劉仍禮 陸 俊 陳 燕 劉 暢

（南通星球石墨股份有限公司，江蘇 南通 226541）

0 引言

不透性石墨材料具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐溫性能和導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)是不銹鋼的4倍，碳鋼的2倍多，耐溫最高可達(dá)400℃，在醫(yī)藥、石油化工、三廢處理以及氯堿工業(yè)等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。絕大部分不透性石墨設(shè)備的工作壓力都大于0.1MPa，屬于壓力容器。部分不透性石墨設(shè)備還屬于TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《容規(guī)》）監(jiān)管范圍內(nèi)的壓力容器，不透性石墨設(shè)備使用中可能發(fā)生封頭損壞等情況，影響設(shè)備密閉性，從而威脅設(shè)備使用安全等。為保證使用者人身安全，促進(jìn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益，必須全面分析、有效預(yù)防和控制此類風(fēng)險(xiǎn)。

1 概述

石化、化工、制藥、等行業(yè)的都需要大型設(shè)備的石墨換熱器，石墨換熱器中的石墨封頭基于生產(chǎn)工藝要求需要設(shè)置大型進(jìn)出料口，部分不透性石墨設(shè)備采用氣體作為介質(zhì)，對(duì)開口規(guī)格要求較高。不透性石墨設(shè)備開口較大時(shí)，在設(shè)備運(yùn)行中較易出現(xiàn)封頭破損，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部物料發(fā)生泄漏，影響設(shè)備常規(guī)運(yùn)行，進(jìn)而影響生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行。

不透性石墨設(shè)備封頭較易在設(shè)備運(yùn)行中發(fā)生損毀，而在運(yùn)行后則不易發(fā)生此種情況。不透性石墨設(shè)備封頭損壞不僅增加生產(chǎn)成本，不利于節(jié)能降耗，而且影響設(shè)備運(yùn)行安全，較易誘發(fā)生產(chǎn)事故。針對(duì)不透性石墨材料制造的封頭全方位分析引起其損壞的原因，從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、安裝環(huán)節(jié)和使用環(huán)節(jié)進(jìn)行損毀因素分析，針對(duì)性采取措施，優(yōu)化不透性石墨設(shè)備封頭設(shè)計(jì)科學(xué)性，減少安裝過(guò)程造成的不良影響，促進(jìn)設(shè)備科學(xué)使用，對(duì)于不透性石墨設(shè)備封頭長(zhǎng)期安全使用具有積極意義。

2 實(shí)效分析

2.1 設(shè)計(jì)分析

不透性石墨設(shè)備封頭所采用的原材料為不透性石墨，脆性較強(qiáng)，而強(qiáng)度較弱，對(duì)應(yīng)力承受能力較差。在目前石墨制圓形封頭的計(jì)算是將圓形端蓋近似的看作圓錐殼體，按錐形薄壁應(yīng)力公示求最大周向拉應(yīng)力來(lái)校核其強(qiáng)度。但是部分廠家在生產(chǎn)時(shí)設(shè)計(jì)都在選用“許用抗拉強(qiáng)度”時(shí)不科學(xué)，或者采用劣質(zhì)原材料，選的“許用抗拉強(qiáng)度”并非是標(biāo)準(zhǔn)要求的“設(shè)計(jì)溫度下材料的許用抗拉強(qiáng)度”這樣計(jì)算的石墨封頭厚度存在影響質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 安裝技術(shù)分析

安裝過(guò)程中，因?yàn)椴煌感允O(shè)備封頭和管道之間各自具有軸心，二者軸線一旦存在差異將增加安裝難度。強(qiáng)力安裝時(shí)較易導(dǎo)致不透性石墨設(shè)備封頭受到破壞，影響其正常使用，或者導(dǎo)致不透性石墨設(shè)備封頭報(bào)廢。

