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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(chéng)偉楊晨王建敏文檔來源：臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心太原理工大學(xué) 臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月05日
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第37卷第2期化工機(jī)械
平推式門蓋硫化罐安全性分析+
郭吉林料程正米管誠(chéng)偉
(臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心)
楊晨
(太原理工大學(xué))
王建敏
(臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心)
摘要根據(jù)平推式門蓋硫化罐的特點(diǎn)，運(yùn)用爆炸理論對(duì)其開罐瞬間產(chǎn)生的爆炸能量進(jìn)行安全性分析，
結(jié)果表明硫化罐在罐內(nèi)帶少量余壓的情況下門蓋平推拉開時(shí)的安全性滿足要求。
關(guān)鍵詞硫化罐平推式門蓋爆炸能量安全性
中圖分類號(hào)TQ053．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B 文章編號(hào)0254-6094(2010)02-0225-04
快開門式壓力容器是指裝置有活動(dòng)端蓋且活
動(dòng)端蓋可快速啟閉的壓力容器。被廣泛地應(yīng)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(jī)，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(jù)目前統(tǒng)計(jì)，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(duì)快開門式壓力
容器應(yīng)用認(rèn)識(shí)的提高，在19世紀(jì)末至20世紀(jì)初
對(duì)高壓、超高壓快開門式壓力容器應(yīng)用也提出了
新的要求，在使用過程中，普遍反映出其特點(diǎn)，要
求快速實(shí)現(xiàn)門蓋的開啟和關(guān)閉，從而提高利用的
效率，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。
快開門式壓力容器在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)在國(guó)內(nèi)
尚無安全聯(lián)鎖裝置國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，無推薦
的定型產(chǎn)品，在工業(yè)中實(shí)際使用的原理及結(jié)構(gòu)形
式多種多樣，這也造成了檢驗(yàn)中的困難，目前檢驗(yàn)
中主要按照《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第49
條規(guī)定：對(duì)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(guān)閉后才能升壓，而開啟時(shí)
必須保證在壓力完全釋放后才能動(dòng)作BJ。但在
實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，平推式硫化罐在帶一定余
壓下對(duì)其操作也能保證其安全性。因此，研究其
安全性對(duì)于其設(shè)計(jì)和使用有著重要的意義。
1 平推式硫化罐結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
平推式門蓋硫化罐(圖1)的材料為16MnR，
設(shè)計(jì)壓力為1．6MPa。使用過程可以看成兩個(gè)密
封過程：當(dāng)門蓋關(guān)上時(shí)，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(guān)緊后，開
始往罐內(nèi)加水蒸氣，蒸汽由周圍的蒸汽孑L進(jìn)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(chǎn)生密封效果，同時(shí)門
蓋與卡箍卡緊，達(dá)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(nèi)外通過密封槽貫通的瞬間，在門蓋
垂直于運(yùn)動(dòng)方向的兩側(cè)，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(nèi)仍有余壓(包括排汽管內(nèi)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(shí)硫化罐內(nèi)外已完全貫通。從現(xiàn)場(chǎng)也發(fā)現(xiàn)，在
貫通的瞬間，蒸汽突然釋放，產(chǎn)生一定程度的“爆
炸”。
2爆炸理論探討
根據(jù)爆炸理論可以知道，爆炸后強(qiáng)壓縮能急
劇絕熱膨脹對(duì)外做功，從而引起介質(zhì)變形、移動(dòng)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(jìn)行；
弗國(guó)家質(zhì)鼉監(jiān)督檢驗(yàn)檢驗(yàn)總局項(xiàng)目(20080K131)。
t。郭吉林，男，1982年7月生，碩士研究生。浙江省臺(tái)州市，318000。
萬方數(shù)據(jù)
226 化工機(jī)械2010年
圖I 平推式門蓋硫化罐的實(shí)物圖
圖2硫化罐開罐瞬間接觸圖
b．爆炸點(diǎn)附近壓力急劇升高，產(chǎn)生沖擊波；
c．發(fā)出或大或小的響聲；
d．周圍介質(zhì)發(fā)生震動(dòng)或鄰近物質(zhì)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(nèi)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(guān)，而且與介質(zhì)在容器內(nèi)的物性相態(tài)有關(guān)，以氣
