■ 沈孝文

保險粉2#“四合一”釜爆炸失效分析

■ 沈孝文

本文就保險粉“四合一”釜物料性質(zhì)、工藝參數(shù)、結構、使用檢驗和爆炸失效原因等方面分別進行闡述，并提出相關建議和控制要求。

強氧化性、酸性物質(zhì)、分解燃燒、爆炸失效、焊接接頭熔合線、裂紋。

一、簡述

保險粉具有強還原性和強氧化性，對光敏感，250℃時能自燃。加熱或接觸明火能燃燒，暴露在空氣中會被氧化而變質(zhì)。遇水、酸類或與有機物、氧化劑接觸，都可放出大量熱而引起劇烈燃燒，并放出有毒和易燃的二氧化硫，易分解，性質(zhì)很不穩(wěn)定?！八暮弦弧备獌?nèi)保險粉濕料在前期合成工序結晶不好、甲醇洗滌不到位、真空干燥時接觸酸性物料、O2、適量水等介質(zhì)時易分解，發(fā)生放熱化學反應，當溫度達到臨界點時，短時壓力驟升，國內(nèi)曾出現(xiàn)多起四合一”釜爆炸失效事故。

2011年8月30日中午，某廠一臺“四合一”釜在生產(chǎn)過程中發(fā)生爆炸，造成較大財產(chǎn)損失和人員損傷。該釜為2#“四合一”釜，2001年12月由南京某公司制造，內(nèi)罐筒體/封頭材質(zhì)：1Cr18Ni9Ti/0Cr18Ni9Ti；夾套/盤管材質(zhì)：321/0Cr18Ni9Ti；內(nèi)罐/夾套（盤管）設計壓力：0.63/0.32（0.32）MPa，對應操作壓力：0.45/0.3(0.3) MPa；設計溫度95/95(95)℃，介質(zhì)為：保險粉，甲醇、SO2、甲酸納、亞硫酸鈉、氮氣/冷、熱水(冷、熱水)。2002年3月投用，2003年11月22日因操作原因發(fā)生爆燃，2004年元月檢驗未發(fā)現(xiàn)主殼體和盤管有影響安全使用的缺陷，并對孔板、盤管支架、盤管、主法蘭及端蓋、橢圓形封頭側孔板、支撐筋板、壓板等進行修復和更換，修復后對該釜復驗未發(fā)現(xiàn)問題。2006年12月、2008年7月、2011年5月定檢，未發(fā)現(xiàn)影響安全使用的缺陷。

二、8.30爆炸后復查情況

9月1日上午對爆炸后的2#釜進行入罐檢查，發(fā)現(xiàn)：

1.內(nèi)罐錐形封頭側4個盤管主支架斷裂下沉30～280mm，下沉280mm的支架正對爆破片出口；橢圓形封頭側內(nèi)筒與盤管支架焊接部位未分離，此部位4個固定盤管的立板與對應支架側板連接焊縫全部斷裂，離位12～16mm，支架側板變形；部分盤管卡箍連接螺栓離位、螺母脫落，少數(shù)卡箍爆炸前未安裝；爆炸反沖力撕開錐形封頭側4個主支架固定焊縫，使支架和主體盤管沖向橢圓形封頭側，震裂橢圓形封頭側支架側板與盤管立板的連接角焊縫，受支架側板限制而停止（支架側板受沖擊向下彎曲變形）。因錐形封頭側4個主支架受沖擊力和撕裂時間不同，下沉移位也不一樣，盤管下沖同時發(fā)生扭曲和變形，盤管進出水4個短節(jié)（大小頭處）均受不同沖擊，內(nèi)盤管因受沖擊力大，其與內(nèi)罐體焊接的大小頭部位受力更大。

2.內(nèi)盤管插入式焊接的出水管，在Φ89/ Φ57mm管口變徑部位小端的搭接焊縫熔合線附近，有一長90mm的環(huán)向裂紋，開裂部位與撕脫的最大下沉盤管支架對應，裂紋形成方向與爆炸反沖力對應，為撕開型新裂紋，復查時裂口大量噴水。結構見右圖。

3.出料口Dn500mm大法蘭的20個M24連接螺栓、Dn200mm短節(jié)法蘭的8個M20連接螺栓全部拉斷，按150℃計算，爆炸瞬間能量折合壓力應不低于10MPa。

4. 橢圓型封頭側內(nèi)筒體圓度25mm，錐型封頭側筒體圓度15mm，內(nèi)罐輕度鼓脹。

5. 孔板和部分內(nèi)伸式接管變形，西側主軸內(nèi)套管爆炸沖出。

三、Φ5 7 mm內(nèi)盤管出水口（大小頭）搭接焊縫熔合線部位裂紋成因分析

1.Φ89/Φ57mm變徑段冷熱水管為奧氏體不銹鋼，塑性和韌性好，此處屬加強部位，強度高，正常工作狀態(tài)下該部位應力水平低?，F(xiàn)有“四合一”釜經(jīng)多次定檢和日常試漏檢查，未發(fā)現(xiàn)此部位滲水。從半月前的例行檢查和上一釜物料干燥情況看均無問題。假設本次干燥時（離上一釜料干燥僅數(shù)小時）該部位角焊縫內(nèi)部有焊接氣孔、夾渣等缺陷，在長期運行過程中因物料磨蝕或此部位因震動等生成微小裂紋，可能會產(chǎn)生微量漏水，但不至于發(fā)生爆炸。因為裂口部位為典型的塑性斷口，該部位有裂紋其擴展也是緩慢的，不可能出現(xiàn)劇烈化學反應的漏水量，除非有強力沖擊使其斷裂或者管材內(nèi)壁產(chǎn)生嚴重的氯離子應力腐蝕裂紋并受到較大沖擊力的情況下才可能出現(xiàn)。