2.3 使用操作分析

設(shè)備使用過(guò)程中，從啟動(dòng)階段至平穩(wěn)運(yùn)行階段這一周期中，從低溫升到高溫，因?yàn)闇夭畲嬖诙a(chǎn)生一定應(yīng)力，尤其是迅速升溫時(shí)導(dǎo)致溫度應(yīng)力較大，對(duì)不透性石墨設(shè)備封頭中石墨材料造成影響，縮短使用壽命。

3 科學(xué)策略

3.1 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)優(yōu)化

3.1.1 石墨封頭強(qiáng)度分析

如圖1所示，該石墨換熱器的結(jié)構(gòu)屬于石墨換熱器典型結(jié)構(gòu)，上封頭上部加設(shè)鋼制蓋板，作為石墨換熱器浮動(dòng)端的緊固基點(diǎn)，并使用螺栓與鋼制殼程筒體連接緊固，使用熱補(bǔ)償彈簧來(lái)對(duì)金屬與石墨件熱脹系數(shù)不同所導(dǎo)致的溫度應(yīng)力的補(bǔ)償。在整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也不存在問(wèn)題[1]。

圖1 石墨換熱器上封頭結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證石墨封頭安全可靠運(yùn)行，部分情況下雖然可以采用封頭加厚的處理方法，但是當(dāng)封頭的錐角確定后，錐口部位壁厚最小值也隨之固定。為了改善封頭使用性能，可通過(guò)選擇優(yōu)質(zhì)石墨原材料的方法進(jìn)行材料許用應(yīng)力提升。此外，可在石墨封頭處使用鋼制抱箍或者纏繞碳纖維的方式來(lái)有效分擔(dān)封頭應(yīng)力。通過(guò)此種改進(jìn)可促進(jìn)石墨材料得到高質(zhì)量利用，降低不透性石墨設(shè)備封頭耗損速度，促進(jìn)設(shè)備安全，同時(shí)有利于節(jié)約成本。當(dāng)前不透性石墨設(shè)備封頭使用相關(guān)產(chǎn)業(yè)中，眾多項(xiàng)目采用此種改進(jìn)方法，應(yīng)用效果比較理想。

3.1.2 金屬部件強(qiáng)度優(yōu)化

石墨換熱器中含有金屬部件。為促進(jìn)不透性石墨設(shè)備封頭優(yōu)化設(shè)計(jì)，還應(yīng)計(jì)算金屬件強(qiáng)度。不透性石墨設(shè)備封頭中有蓋板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為受壓元件。該部件在受力作用下發(fā)生形變后，引起局部應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致不透性石墨設(shè)備封頭不均勻承受應(yīng)力，加重?fù)p毀風(fēng)險(xiǎn)。在部件設(shè)計(jì)中，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)校核，保證封頭、上蓋板平整相接，同時(shí)應(yīng)保證蓋板厚度在承受應(yīng)力后形狀穩(wěn)定。解決該問(wèn)題的目的是預(yù)防應(yīng)力過(guò)度集中，導(dǎo)致石墨件部分超負(fù)荷，不透性石墨屬于脆性材料，受到此種應(yīng)力影響較易破裂。

