三台夹套容器内筒失稳的事故分析

柳迅(河北省特种设备学会，河北 石家庄 050091)

0 引言

某制药车间在生产过程中三台夹套容器(一台去催罐和两台结晶罐)内筒相继鼓包变形(见图1)，发生特种设备严重损害的变形事故[1]，造成较大损失。三台夹套容器全部为间接加热冷却系统，即通过夹套中热水和冷盐水的循环来实现为搅拌容器内筒物料加热和冷却要求，夹套容器的结构示意图见图2所示。

图1 内筒鼓包照片

图2 夹套容器结构示意图

1 事故基本情况

1.1 去催罐事故情况

操作人员发现3-2001 去催罐内温度约为40℃，适合抽滤，于是检查相关阀门和罐内料液(因有料液未能发现异常)，确认正常后进行去催罐抽滤。完成后通过视镜发现罐内壁出现鼓包现象。最后经设备部确认3-2001 去催罐手孔左前方筒体内壁鼓起。

1.2 结晶罐事故情况

操作人员将在二次结晶罐溶解后的料液分别压入3-5001和3-5003 结晶罐，在搅拌过程中，听到咣当一声，搅拌桨叶被绊住不能转动，随观察发现内壁鼓起。两台结晶罐情况相同，都是手孔左前方筒体内壁鼓起。

2 事故原因调查

2.1 夹套容器设备情况调查

发生事故的两台结晶罐和一台去催罐全部属于Ⅱ类压力容器，设计制造单位为同一家具有压力容器设计和制造许可资质的专业企业。

对制造企业提供的设计文件和出厂资料等进行审查(三台设备的技术参数见表1)。查验设计图纸中的设计参数设置，都符合操作条件和相关标准的要求，其中设计压力和设计温度是依据设备运行中最苛刻的组合工况确定[2]。确定最大计算外压力(即内筒抽真空和夹套内为设计内压联合产生的最大负压)来重新核算内筒和内封头强度和壁厚并对照查验厂家强度计算书，确认核算无误。结合图纸审查厂家提供出厂资料相关内容也未发现问题，其中在压力试验检验报告中，三台容器耐压试验曲线都显示，内筒试验压力为0.675MPa，保压30min，夹套试验压力为0.55MPa，保压30min，均为合格，查验无问题。所以设计文件和出厂资料审查未发现导致内筒失稳的问题。

表1 三台夹套容器的技术参数

现场检查三台夹套容器设备本体，发现三台设备都是手孔左前方筒体内壁鼓起，结合图纸和出厂资料检查设备制造质量，用光谱分析仪查验内筒和夹套等部件材料化学成分，实测内筒封头特别是鼓包处部位壁厚、相关结构尺寸(特别是内筒的圆度、内筒受外压部分长度等)，查验焊接制造质量等。除内筒鼓包变形外，其他检查的项目与图纸和出厂资料一致，未发现其他设备本体制造质量问题。

检查与设备连接的管道，发现两台结晶罐位于室外的换热器补水管道未进行保温发生了冻管现象，管道被堵塞。发现与去催罐连接管道的乙二醇-水罐安全阀下面的截止阀处于关闭状态。

2.2 工艺及操作调查

设备使用流程图详见图3。

2.2.1 去催罐操作过程描述：

打开去催罐排气，将氢化釜内氢化液压入去催罐。打开去催罐夹套热水阀门，通过热乙二醇-热水罐、乙二醇-水泵、乙二醇-水换热器，将去催罐内料液升温至105℃。切换去催罐夹套冷水阀门，通过冷乙二醇-冷水罐、乙二醇-水泵、乙二醇-水换热器，将去催罐内料液降温至35℃以下。

打开去催液收集罐，通过去催液过滤器将去催罐内去催液抽滤至去催液收集罐。开去催液收集罐氮气，将去催液收集罐内料液压入浓缩罐。

2.2.2 三次结晶罐操作过程描述：

将二次结晶粉投入到二次结晶罐中并压入乙醇，通过结晶罐对应的换热器组及热水泵为二次结晶罐升温，使结晶罐内料液充分溶解(料液温度约75℃)。

打开二次结晶罐氮气，将罐内溶解液通过过滤器压入三次结晶罐。通过三次结晶罐对应的换热器组及热水泵，使用降温程序控制，为三次结晶罐内料液降温至14℃，降温过程中加入甲酰胺及纯化水。

料液降温结束后，开三次结晶罐罐底阀，将结晶液放至对应抽滤器内抽滤。若放料过程中发现罐底料液堵塞，短暂开三次结晶罐真空将罐底料液反抽一次，继续放料。

3 事故原因分析

三台设备结构都是典型的夹套容器，内筒壁承受内筒物料产生的内压、夹套内循环水的外压以及抽料过程中产生的真空三种压力。此次发生的失稳事故是内筒壁在外压作用下，形状突然发生改变而产生瘪塌的失效形式，被称为失稳失效，这时其筒壁受力由薄膜应力状态突变为弯曲应力状态，被压瘪时的最小外压力即是临界压力[3]。由于实际制造的外压容器受壳体圆度、材料不均匀等因素的影响，实际的失稳压力要比理论计算的临界压力要低，所以用许用外压作为控制不致失稳的参数[3]。防止外压失稳就要使壳体所受外压不能超过许用外压力。

