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制氢装置含机械损伤缺陷解吸气混合罐安全性分析

文档作者：徐晓丹1 赵建平2 文档来源： 1．江苏省特种设备安全监督检验研究院 2．南京工业大学机械与动力工程学院		点击数：	更新时间： 2021年01月08日
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182 化工机械2013年
制氢装置含机械损伤缺陷解吸气
混合罐安全性分析+
徐晓丹”1 赵建平2
(1．江苏省特种设备安全监督检验研究院；2．南京工业大学机械与动力工程学院)
摘要某制氢装置的一台解吸气混合罐，在检验过程中发现130ram长、2ram深的机械划痕，采用断裂
力学方法对其开展了安全评价。根据断裂评价结果，该缺陷是可以接受的。
关键词混合罐制氢装置断裂力学机械划痕安全分析
中圈分类号TQ051．7+1 文献标识码A 文章编号0254_6094(2013)02-0182-03
某厂能源动力部制氢装置采用变压吸附
(PSA)原理精制煤气以及从焦炉煤气(COG)中提
纯氢气。该装置的一台解吸气混合罐内径
2 400mm，材料20R，壁厚11mm，设计温度50℃，
设计压力0．3MPa。在检验过程中发现，该解吸气
混合罐筒体从上往下数，距离第五筒节与第六筒
节的环缝lOOmm处、距离第五筒节纵缝lOmm处
开始，跨过纵缝平行于第五筒节与第六筒节环缝
处有约长130ram、深2ram的机械划痕，根据TSG
R7001．2004(压力容器定期检验规则》第四十及
四十一条之规定，需打磨至圆滑，但该设备位于易
燃易爆区域，又不能动火，需进行安全性分析。
1缺陷的表征
为了从安全角度考虑，保守地将130ram长、
2ram深的机械划痕等效为同尺寸的裂纹缺陷，按
GB／T 19624中5．3缺陷规则化的要求，将该机械
划痕表征为2c=130mm，口=2ram的外表面半椭
圆裂纹，该表征裂纹取安全系数1．0后作为计算
用的表征裂纹尺寸c=65mm，口=2ram。
2应力的确定
按GB／T 19624规范规定，在评定中所取用
的应力是缺陷部位主应力，计算该主应力是采用
弹性计算方法，并假设结构中不存在缺陷。
一次薄膜应力是由内压引起的，可以按无力
矩理论计算：
P’。4=石PD=_0．3五×而24—00=18MPa
4曰4×10
一
式中B——壳体计算厚度，即扣除内外壁腐蚀
余量后的缺陷附近壳体壁厚。
一次弯曲应力P。=0MPa。
二次应力包括二次弯曲应力、残余应力及热
应力等。对于本例，仅考虑焊接残余应力。
本项目的研究工作未对焊接残余应力进行测
定，根据GB／T 19624规范表5-2的规定，取盯。=
0．30"，，再按该规范表4中值矿，，得到焊接残余应
力引起的二次薄膜应力Q。=0．30"，=0．3×345=
103．5MPa。
按规范规定，由错边、角变形及局部厚度差等
所引起的局部应力，按二次应力考虑。查GB／T
19624规范表5-3得到错边引起的二次弯曲应力
为：
仆才磊P。鑫=毒篙鬲棚×÷
=14．84MP8
上式中曰。为对焊接头错边两侧的容器壁厚
的较大值，曰：为对焊接头错边两侧的容器壁厚的
较小值，取B。=B：；e为错边量。
一次应力和二次应力取分安全系数后的值：
P。=1．2×18=21．6MPa
}国家科技支撑计划项目(2012BAKl3803和2011BAK06803)资助。
一徐晓丹，男，1962年9月生，高级工程师，副院长。江苏省南京市，210036。
万方数据
第40卷第2期化工机械183
Pb=OMPa
Q。=103．5MPa
Qb=Q：+Q：=o+14．84=14．84MPa
3材料性能数据的确定
开展了断裂韧性的实验室测试，取3个试样
中的最小值，断裂韧度按62．5N／mm计算，则材
料断裂度为：
耻辱：～／—1．96 x—105 x巫62．5瑙6灿№m耽
取1．1倍安全系数以后，评定用断裂韧度为：
K，c：=—_3了66_—9．-02：3335．5N／mm3／2 ．
4应力强度因子的计算
K?和K；分别为一次应力和二次应力引起的
应力强度因子，在应力强度因子的计算中分别对
表面裂纹的A点和B点(表面裂纹的最深点和最
长点)进行计算(图1)，求得A点的(K；)。和
(K；)．，B点(K?)。和(K；)。，然后确定危险点。
图1表面理解纹尺寸示意图
查规范附表D1_4，当a／c=0．031，a／B=0．2
时：
Z=1．294Z=o．999Z=o．377彳=0．351
(群)．=／鬲(矿Z+盯Z)=／再万X(21．6×
1．294+0 X0．999、=70．06N／mm3“
(群)．=石i(盯Z+盯Z)=／；五西×(103．5×
1．294+14．84 X0．999)=372．87N／mm”
(K?)。=4-4z(盯。名+盯彳)=~，丽×(21．6 X
0．377+0×0．351)=20．41N／ram3“ (霹)。=石i(盯Z+盯誓)=丽X(103．5 X
0．377+14．84×0．351)=110．86N／mm3“
由上述计算可知：A点是危险点，应该按A点
进行安全性校核。
5脆性断裂因子K和塑性失效因子￡-，的计算
K，为失效评定图FAD的纵坐标，它是含裂纹
结构脆断的指标。由于—芝：
o，q可o
—立丝害兰=：o．431，查规范图5．14得妒。：
345 X 0奄X 2
0．025，当L，<0．8时，裂纹塑性区的修正值P= o．025。所雌=竽妒掣掣+
