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平推式门盖硫化罐安全性分析

文档作者：郭吉林程正米管诚伟杨晨王建敏文档来源：台州市特种设备监督检验中心太原理工大学台州市特种设备监督检验中心		点击数：	更新时间： 2021年01月05日
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第37卷第2期化工机械
平推式门盖硫化罐安全性分析+
郭吉林料程正米管诚伟
(台州市特种设备监督检验中心)
杨晨
(太原理工大学)
王建敏
(台州市特种设备监督检验中心)
摘要根据平推式门盖硫化罐的特点，运用爆炸理论对其开罐瞬间产生的爆炸能量进行安全性分析，
结果表明硫化罐在罐内带少量余压的情况下门盖平推拉开时的安全性满足要求。
关键词硫化罐平推式门盖爆炸能量安全性
中图分类号TQ053．2 文献标识码B 文章编号0254-6094(2010)02-0225-04
快开门式压力容器是指装置有活动端盖且活
动端盖可快速启闭的压力容器。被广泛地应用在
橡胶、轻工、纺织、建材、食品和医药行业。例如橡
胶行业的硫化罐，轻工纺织行业的染色机，建材行
业的于馏罐、枕木防腐罐及硅酸盐制品的蒸压釜，
食品行业的杀菌罐，医药行业的消毒柜和医用氧
舱等‘1l。
据目前统计，大多数快开门式压力容器属于
中、低容器，工作压力一般在0．8～6．4MPa之间，
工作温度在200℃左右。但随着对快开门式压力
容器应用认识的提高，在19世纪末至20世纪初
对高压、超高压快开门式压力容器应用也提出了
新的要求，在使用过程中，普遍反映出其特点，要
求快速实现门盖的开启和关闭，从而提高利用的
效率，实现效益的最大化。
快开门式压力容器在设计、制造、检验在国内
尚无安全联锁装置国家标准或行业标准，无推荐
的定型产品，在工业中实际使用的原理及结构形
式多种多样，这也造成了检验中的困难，目前检验
中主要按照《压力容器安全技术监察规程》第49
条规定：对于快开门压力容器，要保证其安全性，
必须保证快开门完全关闭后才能升压，而开启时
必须保证在压力完全释放后才能动作BJ。但在
实际操作过程中发现，平推式硫化罐在带一定余
压下对其操作也能保证其安全性。因此，研究其
安全性对于其设计和使用有着重要的意义。
1 平推式硫化罐结构及特点
平推式门盖硫化罐(图1)的材料为16MnR，
设计压力为1．6MPa。使用过程可以看成两个密
封过程：当门盖关上时，由于密封圈离端面1．0—
2．Omm，门盖与密封圈间无摩擦；门盖关紧后，开
始往罐内加水蒸气，蒸汽由周围的蒸汽孑L进入密
封装置，在压力和温度的作用下，橡胶密封圈开始
膨胀，端面和门盖接触，并产生密封效果，同时门
盖与卡箍卡紧，达到自锁效果。硫化罐泄压后门
盖以平移的方式打开，门盖与卡箍的啮合面逐渐
减小，硫化罐内外通过密封槽贯通的瞬间，在门盖
垂直于运动方向的两侧，卡箍与门盖的凸缘仍存
在4块接触面(图2)，而这部分接触面可确保即
使硫化罐内仍有余压(包括排汽管内残存的少量
高温饱和水的爆沸)，门盖也无法飞离罐体，随着
门盖的平移，这部分接触面积不断减少直至消失，
此时硫化罐内外已完全贯通。从现场也发现，在
贯通的瞬间，蒸汽突然释放，产生一定程度的“爆
炸”。
2爆炸理论探讨
根据爆炸理论可以知道，爆炸后强压缩能急
剧绝热膨胀对外做功，从而引起介质变形、移动和
破坏。一般来说，爆炸现象具有以下特征：
a．爆炸过程迅速进行；
弗国家质鼍监督检验检验总局项目(20080K131)。
t。郭吉林，男，1982年7月生，硕士研究生。浙江省台州市，318000。
万方数据
226 化工机械2010年
图I 平推式门盖硫化罐的实物图
图2硫化罐开罐瞬间接触图
b．爆炸点附近压力急剧升高，产生冲击波；
c．发出或大或小的响声；
d．周围介质发生震动或邻近物质遭受破
坏。
2．1 水蒸气容器爆破能量
从平推式门盖硫化罐开罐瞬间来看，罐内蒸
汽压力突然释放，可以听到或大或小的声音。而
爆破能量的大小，不仅与气体压力和容器的容积
有关，而且与介质在容器内的物性相态有关，以气