態(tài)形式存在而發(fā)生爆炸時(shí)，其釋放的爆破能量為：
E=普【·一(半)_】×103(1)
式中E——?dú)怏w的爆破能量，kJ；
P——容器內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力，MPa；
y——容器的容積，m3；
后——?dú)怏w的絕熱指數(shù)，即氣體的定壓比
熱與定容比熱之比。罐內(nèi)氣體可看
作干飽和蒸汽，后取經(jīng)驗(yàn)值1．135。
式(1)簡(jiǎn)化為：
M．4pvH半)01啪?3㈤
2。2爆炸沖擊波及其傷害、破壞準(zhǔn)則
從理論上可知，壓力容器爆炸時(shí)，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(jù)文獻(xiàn)[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(chǎn)生空氣沖擊波。
當(dāng)硫化罐門蓋打開的瞬間，容器內(nèi)的氣體大
量沖出，周圍的空氣受到?jīng)_擊而發(fā)生擾動(dòng)，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(dòng)介質(zhì)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(huì)隨時(shí)間發(fā)生迅速而懸殊的變化，剛沖出門
蓋時(shí)，壓力突然升高，產(chǎn)生一個(gè)很大的正壓力，接
著又迅速衰減，在很短的時(shí)間內(nèi)由正壓降至負(fù)壓
降。如此反復(fù)循環(huán)數(shù)次，壓力漸次衰減下去，開始
時(shí)產(chǎn)生的最大正壓力即是沖擊波波面上的超壓
△p，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(zhǔn)則主要采用超壓準(zhǔn)
則，即只要沖擊波超壓到一定值，便會(huì)對(duì)目標(biāo)造成
一定的傷害或破壞，超壓波對(duì)人體的傷害和對(duì)建
筑物的破壞作用分別見表l、2。
表1 沖擊波超壓對(duì)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(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡
大部分人員死亡
表2沖擊波對(duì)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(dòng)
磚墻倒塌
防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌
大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
沖擊波波面上的超壓與產(chǎn)生沖擊波的能鼉有
關(guān)，同時(shí)也與距離爆炸中心的遠(yuǎn)近有關(guān)。根據(jù)實(shí)
驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同數(shù)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時(shí)，如
果尺和民之比與q與q。之比的3次方根相等，
則產(chǎn)生的沖擊波超壓相同，即：
△p(尺)=△jP。(％)=△p。(R／a) (3)
萬方數(shù)據(jù)
第37卷第2期化工機(jī)械227
R 3百
一Ro。√嘉銣
式中卸——目標(biāo)處的超壓，MPa； △=p廣基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓，MPa；
qo——基準(zhǔn)炸藥量，TNT，kg；
q——爆炸時(shí)產(chǎn)生沖擊波所消耗的炸藥
量，TNT，kg；
尺——目標(biāo)爆炸中心的距離，in；
‰——目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的相當(dāng)距離，
in；
a——炸藥爆炸試驗(yàn)的模擬比。
表3為l 000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時(shí)產(chǎn)
生的沖擊波超壓。
表3 1 000kgTNT爆炸時(shí)的沖擊波超壓
3平推式門蓋硫化罐安全性分析
目前國(guó)內(nèi)對(duì)于快開門壓力容器的設(shè)計(jì)、制
造、檢驗(yàn)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(dá)到預(yù)定關(guān)閉部位就
能實(shí)現(xiàn)升壓運(yùn)行的聯(lián)鎖控制功能，另一方面，
從企業(yè)使用經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)于平推式門蓋硫化
罐，在帶有一定的余壓下開罐對(duì)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(nèi)的余壓。
表4瞬間罐內(nèi)余壓
規(guī)恪∥IIlll 40)仰800 1 000 1 200 1 600 2000
罐體長(zhǎng)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(jù)傷害、破壞準(zhǔn)則，罐內(nèi)壓力釋放產(chǎn)生的爆
破能量E先折算成，I'NT當(dāng)量q，其關(guān)系為：
q=∥q腫=E／4500 (4)
由式(2)、(4)可以求得罐內(nèi)不同壓力爆炸后
TNT當(dāng)量q(表5)。
表5 不同壓力爆炸后耵盯當(dāng)量
根據(jù)炸藥爆炸試驗(yàn)的模擬比公式，可以求出
在基準(zhǔn)1 000kgTNT模擬比a，即：
a：FR：0．1q÷ (5) 曠瓦．u’’ L)’
根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，根據(jù)式(5)和表5，根據(jù)
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(jù)超壓準(zhǔn)則及表6，可以得出不同規(guī)格平