通过调查分析，排除了设计参数设置、强度计算、材料成分、内筒壁厚和圆度等结构尺寸、焊接制造质量等各种可能导致内筒失稳的因素[4]，能确定在正常操作工况下，三台设备的设计制造质量能够满足设备使用条件，所以排除了设备本身缺陷原因导致事故的可能性。由于三台设备内筒的操作使用有完整的未现异常的操作记录，且配有压力泄放装置和监控设施，不会造成超压超温等工况，故能排除内筒导致事故的可能。

在夹套管道系统中压力源只来自循环泵，故取泵的关闭压力作为管道系统最大压力为0.4MPa[5]，车间认为不会存在超压的可能，也就没有对夹套管道系统操作进行记录，造成无法查证操作压力和操作温度等是否发生过异常。

图3 设备使用流程图

对于现场发现的两台结晶罐补水管的冻管现象，怀疑可能是补水管冻管堵塞，导致夹套循环水系统封闭，而换热器一直在加热，水温就会升高，夹套内压相应上升，超出临界压力时，内筒就会失稳形成鼓包。

为印证上述分析，对结晶罐系统进行模拟试验，关闭补水管道，打开蒸汽管道通过换热器对换热水进行加热，开启循环泵，观察到换热水温度在2 分钟的时间由44℃升至45℃时，压力表由初始压力0.27MPa 急速升至0.5MPa，为保证安全未继续进行试验，但已经证实了温度升高导致压力快速升高趋势。

核算结晶罐内筒的许用外压力，由于

式中：Do表示圆筒外直径；Di表示圆筒内径；δn表示圆筒名义厚度；δe表示圆筒的有效厚度；C1表示材料厚度负偏差；C2表示腐蚀裕量；L表示圆筒计算长度，取内筒受外压部分长度加内封头直边高加封头曲面深度的1/3。

然后查图确定外压应变系数A 为0.0009690，进而确定外压应力系数B 为72.74，故确定的许用外压力[P]为：

说明内筒最大能够承受0.582MPa 的外压，大于这个数值内筒就有可能发生失稳变形。在模拟试验试验中，把热水加热到45℃时压力就已经升至0.5MPa,已接近了许用外压，只要温度继续升高压力随之就会超过许用外压值，充分说明失稳变形事故是由于夹套管道封闭导致水温升高引起超压所致。

在去催罐系统中热水罐截止阀处于关闭状态，致使与其连接的安全阀失去超压泄放功能。在此情况下，夹套管道内的热水被换热器反复加热，其饱和温度会持续增高，导致饱和压相应升高，而无法泄放，导致超压最终造成内筒失稳。

核算去催罐内筒的许用外压力，由于

式中字母代表意义同上，然后查图确定外压应变系数A 为0.0007991，进而确定外压应力系数B 为65.96，故许用外压力[P]为：

说明内筒所受外压超过0.528MPa，即饱和蒸汽压大于0.528MPa 对应的饱和温度高于159.9℃时，内筒就可能发生失稳变形。

经过调查分析排除了夹套容器自身的设计制造质量问题。通过模拟试验证实在封闭环境里水温增加可引起的压力快速增大。结晶罐夹套补水管道冻结堵塞，而又未设置压力保护系统，致使夹套换热水系统封闭，随着换热器持续对循环热水加热，水温持续增高，致使液体膨胀，由于系统被封闭，膨胀被限制，由于水不易压缩，导致压力急剧升高[7]，当系统压力大于夹套内筒失稳临界压力时，内筒失稳变形，形成鼓包。而去催罐夹套管道系统中安全阀失去作用，同样随着对循环热水加热，使其饱和压随之增大，超过临界压力，内筒就会失稳变形。

4 提出整改措施

(1)修改结晶罐夹套管道系统工艺流程，增加超压泄放装置，防止特殊情况时发生超压。

(2)拆除已经鼓包的三台设备，更换备用设备，施工完成后进行压力试验。

(3)两台结晶罐补水管线增加保温层，防止冻结现象发生。根据修改后工艺流程，增加系统保护措施，安装安全泄放装置或超压报警装置。

(4)拆除去催罐系统中乙二醇-水罐安全阀下面的截止阀，发挥安全阀的超压泄放作用。

5 处理后运行跟踪

设备部更换了三台鼓包设备，对两台结晶罐的补水管道进行了保温，并在夹套进口侧安装安全阀，将去催罐系统中安全阀处的截止阀拆除。车间完善了三台设备相关操作规程，对岗位操作进行了培训，增加夹套操作记录，并加强巡检，目前设备运转良好。

6 结语

企业常常容易忽视夹套加热或冷却换热的安全问题，认为发生失稳比爆破失效危险性小，但是这三台设备事故提醒企业夹套失稳变形，同样会造成重大损失[8]。所以企业要改变观念，重视夹套循环系统安全，充分考虑误操作、环境影响等特殊情况导致的超温超压，完善安全防护配置，防止夹套容器失稳事故发生。