态形式存在而发生爆炸时，其释放的爆破能量为：
E=普【·一(半)_】×103(1)
式中E——气体的爆破能量，kJ；
P——容器内气体的绝对压力，MPa；
y——容器的容积，m3；
后——气体的绝热指数，即气体的定压比
热与定容比热之比。罐内气体可看
作干饱和蒸汽，后取经验值1．135。
式(1)简化为：
M．4pvH半)01啪⋯3㈤
2。2爆炸冲击波及其伤害、破坏准则
从理论上可知，压力容器爆炸时，爆炸能量以
冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量3种
形式表现出来，根据文献[3]，后两者所消耗的能
量只占总爆破能量的3％一15％，也就是说大部
分能量产生空气冲击波。
当硫化罐门盖打开的瞬间，容器内的气体大
量冲出，周围的空气受到冲击而发生扰动，使其状
态(压力、密度及温度等)发生突越变化，传播速
度大于扰动介质的声速，从而在空气中传播形成
了冲击波。在离爆破中心一定距离的地方，空气
压力会随时间发生迅速而悬殊的变化，刚冲出门
盖时，压力突然升高，产生一个很大的正压力，接
着又迅速衰减，在很短的时间内由正压降至负压
降。如此反复循环数次，压力渐次衰减下去，开始
时产生的最大正压力即是冲击波波面上的超压
△p，根据经验，冲击波的伤害和破坏作用是由超
压引起的。
冲击波伤害、破坏判定准则主要采用超压准
则，即只要冲击波超压到一定值，便会对目标造成
一定的伤害或破坏，超压波对人体的伤害和对建
筑物的破坏作用分别见表l、2。
表1 冲击波超压对人体的损害作用
Ap／MPa 伤害作用
0．02～O．03
0．03一O．05
0．05-O．10
>0．10
轻微损伤
听觉器官损伤或骨折
内脏严重损伤或死亡
大部分人员死亡
表2冲击波对建筑物的破坏作用
Ap／MPa 伤害作用
0．04—0．05
O．06—0．07
0．07一O．10
0．10_O．20
O．20—O．30
墙大裂纹、屋瓦掉下
木建筑厂房房柱折断，房架松动
砖墙倒塌
防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌
大型钢架结构破坏
冲击波波面上的超压与产生冲击波的能鼍有
关，同时也与距离爆炸中心的远近有关。根据实
验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如
果尺和民之比与q与q。之比的3次方根相等，
则产生的冲击波超压相同，即：
△p(尺)=△jP。(％)=△p。(R／a) (3)
万方数据
第37卷第2期化工机械227
R 3百
一Ro。√嘉铷
式中卸——目标处的超压，MPa； △=p广基准目标处的超压，MPa；
qo——基准炸药量，TNT，kg；
q——爆炸时产生冲击波所消耗的炸药
量，TNT，kg；
尺——目标爆炸中心的距离，in；
‰——目标与基准爆炸中心的相当距离，
in；
a——炸药爆炸试验的模拟比。
表3为l 000kgTNT炸药在空气中爆炸时产
生的冲击波超压。
表3 1 000kgTNT爆炸时的冲击波超压
3平推式门盖硫化罐安全性分析
目前国内对于快开门压力容器的设计、制
造、检验按照《容规》第49条要求。平推式门
盖硫化罐门盖与卡箍闭合，升压就要自锁效
果，从而无需等到快开门达到预定关闭部位就
能实现升压运行的联锁控制功能，另一方面，
从企业使用经验来看，对于平推式门盖硫化
罐，在带有一定的余压下开罐对其安全性影响
不大。表4为不同规格的硫化罐在0．5MPa下
平推拉开门盖瞬间罐内的余压。
表4瞬间罐内余压
规恪∥IIlll 40)仰800 1 000 1 200 1 600 2000
罐体长度／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
根据伤害、破坏准则，罐内压力释放产生的爆
破能量E先折算成，I'NT当量q，其关系为：
q=∥q肿=E／4500 (4)
由式(2)、(4)可以求得罐内不同压力爆炸后
TNT当量q(表5)。
表5 不同压力爆炸后耵盯当量
根据炸药爆炸试验的模拟比公式，可以求出