3.2 安裝技術(shù)優(yōu)化

通過(guò)科學(xué)分析可知，介質(zhì)壓力只是導(dǎo)致不透性石墨設(shè)備封頭損毀的諸多原因之一，通過(guò)不透性石墨設(shè)備封頭實(shí)際使用監(jiān)控可知，導(dǎo)致封頭破裂的因素還有安裝因素，安裝時(shí)不合理螺栓預(yù)緊力以及安裝應(yīng)力超標(biāo)也是導(dǎo)致部件損壞的直接原因。在安裝不透性石墨設(shè)備封頭時(shí)，采用科學(xué)的安裝技術(shù)可促進(jìn)安裝應(yīng)力降低，從而降低封頭損壞風(fēng)險(xiǎn)。在封頭與管道安裝時(shí)較易發(fā)生強(qiáng)力安裝情況，導(dǎo)致不透性石墨設(shè)備封頭破損。此類情況較易發(fā)生在管道和設(shè)備兩者軸線處于不同軸管道時(shí)。在安裝過(guò)程中，較易發(fā)生安裝誤差，而且管道自身具有較大重力，不科學(xué)的安裝就會(huì)造成石墨封頭的損傷。所以在工藝管道的設(shè)計(jì)時(shí)通常在石墨借口和管道處設(shè)置補(bǔ)償器，或稱管道膨脹節(jié)，此種部件具有一定軸向可伸縮性，也能在一定的角度內(nèi)克服管道對(duì)接不同軸向而產(chǎn)生的偏移，能極大的方便管道的安裝與拆卸，在管道允許伸縮量中可以自由伸縮,采用此種部件可以緩解不同方向熱變形。在設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)對(duì)設(shè)備造成耗損，通過(guò)安裝補(bǔ)償器部件可緩解振動(dòng)、減輕此類耗損，此外，當(dāng)發(fā)生地震等情況時(shí)，補(bǔ)償器的存在也可在一定程度上保護(hù)管道，降低設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。

不透性石墨設(shè)備封頭中間部位有石墨接管，部件外部還有金屬蓋板。為保證管道良好密封同時(shí)有效進(jìn)出料，還會(huì)使用法蘭和墊片等部件。受到此種結(jié)構(gòu)影響，不透性石墨設(shè)備封頭結(jié)構(gòu)中，圓平板部分中存在的內(nèi)壓力被有效分散，螺栓、墊片等傳遞內(nèi)壓力向金屬蓋板轉(zhuǎn)移。

3.3 操作技術(shù)改進(jìn)

在操作時(shí)也應(yīng)積極維護(hù)設(shè)備，減少非必要耗損。在設(shè)備運(yùn)行中，充分考慮開車初始階段，石墨零部件的受熱膨脹伸長(zhǎng)量大于金屬伸長(zhǎng)量的情況，可以采取緩慢升溫的方法，來(lái)減緩石墨零部件的膨脹伸長(zhǎng)速率，緩解或避免石墨零部件膨脹伸長(zhǎng)量大于金屬伸長(zhǎng)量情況的發(fā)生，以減小螺栓中出現(xiàn)的最大載荷，也可以先接入冷卻水，然后為熱物料，促進(jìn)設(shè)備中升溫過(guò)程緩慢進(jìn)行，從而有效降低溫差應(yīng)力。在不透性石墨設(shè)備封頭部件使用中應(yīng)進(jìn)行全周期管理，通過(guò)此種管理可有效減少耗損，促進(jìn)不透性石墨設(shè)備封頭科學(xué)安裝和使用，優(yōu)化不透性石墨設(shè)備封頭設(shè)計(jì)，顯著延長(zhǎng)不透性石墨設(shè)備封頭使用壽命，提高不透性石墨設(shè)備封頭應(yīng)用質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

在不透性石墨設(shè)備封頭應(yīng)用全周期中，導(dǎo)致該部件受到破壞的因素眾多，主要分為：（1）設(shè)計(jì)不科學(xué)因素，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)石墨封頭以及不透性石墨封頭外部碳鋼蓋板、法蘭螺栓等外界設(shè)備載荷進(jìn)行校核來(lái)保證不透性石墨設(shè)備封頭可以可靠的使用；（2）安裝技術(shù)因素，應(yīng)在安裝過(guò)程中加強(qiáng)技術(shù)控制。使用補(bǔ)償器處理管道結(jié)構(gòu)，可對(duì)不透性石墨設(shè)備封頭形成有效保護(hù)，在一定程度上抵消石墨部件脆性大、強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，降低封頭破壞風(fēng)險(xiǎn)；（3）使用因素,在設(shè)備使用時(shí)應(yīng)控制升溫過(guò)程，降低溫差應(yīng)力，促進(jìn)不透性石墨設(shè)備封頭延長(zhǎng)服役周期。