推式硫化罐在0．5MPa拉動(dòng)下開罐瞬間，在lnl處
產(chǎn)生的超壓卸<0．02 MPa，可以看出，其對(duì)人體
的傷害作用很小，對(duì)在lm處的建筑物只是產(chǎn)生
窗框的損壞，從而可以得出，開罐的瞬間只要卡箍
(下轉(zhuǎn)第242頁)
萬方數(shù)據(jù)
242 化工機(jī)械2010年
器的溫度較低，氨冷器列管內(nèi)結(jié)冰造成阻力大。
通過提高氨冷器的出口溫度，已經(jīng)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(nèi)。
3壓縮機(jī)內(nèi)件的改造
針對(duì)以上原因分析，2009年5月，對(duì)本機(jī)高
壓缸轉(zhuǎn)子氣封及軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，具體情況如
下：
a．將機(jī)間氣封結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)部件改
為靜止安裝到機(jī)間隔板上，在原葉輪密封齒位置
加工配合臺(tái)階面；平衡盤氣封由旋轉(zhuǎn)部件改為靜
止部件，結(jié)構(gòu)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(jìn)入氣封的氣流
擾動(dòng)，相對(duì)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(dòng)阻力，同時(shí)由于氣體
從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)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(dòng)。
c．將原5塊可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)改為4塊瓦，采
取上下對(duì)稱安裝，適當(dāng)加大油孔尺寸，增加油膜厚
度，以增加阻尼力，減輕轉(zhuǎn)子的自激敏感性。
d．轉(zhuǎn)子回裝前重新進(jìn)行高速動(dòng)平衡，嚴(yán)格
控制轉(zhuǎn)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(duì)高壓缸整體進(jìn)行機(jī)
械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，可基本確認(rèn)回裝后不會(huì)存在機(jī)械方
面的故障。
4結(jié)束語
合成氣壓縮機(jī)經(jīng)過此次改造后，于2009年6
月8日一次試車成功，經(jīng)過連續(xù)的負(fù)荷調(diào)整試驗(yàn)，
振動(dòng)值一直在要求指標(biāo)以內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。
(收稿日期：2009·10一12)
(上接第227頁)
的強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求，其安全性也能得到滿足。
4結(jié)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(nèi)余壓產(chǎn)生的爆破能量的破壞作用很
小，這說明對(duì)于平推式硫化罐只要卡箍在設(shè)計(jì)中
滿足強(qiáng)度要求，其安全性也能滿足要求。
4．2 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(shí)間，提高生產(chǎn)效率，這也為今后改造平
推式硫化罐時(shí)采用繼電器控制拉罐時(shí)間來控制泄
壓時(shí)間提供了一定的依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
1趙智鵬．快開門式壓力容器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)．鍋爐
壓力容器安全技術(shù)，2004，26(3)：8—9
2勞動(dòng)人事部．蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程．北京：中國(guó)
勞動(dòng)出版社，1999
3國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局．安全評(píng)價(jià)．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(yīng)力有關(guān)外，與鉆桿的焊縫質(zhì)量及環(huán)境腐蝕
都有直接關(guān)系。鉆桿正常切焦過程中，強(qiáng)大的水
壓和桿重以及焦炭阻力在整個(gè)鉆桿截面上構(gòu)成了
較大的綜合應(yīng)力，而由于鉆桿的接口焊縫中存在
缺陷，就會(huì)在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成多個(gè)裂
紋源，裂紋源在拉應(yīng)力下不斷在整個(gè)管壁中橫向
擴(kuò)展，造成承受應(yīng)力的有效管截面面積不斷縮小。
而焊縫區(qū)材料強(qiáng)度又較低，因此，當(dāng)有效管截面面
積上的應(yīng)力達(dá)到其屈服極限時(shí)，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(jìn)一步縮小。
當(dāng)該處有效面積上的應(yīng)力值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限
時(shí)，鉆桿就在焊縫區(qū)突然失穩(wěn)，發(fā)生瞬間斷裂。
4結(jié)束語
綜合以上檢驗(yàn)分析，除焦鉆桿的斷裂屬于拉
應(yīng)力作用下的韌性斷裂。焊接質(zhì)量是影響其運(yùn)行
安全與壽命的重要因素，嚴(yán)格控制焊接內(nèi)部質(zhì)量
缺陷，排除不安全因素，是保證該設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)
行的必要保障。
(收稿日期：2009-05-21)
萬方數(shù)據(jù)

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