典型快开门式压力容器爆炸失效规律研究

第 4 7卷第 5期 2 0 1 0年 1 0月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P M E N TP I P I N G Vo 1 4 7 No 5 0c t 2 01 O 典型快开 门式压力容器爆炸失效规律研 究 盛水平 ， 刘延 雷， 陈海云 ， 何承代 ( 杭州市特种设备检测院 ， 杭州3 1 0 0 0 3 ) 摘要： 快开门式压力容器爆炸事故在压力容器事故中占有较大的比重， 因此快开门式压力容器的安全运行与人 民的生命与财产安全息息相关。在对近年来快开门容器爆炸事故统计分析的基础上， 对典型快开门式压力容器， 包括齿啮式与平启式， 进行了爆炸失效原因分析。针对快开门式压力容器爆炸事故的起因， 提出了相关的对策与 急需研究的课题。相关研究结论可以为该类事故的预防提供参考。 关键词 ： 快 开门式压 力容 器； 安全联 锁装置 ； 爆炸失效原 因 中图分类号： T Q 0 5 3 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 1 5 - 0 4 S t u d y o f E x p l o s i v e F a i l u r e Oc c u r r e d i n T y p i c a l Qu i c k Ac t u a t i n g P r e s s u r e V e s s e l SHENG S hu i - pi ng，LI U Ya n l e i ， CHEN Ha i - yu n，HE Ch e n g- da i ( H a n g z h o u s p e c i a l e q u ip m e n t i n s p e c t i o n i nst i t u t e ， H a n g z h o u 3 1 0 0 0 3， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e f a i l u r e s d u e t o t h e e x p l o s i o n o c c u r r e d i n q u i c k a c t u a t i n g v e s s e l h a v e l a r g e p r o p o r t i o n i n t h e a c c i d e n t s o f p r e s s u r e v e s s e l s Th us ，t h e s a f e p e r f o r ma n c e o f q u i c k a c t ua t i ng v e s s e l i s c l o s e t o t h e s afe t y o f pe o pl e l i v e s a n d pr o p e r t i e s Ba s e d o n t h e s t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f t h e e x pl o s i o n o c c u rre d i n q ui c k a c t u a t i n g v e s s e l s r e c e nt y e a r s，t he c a u s e s a n a l y s i s o f e xp l o s i o n f a i l u r e o f q u i c k a c t u a t i n g y e s s e l s，i n c l u d i n g t o o t h l o c ke d a n d f a c ef a c e c o n t a c t s t y l e v e s s e l s ，we r e c a rri e d o u t W i t h r e s p e c t t o t h e c a us e s o f e x p l o s i o n，t he c o u n t e r me a s u r e s a n d t h e r e s e a r c h t a s k s wh i c h a r e u r g e n t w e r e p r o p o s e d，a n d s o me r e l e v a n t c o n c l u s i o n s f r o m t h e r e s e a r c h h a s b e e n p r e s e n t e d f o r r e f e r e n c e t o pr e v e nt i o n o f t h i s ki n d o f a c c i de nt s Ke y wo r ds： q u i c k a c t ua t i ng p r e s s u r e v e s s e l ； s a f e t y i nt e r l o c k d e v i c e； c a us e o f e x pl o s i o n f a i l ur e 快开门式压力容器作为关键性生产设备被广泛 应用于化工、 轻工 、 纺织 、 建材和医药卫生等行业。 