2.“四合一”釜內(nèi)壁、盤管外表面和內(nèi)罐附件多年未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。夾套和盤管冷熱水中的氯離子超過25ppm對奧氏體不銹鋼有應力腐蝕傾向，腐蝕部位只會在夾套腔和盤管內(nèi)壁，品保部近期對冷熱水中氯離子含量進行分析，指標合格。即使在長期運行過程中氯離子有短時超標現(xiàn)象，對左右中心軸凸緣附近的局部高應力區(qū)有較大影響，對出水管大小頭部位的低應力區(qū)影響小（如此部位產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，材料必然變脆，爆炸沖擊力足以使其整圈斷裂，裂紋根部也會有腐蝕產(chǎn)物），故此部位產(chǎn)生氯離子應力腐蝕裂紋的可能性可以排除。

3.出水管大小頭部位沖擊力來源

a)盤管支架部分脫落，物料翻轉撞擊使盤管失去平衡并扭轉，撞擊力和扭矩轉移至大小頭部位，此時沖擊力較大有可能使大小頭部位開裂漏水，但在操作時會有異常響聲，可判斷并及時處置。

b)盤管支架完好，固定盤管的卡箍螺母松動、脫落將會造成盤管在釜轉動和在物料撞擊下顫動移位，力道轉移至出水口大小頭部位，但此交變載荷較小，需很長時間才可能使其開裂。5～7號“四合一”釜定檢時，曾發(fā)現(xiàn)個別支架斷裂、卡箍螺母脫落，未引起管口開裂滲漏。

c)原出水口大小頭部位完好，爆破片爆炸后45度方向反沖力使對面盤管和支架受到巨大沖擊，造成錐形封頭側盤管支架與錐封連接角焊縫撕裂下沖，隨后帶動其他三個主支架依次撕開，使整體盤管下沖同時向爆破片反沖力方向的筒壁移動，盤管整體下沖同時伴隨順時針位移。3～4秒后人孔端蓋爆開沖出（現(xiàn)場兩次爆炸聲，第一次為爆破片爆破，能量來不及釋放，第二次為人孔端蓋爆開聲，其反沖力大部擊中孔板，邊緣擊中內(nèi)盤管和外盤管，外盤管因靠近筒壁影響較?。?，兩股反沖力作用在盤管及其支架上，震裂下部橢圓形封頭側支架側板與盤管立板的連接角焊縫，支架側板受沖擊向下彎曲變形。內(nèi)盤管出水口大小頭部位因受45度方向的強烈沖擊，在其焊縫薄弱部位（Φ57管口搭接角焊縫熔合線處）撕裂，裂口處是彎曲部位的拉伸面，受變形后未斷裂的下支架側板限制，該管口未整體斷開。外盤管進、出水大小頭部位因受力較小未出現(xiàn)裂紋，內(nèi)盤管進水口大小頭部位因受拉應力和此部位柔性相對較好未撕裂。內(nèi)盤管出水管口撕裂的主要原因是由爆破片爆炸后反沖力引起的。

d) c和b組合，爆炸使其迅速開裂擴展，裂紋主要是爆炸引起的。

綜上所述：c)情況應是本次內(nèi)盤管出水管口開裂漏水的主要原因。爆炸后相關部門對該釜DCS記錄（溫度——壓力——時間的適時曲線）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該釜溫度壓力超出正常控制參數(shù)不到1分鐘就發(fā)生爆炸，爆炸前即使有微量滲水不可能如此短時間內(nèi)就發(fā)生物料大范圍劇烈分解反應。因此，該設備事故的主因是工藝控制不當或操作原因引起的化學反應爆炸。

四、預防措施

1.加強工藝管理和工藝指標檢查，加強“四合一釜”操作人員技能和責任意識培訓，是預防事故發(fā)生的重要手段。

2.為杜絕四合一釜在干燥過程中系統(tǒng)物料、母液、真空等的互串，防止物料反應分解：1）建立物料進出的單釜循環(huán)系統(tǒng)，隔絕與其他同類釜共用物料管線和真空管線；2）加強各類控制閥門的管理，防止閥門內(nèi)漏和關閉不到位，確保開閉自如，關閉不漏，開閉程度和狀態(tài)明了可控。

3.建立可記錄的遠程視頻監(jiān)視系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖裝置，遠程控制室應能適時記錄壓力、溫度、時間和其他關鍵操作參數(shù)，現(xiàn)場設置緊急定向停車按鈕。

4.確保“四合一”釜安全運行的前提之一是內(nèi)罐、盤管不漏水，因此，需完善“四合一”釜運行管理制度，加強使用過程的日常檢查和維修保養(yǎng)。每月對內(nèi)外殼體及盤管的冷熱水交替試漏試驗不少于一次，嚴格控制冷熱水中氯離子含量≤25ppm，盤管支架/卡箍/螺栓及支撐等附件必須齊全完好，夾套外凸緣高應力區(qū)的角焊縫部位如發(fā)生泄漏，應及時規(guī)范修理。

5.加強壓力容器安全管理，嚴格執(zhí)行定期檢驗制度，加強安全附件管理并定期校驗。

6.建立和完善“四合一釜”應急救援預案，定期演練、講評并記錄。

1、TSG21-2016 《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》

2、GB/T30579-2014《承壓設備損傷模式識別》

3、四合一真空旋轉干燥器的開發(fā)研制《化工裝備技術》第31卷第1期2010年

（作者單位：中鹽安徽紅四方股份有限公司）