，使集油包筒體產(chǎn)生塑性變形而萌生裂紋，造成集油包開裂。

[1] TSG R7001-2013 壓力容器定期檢驗規(guī)則[S].

[2] 司春強(qiáng), 唐俊杰, 馬進(jìn)丁. 我國氨系統(tǒng)冷庫安全現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(3): 8-13.

[3] 趙育川. 氨制冷劑冷庫當(dāng)前發(fā)展趨勢[J]. 制冷技術(shù), 2015, 35(4): 13-17.

[4] PACHAI A C, 齊曉霞, 奚曄. 氨制冷系統(tǒng)的安全設(shè)計和維護(hù)分析[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(3): 11-15.

[5] 黃志華. 氨/二氧化碳復(fù)疊制冷技術(shù)在工業(yè)制冷中的應(yīng)用[J]. 制冷技術(shù), 2012, 32(3): 51-53.

[6] 馬一太. 冷庫火災(zāi)事故分析[J]. 制冷技術(shù), 2013, 33(2): 33-36.

[7] TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[8] 梅安華. 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1995.

[9] GB150.1～150.4-2011 壓力容器[S].

[10] GB/T 228-2010 金屬材料拉伸試驗[S].

Explosion Accident Analysis of Oil Collecting Packet in Small Ammonia Refrigeration System

CHEN Ming*, CHEN Xun, ZHENG Lian-xue
(Wuhan Boiler Pressure Vessel Inspection Institute, Wuhan, Hubei 430024, China)

Explosion reasons of the oil collecting packet in small ammonia refrigeration system are explained according to material, crack characteristics and ammonia medium characteristic analysis. It was found that, the larger environment temperature difference caused the higher internal stress inside the closed oil collecting packet, causing the shell plastic deformation and the oil collecting packet cracking.

Small ammonia refrigeration system; Oil collecting packet; Environment temperature difference

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.208

*陳明（1964-），男，高級工程師。研究方向：承壓類特種設(shè)備檢驗。聯(lián)系地址：武漢市東西湖區(qū)金銀潭現(xiàn)代企業(yè)城A3棟，郵編：430024。聯(lián)系電話：18171173395。E-mail：363523253@qq.com。