在基准1 000kgTNT模拟比a，即：
a：FR：0．1q÷ (5) 旷瓦．u’’ L)’
根据企业实际情况，根据式(5)和表5，根据
离罐体门盖R=lm处的超压情况来判断不同规
格下瞬间开罐安全的可靠性(表6)。
表6离罐体门盖R=1m处冲击波超压
根据超压准则及表6，可以得出不同规格平
推式硫化罐在0．5MPa拉动下开罐瞬间，在lnl处
产生的超压卸<0．02 MPa，可以看出，其对人体
的伤害作用很小，对在lm处的建筑物只是产生
窗框的损坏，从而可以得出，开罐的瞬间只要卡箍
(下转第242页)
万方数据
242 化工机械2010年
器的温度较低，氨冷器列管内结冰造成阻力大。
通过提高氨冷器的出口温度，已经解决压差问题。
分子筛系统的水含量一直控制在5×10。以内。
3压缩机内件的改造
针对以上原因分析，2009年5月，对本机高
压缸转子气封及轴承结构进行改造，具体情况如
下：
a．将机间气封结构由平滑梳齿密封改为阶
梯密封，密封件增加破涡片，密封齿由旋转部件改
为静止安装到机间隔板上，在原叶轮密封齿位置
加工配合台阶面；平衡盘气封由旋转部件改为静
止部件，结构仍为普通梳齿密封，但将原气封加工
的防激振气孔全部堵死。
b．增加破涡片，可以减少进入气封的气流
扰动，相对于平滑式的迷宫密封，阶梯型迷宫密封
可以更好地增加气体的流动阻力，同时由于气体
从高压侧向低压侧流动过程中，流道面积逐步增
大，降低了密封齿问的气体压力和气量，减小气体
对转子的作用力，密封齿改为静止件，还能降低两
齿间气流的扰动。
c．将原5块可倾瓦轴承结构改为4块瓦，采
取上下对称安装，适当加大油孔尺寸，增加油膜厚
度，以增加阻尼力，减轻转子的自激敏感性。
d．转子回装前重新进行高速动平衡，严格
控制转子在下隔板的中心位置偏移量、轴承间隙、
轴窜量、气封间隙；回装后，对高压缸整体进行机
械运转试验，可基本确认回装后不会存在机械方
面的故障。
4结束语
合成气压缩机经过此次改造后，于2009年6
月8日一次试车成功，经过连续的负荷调整试验，
振动值一直在要求指标以内，机组运行稳定。
(收稿日期：2009·10一12)
(上接第227页)
的强度能满足设计要求，其安全性也能得到满足。
4结论
4．1 从爆炸理论出发，得出平推式硫化罐在开
罐瞬间罐内余压产生的爆破能量的破坏作用很
小，这说明对于平推式硫化罐只要卡箍在设计中
满足强度要求，其安全性也能满足要求。
4．2 根据现场试验，平推式硫化罐在带有少量
余压的情况下开罐，可以保证其安全性，从而缩短
了开罐的时间，提高生产效率，这也为今后改造平
推式硫化罐时采用继电器控制拉罐时间来控制泄
压时间提供了一定的依据。
参考文献
1赵智鹏．快开门式压力容器的发展现状和趋势．锅炉
压力容器安全技术，2004，26(3)：8—9
2劳动人事部．蒸汽锅炉安全技术监察规程．北京：中国
劳动出版社，1999
3国家安全生产监督管理局．安全评价．北京：煤炭工业
出版社，2004
(收稿日期：2009-lO．10，修回日期：20LO-03．19)
(上接第232页)
的拉应力有关外，与钻杆的焊缝质量及环境腐蚀
都有直接关系。钻杆正常切焦过程中，强大的水
压和杆重以及焦炭阻力在整个钻杆截面上构成了
较大的综合应力，而由于钻杆的接口焊缝中存在
缺陷，就会在缺陷处产生应力集中而形成多个裂
纹源，裂纹源在拉应力下不断在整个管壁中横向
扩展，造成承受应力的有效管截面面积不断缩小。
而焊缝区材料强度又较低，因此，当有效管截面面
积上的应力达到其屈服极限时，焊缝区就发生了
缩径变形，造成钻杆焊缝区有效面积进一步缩小。
当该处有效面积上的应力值达到材料的强度极限
时，钻杆就在焊缝区突然失稳，发生瞬间断裂。
4结束语
综合以上检验分析，除焦钻杆的断裂属于拉
应力作用下的韧性断裂。焊接质量是影响其运行
安全与寿命的重要因素，严格控制焊接内部质量
缺陷，排除不安全因素，是保证该设备安全稳定运
行的必要保障。
(收稿日期：2009-05-21)
万方数据

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