据统计 ， 快开门式压力容器爆炸事故约 占国内压力 容器事故的三分之一。因此快开门式压力容器的安 全运行关系到人 民的生命与财产安全 ， 也受到 了政 府及各级 主管部 门的高度重视 J 。国家质检 总局 也颁发了相关的规 定 ， 压力容器安全技术监察规 程 ( 以下称 容规 ) 第 4 9条规定 ， 快开式压力容器 的快开门必须设置安全联锁装置 ， 并且安全联锁装 置应具备以下功能 ： ( 1 ) 快开门达 到预定关 闭部位 方能升压运行的联锁控制功能。( 2 ) 当压力容器内 部压力完全释放 ， 安全联锁脱开后 ， 方能打开快开门 的联锁联动功能。( 3 ) 具有与上述动作 同步的报警 功能 。目前 ， 快开门式压力容器事故得到了一定 遏制。然而 ，由于种种原因，快开门式压力容器 的 安全问题并没有得到根本好转 ，在某些行业和部 门 这类设备的爆炸事故仍然频繁发生。 根据以上情况 ， 国内外各监检部 门和研究 院所 对快开门式压力容器爆炸事故 的规律分析与对策研 究开展 了大量的工作。如 2 0 0 0年南 昌大学与南 昌 市劳动局针对两起 快开门压力 容器失效爆炸事故 ( 江西某市乡镇建材厂 的蒸压釜爆炸与江西省某省 级医院的消毒柜爆炸) 进行了分析 ， 认为 ：除了未按 通知 要求装设安全联锁装置这一主要因素外， 企 业的安全生产意识淡薄 、 系统设计不当、 使用管理不 善、 操作人员素质不高也是重要的因素。对此提出 了预防对策： 加大安全监察力度 、 研究开发新型快开 门式压力容器安全联锁装置 、 加强企业人员安全教 育、 提 高使用管理 水平 、 建立规 范 的操作 规程 。 2 0 0 5年广东省轻工业协会 陈佩芳针对染整设备 中 快开门安全联锁装置 的联锁结构 ， 提出了预防快开 收稿 日期 ： 2 0 1 0 4 ) 4 -0 6 作者简介： 盛水平( 1 9 6 4 一) ， 男， 浙江杭州人， 高级工程师， 高级检验 师。主要从事锅炉 、 压力容器及压力管道检验 、 科研 开发 及失效分析工作 。 1 6 化工设备与管道 第4 7卷第5期 门压力容器安全联锁装置失效的检验要求 。2 0 0 6 年山东威海市质监局张旭东等对某硫化罐制造厂铸 钢件的追踪调查 ， 从设计与制造等方面对缺陷的成 因做出了分析和结论。认为罐 口、 齿环裂纹是导致 硫化罐事故的主要原因， 对此提出了针对罐 口、 齿环 的检测方法 。有些专家也通过提 出新 型的安全 联锁装置 ， 来提高快开门式压力容器的安全性 。 从文献上看 ， 国外针对快开 门式压力容器事故 规律相关的研究较少。针对快开 门式压力容器的设 计 ， 早在 1 9 9 4年诺 丁汉 姆 大学 机 械 工程 学 院 的 S m i t h和 H y d e等人就提 出了有 限元法来分 析快开 门结构的应力水平 ， 且分析结果与试验相 比表现出 了很好的一致性 l o ? 。1 9 9 9年该课 题组 的 C a s e y与 H y d e等人认为对于一般的管式轴对称快开门结构 ， 最大应力出现在卡箍与门盖的啮合部位 。 目前国内虽然各省市质检部门已开展了相关的 研究 ， 但针对快开门压力容器事故规律 的系统性分 析 尚未见报导 ， 相关研究只针对 了个别的快开 门容 器事故 ， 并没有系统提 出有效预防快开门压力容器 爆炸事故的对策 。 1 统计分析 根据国家质检总局事故通报统计 ， 2 0 0 6年全 国 发生压力容器爆炸事故 3 6起 ， 其中快开门压力容器 事故 7起 ， 约占 2 0 ； 2 0 0 7年发生压力容器爆炸事 故 2 9起 ， 快开 门压力容器事故 7起 ， 约占 2 4 。可 以看出， 快开门式压力容器爆炸事故与 以前相 比虽 然得到了一定程度的控制 ， 但快开门式压力容器 的 安全问题并没有得到根本性的好转。 表 1 为 2 0 0 6 -2 0 0 9年快 开门式压力容器爆炸 事故的统计。从表 中可以看出， 硫化罐 、 蒸压釜的事 故 占快开门压力容器爆炸事故的多数 。而安全联锁 装置失效与操作失误是快开门式压力容器产生爆炸 事故的主要原因。 表 1 2 0 0 6 - - - 2 0 0 9年快开 门式压力容器爆炸事 故统计 目前在用的快开门式压力容器多采用齿啮式与 平启式( 卡箍式) 结构。而齿啮式由于其自身的结 构原因， 产生的爆炸事故又 占目前快开门式压力容 器爆炸事故的多数。同时爆炸产生的主要时机为存 在余压时开门与低啮合度时升压。以下拟针对齿啮 式与平启式结构进行失效原因分析。 2典型 结构分析 2 1 齿啮式结构 在顶盖法兰和端部法兰圆周方 向加工出均匀分 盛水平 ， 等 典型快开 门式压 力容器爆炸失效规律研究 1 7 布的啮合齿 ， 通过将顶 盖法兰旋转某一角度，可实 现顶盖法兰齿和端部法兰齿之间的啮合和错开，从 而达到齿啮式结构快速开关盖的 目的。