高溫熱油管線熱脹冷縮的危害及預防控制

摘要：延遲焦化裝置因高溫管線及設備的熱脹冷縮發(fā)生了2起高溫油泄漏事故，雖沒有造成人員傷害及著火事故但對裝置安全及長周期運行帶來嚴重威脅。通過案例對裝置的熱膨脹危害進行分析并采取相應的預防控制措施，避免類似事故發(fā)生，保證裝置安全長周期運行。

關(guān)鍵詞：熱膨脹 危害 應力 預防控制

1、熱脹冷縮給裝置安全運行帶來的危害

在石油化工裝置的設計及生產(chǎn)過程中，金屬的熱脹冷縮對生產(chǎn)及設備運行過程中造成的危害是必須要考慮的，設計考慮不當或不周就會對高溫運行設備及管線造成破壞。

延遲焦化裝置高溫管線近2000米、高溫設備18臺。在生產(chǎn)過程中，焦炭塔屬于間歇生產(chǎn)，溫度劇烈變化頻繁，在一個生焦周期焦炭塔由常溫-250℃（半小時）-320℃（4小時）-420℃（20小時）-250℃（3小時）-80℃（1.5小時）-常溫的溫度變化過程，熱脹冷縮對設備及管線的安全運行影響較大。延遲焦化裝置因高溫管線及設備的熱脹冷縮發(fā)生了2起泄漏著火事故，雖沒有造成人員傷亡但給裝置安全及長周期運行帶來嚴重威脅。

（1）2012年8月9日裝置分爐停工，在分爐過程中，焦化加熱爐緊急泄壓線與甩油線跨線馬鞍口處焊道出現(xiàn)泄漏，立即停止分爐改變分爐流程，避免了高溫渣油泄漏發(fā)生著火事故。該處焊道由于熱膨脹產(chǎn)生的應力集中在馬鞍口處，導致焊道出現(xiàn)5cm的裂紋，引起泄漏。

（2）2011年7月20日9：30，操作員發(fā)現(xiàn)分餾塔預熱閥（D108預熱油氣返塔）位置塔壁保溫內(nèi)向外冒煙，為防止泄漏嚴重著火，他立即將滅火蒸汽帶插入保溫內(nèi)并及時聯(lián)系車間技術(shù)人員及保溫隊。打開后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部著火，用蒸汽吹滅。滅火后確認預熱閥短管與塔體連接補強圈下端焊道有約15mm的裂紋，預熱時，加強板下端受力導致裂縫增大引起泄漏。泄漏部位處于分餾塔底高溫油（380℃）段，如不及時發(fā)現(xiàn)，一旦泄漏著火可能引起重大火災事故。

2、熱膨脹的計算

管道的熱膨脹是熱力管道設計計算中首先要考慮的因素。工作鋼管的熱膨脹量按下式計算：

△L=αL（t-t0）

式中：△1 管道熱膨脹量m

α 鋼材的線膨脹系數(shù)m/（m℃）

L 管道的長度m

t 管道的工作溫度℃

t0 管道的安裝溫度℃

例：DN250熱油管道，工作鋼管為φ273×7、外套鋼管φ529×6，硅酸鋁離心玻璃棉復合保溫層厚度110mm，輸送高溫熱油壓力0.2MPa，最高溫度380℃，管道安裝溫度20℃，求每米管道的熱膨脹量。

參考《機械設計手冊》查表得鋼材的線膨脹系數(shù)α為12.9×10-6m/（m℃），代入公式

△L=12.9×10-6×1×（380-20）

= 0.00464m

即每米管道熱膨脹量為4.64mm

3、熱膨脹造成事故的原因分析

（1）焦化預熱油氣線至分餾塔（見附圖一）

A段長度為20米，通過計算最大熱膨脹為4.64×20=9.28cm。在焦炭塔預熱到最高溫度（380℃）時，實測熱膨脹距離為6cm。管線安裝在常溫下進行，分餾塔在生產(chǎn)過程中膨脹升高A段與支架平臺的摩擦力減小導致A段膨脹方向向右延伸，使得閥門段管線受到向下的作用力，進而作用到閥門段與分餾塔連接的加強板，使得加強板下部焊道處受到向內(nèi)擠壓力的作用。預熱結(jié)束后溫度降低，管線回縮到原位。塔壁加強版下部焊縫長期受到向內(nèi)擠壓及回縮力的作用，導致焊接處疲勞過度而開裂。

（2）加熱爐緊急泄壓線與甩油線跨線馬鞍口處焊道開裂（見附圖二）

AE線為緊急泄壓線、BC線為鋼管甩油線長度為30米最高溫度為300℃、A、B線相距1.2米。

通過計算最高溫度時甩油線膨脹量為：

△L=αL（t-t0）=12.9×10-6×30×（300-20） =10.8 cm

實際測量向右的膨脹距離為8cm。因此馬鞍口焊道長期受到往復應力作用導致焊道開裂。

（3） 施工管理不嚴不細

在施工過程中，現(xiàn)場施工人員搶進度，不按設計要求安裝托架或當架，導致管線膨脹造成危害。2005年焦化油氣線改造，在安裝油氣線立管支架時，沒有考慮到焦炭塔在生焦過程中，會由于熱脹而升高（180cm），立管支架距鋼結(jié)構(gòu)橫梁不足100cm，在檢查過程中發(fā)現(xiàn)及時整改。

