不透性石墨设备封头破坏原因分析及解决方法

（辽阳炭素依渤石墨设备有限公司，辽宁 辽阳 111000）

0 引言

不透性石墨设备因具有优良的耐腐蚀性能和较好的导热性能，广泛地应用于石油化工、氯碱工业、医药、磷酸与磷肥工业、三废处理等领域。属于压力容器的不透性石墨设备需受TSG21-2006《固定式压力容器安全技术监察规程》的监管。保证产品安全，才能保护人民生命和财产安全。装置安全稳定运行，杜绝安全生产隐患，才能提高经济效益。

今就实际工作中，遇到过的因石墨上封头破坏而影响生产平稳运行的情况，谈谈自己看法及解决方法。

在大型PVC项目中，经常用到大面积的石墨换热器，如：混合气冷却器，设备规格型号大，为满足生产工艺要求，石墨封头的进出料口就要求开的很大，尤其是介质是气体的石墨设备。开大孔的石墨设备在开车时有发生封头破坏引起物料泄漏，而不能正常开车，影响生产的情况。但一旦设备开起来，就不再发生破坏。

我们组织技术人员进行了详细的工艺、设备运行、设备设计分析，在掌握第一手工艺技术资料的基础上，对该石墨换热器从设计到安装、开车提出几点修改建议，解决了石墨换热器上封头破坏的问题。

1 石墨封头强度计算分析

石墨换热器的封头是按薄壁的圆锥公式求最大周向拉应力来校核其强度。如图1所示，在锥口（D1）处作一垂线，交端盖的圆柱面上。由此点作平行于锥面的虚线，将虚线以内的端盖视为圆锥壳体，锥口处的环向拉应力为最大主应力。按此模型粗略估算圆端盖的强度[1]。

图1 石墨封头简化模型图

强度条件为：当σ＜[σ]时，此封头是安全的；

式（1）中，DC=D1+Scosθ，DC为密封面上平均直径。

[σ]为材料的许用抗拉强度，其值为石墨材料工艺评定报告中指定设计温度下抗拉试验平均值的80%除以安全系数6.0（毒性危害程度为极度或者高度危害介质时，安全系数选7.0）；

以上的计算方法，极为粗糙，结果偏于保守。

实际工作中遇到过封头直径1400mm，开孔直径800mm，设计压力0.1MPa。按此方法计算是通不过的。即使增加封头厚度，锥角一旦确定，锥口处的最小壁厚也不再增加。最后我们采用上好的石墨原材料，来提高材料的许用应力，并在石墨封头上加设钢制抱箍，将封头所受的应力由抱箍承担一部分。石墨封头这样处理后即增加了石墨材料的利用率，降低了成本，又增加设备安全性。这样案例已在国内几个大项目中得到应用，并取得成功。

2 尽可能减少安装应力

经反复现场调研后，我们发现还有原因可能导致封头破裂。那就是在安装管道时，尤其在安装管道轴线与设备轴线不同轴管道时，管道自身重力大，加上安装误差，强力安装极易造成石墨封头破裂。

管道膨胀节也称伸缩节、补偿器。管道膨胀节在一定范围内可轴向伸缩，也能在一定的角度内克服管道对接不同的轴向而产生的偏移，能极大的方便管道的安装与拆卸。具有补偿吸收管道轴向、横向、角向热变形，吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响，吸收地震、地陷对管道的变形。

石墨封头中心开孔，外配置石墨接管及金属盖板，即要进出料就要配备法兰、垫片以便密封。因此实际上中心开孔圆形石墨封头的圆平板部分承受的内压力已通过垫片、螺栓转移到了金属盖板上。安装时的螺栓预紧力也能造成封头损坏而非内压造成损坏。

石墨封头上平盖部分的强度，需要根据GB150校核外接法兰螺栓载荷对石墨封头的作用力。在保证封头强度的基础上，安装管道时建议用户在管道接口处设置膨胀节，这样对强度低、脆性大的石墨设备能起到很好保护作用，大大避免了封头破坏情况的发生。

3 金属件强度计算分析

石墨换热器上金属件强度计算对有些石墨生产厂家不是强项，容易忽视。石墨封头的上盖板也属受压元件。它一旦产生变形，这种变形产生局部应力集中，使上封头出现受力不均匀现象。设计时需结合GB150进行设计校核，使设备上盖板与封头保证平整度，盖板厚度能保证受力后不发生变形，否则这种应力集中如超出石墨件所能够承受的极限，最终导致不透性石墨这种脆性材料出现破裂。

操作上也需注意，开车时，要先通冷却水后通热物料，让设备缓慢升温。避免产生过大温差应力。

4 结语

针对开车时石墨封头发生破坏，一旦运行起来，就不再发生破坏的情况，分析得出结论，主要是设备在安装时螺栓预紧力和安装应力过大造成破坏，而不是单纯的介质压力造成的。设计时应予以足够的重视。 从设计、安装到使用等一系列改造后的石墨换热器，再没出现过封头破坏情况，至今保持长期的稳定运行，消除安全隐患，带来了良好的经济效益。