某单位制造 的典型齿 啮式快开 门结构， 其 安全联锁装置主要 由 4部分构成 ， 其 中安全销属于手动保 护装 置。行程 安全销 、 超压安全 阀与报警灯属于 电动保 护装 置。 每部分主要功能如下 ： ( 1 )行程安全销 。当门盖旋转至关闭位置时， 位置探测器发生感应 ， 启动安全销 ， 安全销穿人法兰 与门盖上的安全孔， 起到限制门盖旋转的作用 ， 实现 有压状态的安全保护。 ( 2 )安全销。在门盖关闭后即插入安全销 ， 起 到防止 门盖 的弹 出 和连接 门盖与 动 力旋 转杆 的 作用。 ( 3 )超压安全阀。启动开盖操作时 ， 行程安全 销逐渐打开 ， 同时安 全阀开启 ， 将容 器 内余 压进行 泄放 。 ( 4 )报警灯 。快开门盖达到预定关闭部位升压 时报警； 当内部压力完全释放 ， 行程安全销脱开后报 警 ； 快开门没有达到啮合要求时不能实现进气 ， 且报 警 ； 容器内压力大于最高余压要求 时 ， 不能打 开门 盖， 且报警。 齿啮式快开门结构失效原 因主要为安全联锁装 置失效与误操作等。通过对该装置的分析认为主要 存在以下原因导致容器产生爆炸失效 ： ( 1 )安全联锁装置失效。安全联锁装置除安全 销以外 ， 均由电子元件控制。据生产厂家介绍 ， 由于 对快开门式压力容器成本 的控制 ， 电子元件多采用 低价产品， 电子元件工作 环境温度高导致 电子元件 易失效。一般规定安全阀与压力表需要定期检验 ， 但由于使用单位安全意识差 ， 一般不对其进行检验 。 且快开门容器用户在安全联锁装置相关电子元件失 效时 ， 一般不能实现快速维修。为保证生产效益 ， 在 容器能继续使用的前提下 ， 使用单位一般仍继续生 产 。在容器受安全联锁限制 ， 而不能运行时 ， 用户一 般拆掉安全联锁装置采用人工操作的方式继续使用 快开门容器。此时容器在使用过程中的安全隐患大 大提高 ， 如产生误操作等易发生爆炸事故。 ( 2 )误操作 。开启泄压装置 ， 在执行开盖动作 前 ， 行程安全销逐渐打开 ， 超压安全 阀也 同时开启 ， 容器内压力逐渐泄放。在该过程 中， 行程安全销退 出法兰与门盖上的安全孔后即可 以实现开门动作。 如此时的安全阀未能将容器内部泄放完毕 ， 强行开 门时会产生爆炸事故 。正常情况下采用行程传感器 来确定 门盖是否完全关闭 ， 若行程传感器失效时 ， 在 门盖未完全关闭时进行强行升压 ， 由于低啮合度 的 低承压能力 ， 也会引起爆炸事故。 ( 3 )未安装安全联锁装置。有些容器使用单位 为提高生产效率 ， 购入容器后 即自行将安全联锁装 置拆掉 。据最新统计 ， 浙江省 内某市共有 5 1 7台快 开门式压力容器 ， 未安装安全联锁装置的大约有 7 8 台， 占了很 大 的 比例。而 安装联 锁装置 且能满 足 容规 4 9条的只 占约 2 0 ， 约 8 0 的安全联锁装 置不能满足第三项要求 ， 即没有同步报警功能， 也即 在存在误操作时不能实现有效的警示。 目前相关设 备正 在整改 中。 2 2平启式结构 主要由各 自固定在罐体和罐盖上的两半罐体法 兰和罐盖法兰的移动实现快速关闭。两半法兰相接 处设置有锁定机构， 锁定机构 的下方导板上设置有 带安全销的锁紧传动机构 ， 且该锁紧传动机构与 固 定在框架上的动力机构相接。其同步报警主要靠减 压阀的排气声音来实现 ， 并未有专门的报警装置。 由于在开启起始段 ， 仍有部分法兰啮合 ， 容器 内 余压很快泄放完毕。因此余压开门时造成的爆炸事 故较少。而由于带余压开门时极速喷出的蒸汽等介 质有可能将周围操作人员烫伤。因此开 门压力也不 能过高， 过高会增加蒸汽的喷射距离。同时行程开 关等失效 ， 也易导致门盖与简体的法兰在低啮合度 升压时爆炸。 目前硫化罐的压力泄放主要靠时间来 控制 ， 一般泄放时间为 5 0 6 0 s ， 若泄放装置存在堵 塞等故障时 ， 系统在泄放时间过后即开启门盖 ， 此时 也存在一定的危险性 。 3 结论 目前关于快开 门式压力容器 的爆炸事故 ， 笔者 认为主要存在以下原因 ： ( 1 )没有统一的安全联锁装置设计制造标准 ， 安全联锁装置质量参差不齐 ， 重要电子元件质量得 不到保证； ( 2 )不同规格的快开门式压力容器的安全联锁 装置功能要求一致 ， 导致小尺寸容器也需装 配与大 尺寸容器相同的安全联锁装置 ， 而小尺寸容器 的价 格可能还没有其安全联锁装置的价格高； ( 3 )使用单位的管理人员与操作人员缺乏安全 意识 ， 擅 自拆掉安全联锁装置 ， 导致误操作( 包括带 压开门、 低啮合度加压等) 得不到警示 ； ( 4 )关于容器 开门时的放 空没有明确要求 ， 是 1 8 化工设备与管道 第 4 7卷第 5期 ( 上接 第 1 1页) 部门的协商， 确定 ： 锥段拼接焊缝试板、 上极顶 ( 1 A) 焊接试板 、 下极顶 ( 1 D) 焊接试板在 随产品 ( 部件 ) 热处理后 ， 取 1 2 ( 长度) 送检 ， 另 1 2试板模拟现场 最终热处理后送检 。在设计 没有明确要求 的情况 下 ， 试板取两种热处理状态下分别进行力学性能检 验的方案 ， 充分考虑了反应器压片制造与现场组焊 的特殊情况 ， 有利于保证焊接接头