0．025=0．158。
三。是失效评定图FAD的横坐标，它是含缺陷
结构塑性失效的指标，受内压壳体上表面裂纹的
极限载荷为：
1
a 2 小警善=訾×{1孚．o．啪1
B 1—10
厂————丁
式中帆。√1+1．6南叫·25
6安全性评价
由上述计算得评定点的坐标为(0．079，
0．158)，从图2中可以看出，该评定点落在失效评
定曲线下面的安全区域，说明该缺陷满足合于使
用的要求。
逆
H’
殴
碟
螽
趟
磐
图2评定点在失效安全评定图中的位置
7 结束语
采用断裂力学方法对制氢装置的一台解吸气
混合罐进行了安全评价，通过计算脆性断裂因子
K，和塑性失效因子￡，，由失效评定图技术分析：
解吸气混合罐表面发现的130mm长、2mm深的
机械划痕，能够满足合于使用的要求。
(收稿日期：2012．10．25)
Safety Analysis of Desorbed Gas Mixture Tank with
Mechanical Damage for Hydrogen Equipment
(Continued on Page 249)
万方数据
第40卷第2期化工机械249
管板管孔力n-r_强度胀的两道胀槽，胀接前要
做好管孔内径、换热管内外径的测量，通过试胀，
确定合适的胀管率，避免出现过胀和欠胀，检验合
格后确定最终的胀管率。
苫8
．n
一
|n
N令
图3 焊接管头尺寸
4改进工艺及操作条件
4．1 控制Cl一含量和改善水质环境
316L材料管束短期内失效的主要原因是汽包
水含有cl一而导致应力腐蚀开裂，在严控汽包水质
量后，316L管柬可以保证在较长周期内使用。
为了防止可能出现的低碳钢的OH一应力腐
蚀开裂，控制好壳体水pH值在8．5—10．0，缓蚀
剂由Na，PO．改为NaH：PO。，加强脱氧，改善材料
对应力腐蚀环境的敏感性。在操作上要求调整不
能过于频繁，提高壳程水循环倍率，将部分给水补
入下降管，避免蒸汽在管束表面的快速蒸干与杂
质沉积，减少因此而产生的振动。
4．2调整管束工作温度
碳钢管束在改善制造质量后的主要问题是碳
钢高温硫腐蚀，当形成稳定的硫化铁保护膜后，碳
钢管束可以满足较长时间的使用要求。介质为蜡
油的E1108操作温度在350℃左右，考虑到高温
硫腐蚀在温度350—400％最为剧烈，2009年装置
流程优化时在E1108前添加一台换热器E1106，
优化后将E1108入El温度调整至270℃以下。也
在一定程度上缓解了碳钢管束的高温硫腐蚀。
5 结束语
通过对管束采取措施，E1107、E1108管束的
腐蚀失效现状得到了较好地解决，其在2008年投
用后运行良好，2009年5月装置停工大检修时拆
卸清洗检查，两台管束除少量均匀腐蚀外未见其
他明显异常腐蚀现象，2012年5月大检修时对管
束进行了涡流检测，内壁均匀腐蚀，无明显坑点腐
蚀，还可以继续使用。目前相当部分的设计单位
在对此类换热器管束选型时仅考虑了工艺部分的
设计要求，较多的考虑了温度、压力、换热面积及
介质等因素，对腐蚀环境、操作条件、材料、换热管
与管板连接形式等问题考虑较少。这些细节的疏
忽会造成在投用后虽能够满足工艺参数的需要，
但无法保证设备的稳定可靠运行。故在设计过程
中遇到此类问题时应根据工艺条件的不同，全面
考虑工艺和设备因素，从而确保设备的安全、稳定
和长周期运行。
参考文献
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中国石化出版社，2007．
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术监督局，1999．
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[7] 马万顺．换热器管柬使用中存在问题的探讨[J]．
石油化工设备技术，2004。(4)：8—10．
(收稿日期：2013-01-30，修回日期：2013-02-24)
(Continued from Page 1 83)
XU Xiao．danl．ZHAO Jian．pin92
(1．Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Instau抛，Nanjing 211178，China；
2．School ofMechanical and Power Engineering。Nanjing University ofTechnology，Nanjing 211816，China)
Abstract The fracture mechanics was used to analyze the safety of hydrogen equipment’S desorbed gas mix—
ture tank where a mechanical scratch 130mm in length and 2mm in depth can be found．The assessment resuIt
shows that this defect can be accepted．
Key words mixture tank，hydrogen equipment，fracture mechanics，mechanical scratch，safety analysis

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