（4）設備管理存在漏洞

在日常生產(chǎn)過程中，車間雖然對裝置設備進行了全面的檢查，但仍有部分設備、管線、管件被遺漏，在設備管理上，要求不嚴，檢查不細，沒有及時對吊架、管線支架檢修調(diào)整；對壓力管線的安全監(jiān)督不到位。

4、 熱膨脹危害的預防控制措施

（1） 對焦炭塔油氣預熱線至分餾塔（見附圖二）A段的支撐進行調(diào)整，消除因分餾塔升高導致A段管線局部懸空；在現(xiàn)場管線A段東側(cè)端點，管線處于冷態(tài)時增加斜支撐，消除作用于塔壁的往復擠壓力。

（2） 2012年大修對焦炭塔甩油線進行了改造，在焦炭塔7米平臺下增加了兩個U型灣，降低加熱爐緊急泄壓線與甩油線跨線東側(cè)端點的膨脹量，實測為2cm，大大降低了在生產(chǎn)周期內(nèi)馬鞍口焊道開裂風險。

（3） 開展安全教育 提高認識

開展調(diào)查研究，認清現(xiàn)狀，落實各級崗位安全責任。充分發(fā)揮電化教育可視性強、教育面廣的優(yōu)勢，提高職工對熱膨脹危害的認識。定期舉辦材料知識講座，給職工講解熱膨脹對設備、管線造成的危害及防護措施。讓每位職工都明白自己工作的職責，全員參與，共同維護好設備，為裝置安全、長周期運行打下基礎。

（4） 把好設計的源頭 確保設備的本質(zhì)安全

煉油、化工行業(yè)是一個充滿易燃、易爆物質(zhì)的行業(yè)，因此對設備的材質(zhì)、幾何參數(shù)等要求都非常嚴格，容不得半點閃失。設計部門不僅要根據(jù)裝置不同的工況和介質(zhì)選定幾何參數(shù)，更重要的是還要選好材質(zhì)。在高溫高壓部位，選用相應的膨脹系數(shù)低的材料。必要時，膨脹部位，可從設計上采取措施，增加其安全性。這是消除設備隱患、杜絕設備事故發(fā)生的首要關(guān)口。為了確保設計上的萬無一失，使用單位也應當對設計圖、資料進行認真的審查，消除設計上的漏洞。

（5） 加強工藝管理 嚴格工藝控制

嚴格按照工藝要求控制操作參數(shù)，防止設備管線溫度劇烈變化，導致膨脹加劇引起設備管線泄漏。搞好設備日常管理 消除事故隱患保證設備的安全運行，首先要按規(guī)定做好日常維護管理工作，重大關(guān)鍵設備要落實特護管理，重要部位須重點監(jiān)控，同時，認真落實日常巡回檢查制，精心搞好平穩(wěn)操作，嚴禁設備“三超”及帶病運行；再是做好設備的預知、預測、預防工作，建立完善設備基礎資料和技術(shù)檔案，對壓力容器、壓力管道、安全附件等要按規(guī)定檢驗，特別是高溫管線的吊架、支架在生產(chǎn)過程中及時調(diào)整，并定期開展設備狀況技術(shù)分析和研究，對存在的問題尤其是危及安全生產(chǎn)的隱患，要分輕重緩急，從人力、物力、資金來源等方面積極創(chuàng)造條件整改，以提高設備安全可靠度，確保安全生產(chǎn)。

（6） 嚴把工程施工質(zhì)量關(guān) 規(guī)范竣工資料

一是從材料的采購、交貨上防止出現(xiàn)差錯，嚴格把好材料采購和交貨關(guān)，嚴格執(zhí)行代用料審批制度，保證施工不留后患；二是嚴格執(zhí)行基建工程質(zhì)量終身負責制，對所有合金鋼管線、管件實行安裝前100%檢驗，安裝后100%檢驗，裝置第1次大修100%檢驗的3個100%檢驗制度；三是安裝施工階段，為了防止制造摻假或施工單位偷工減料、誤用物料的情況出現(xiàn)，使用單位還要對設備、部件等進行測厚、光譜分析，以確保其幾何參數(shù)和材質(zhì)種類是否符合工藝要求，發(fā)現(xiàn)問題及時更換處理；四是嚴格審查工程竣工和裝置大修交工資料，確保圖紙、參數(shù)與實際相符。

5、 結(jié) 論

熱膨脹危害嚴重威脅著企業(yè)的安全生產(chǎn)，裝置設備滿負荷運轉(zhuǎn)面臨極大的壓力，我們要對熱膨脹危害帶來的危害給予足夠的重視，采取有效的措施，消除熱膨脹危害，為企業(yè)安穩(wěn)長滿優(yōu)生產(chǎn)創(chuàng)造一個良好的安全環(huán)境。

參考文獻：

[1]《機械設計手冊》、《延遲焦化操作規(guī)程》、《石油化工施工安全技術(shù)規(guī)范》、《安全工程師務實手冊》.

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