CNG站安全閥管座接管破壞事故原因分析

摘 要 針對一起壓縮天然氣站安全閥超壓頻跳引起的管座接管損壞事故，分析原因，探討預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞 CNG；管座接管破壞；事故分析

中圖分類號 TM621 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-（2012）112-0147-01

1 基本概況

我市某CNG（壓縮天然氣）站設(shè)計供氣能力每小時4000立方米、儲氣量1萬立方米，設(shè)置了3個卸氣車位，調(diào)壓撬1臺，兩根埋地儲氣管（φ1020×12）相距3米并列排立。設(shè)計壓力：卸車管系統(tǒng)P=25 MPa，調(diào)壓撬為兩級減壓壓力分別P=4 MPa、P=0.4 MPa，儲氣管P=4 MPa；設(shè)計溫度：卸車管道系統(tǒng)、調(diào)壓撬連接管道系統(tǒng)、儲氣管均為常溫；設(shè)計使用材料：卸車管道系統(tǒng)為0Cr18Ni9（GB/T14976-2002）、調(diào)壓撬連接管道系統(tǒng)為20（GB/T8163-2008）、20（GB3087-1999）、儲氣管X65（GB/9711.11-1997）。

該CNG站管道系統(tǒng)試運行時正值寒冬，操作人員為避寒違章操作擅自提高調(diào)壓器工作壓力加快卸氣速度且脫離操作崗位，造成儲氣管道連接管安全閥超壓頻跳時沒有及時處置，導(dǎo)致了安全閥管座接管在安全閥排放反沖力形成力矩作用下撕裂破壞。發(fā)生事故時是夜晚時間，由于氣站地處偏僻，人員及車輛稀少，加之事故后期處置得當(dāng)，沒有造成人員傷害及財產(chǎn)重大損失。

2 事故原因分析

2.1 現(xiàn)場操作情況及設(shè)備狀況檢查

1）現(xiàn)場詢問調(diào)查及設(shè)備檢查，操作人員違章操作擅自提高調(diào)壓器工作壓力導(dǎo)致安全閥頻跳，加之操作人員脫離操作崗位未能在第一時間內(nèi)控制頻跳，造成了安全閥一段時間內(nèi)一定量的持續(xù)排放。

2）安全閥排氣管管道高度達3.5米，增加側(cè)排氣彎頭。安全閥管座接管及排氣管道沒有任何支架固定。安全閥管座接管斷裂口及安全閥傾覆方向與排氣反沖力方向一致（見圖1：損壞現(xiàn)場、圖2：斷裂破壞口）。

圖1 損壞現(xiàn)場 圖2 斷裂破壞口

2.2 破壞斷口形貌檢查

斷口表面無氧化色，無腐蝕痕跡，無夾雜物；宏觀斷口與安全閥排氣管排氣時形成的反沖力力矩最大剪切應(yīng)力方向一致，與最大正應(yīng)力約呈45。交角。通過破壞斷口形貌判斷該斷口為韌性材料在切應(yīng)力作用下的切斷型斷裂。

2.3 破壞斷口受力分析

安全閥超壓頻跳時排氣管向側(cè)面排氣形成反沖力，在無任何固定支架固定情況下，通過排氣管形成反沖力力矩作用在安全閥管座接管上，并在安全閥管座接管上形成剪切應(yīng)力，如果剪切應(yīng)力大于材料許用應(yīng)力，則會造成安全閥管座接管韌性破壞。

2.4 破壞斷口應(yīng)力計算

已知：進口管內(nèi)徑d=50 mm，氣體進口流速v=15 m/s（設(shè)定），氣體密度p =0.7174 Kg/m3（查表）。

1）計算：壓力容器安全泄放量：

Ws=2.83×10-3×p×v×d2=76.134 Kg/h。

已知：安全閥出口側(cè)壓力（絕壓）Po=0.1 MPa，安全閥整定壓力Ps=4 MPa。

2）計算：安全閥排放壓力（絕壓）

Pd=1.05×Ps+0.1=4.3 MPa。

已知：氣體絕熱指數(shù)（天然氣）K=CP/CV=1.31，氣體特征系數(shù)（查表）C=348，氣體摩爾質(zhì)量（查表）M=16 Kg/Kmol，氣體溫度T=t+273=293 K，氣體在操作溫度壓力下壓縮系數(shù)（查圖）Z=0.95。

3）計算：氣體臨界條件判定Po/Pd=0.023，[2/（K+1）]K/（K-1）=0.544，因為Po/Pd<=[2/（K+1）]K/（K-1），故符合臨界條件。

已知：選用安全閥喉徑do=32 mm。

4）計算：安全閥排氣管出口反沖力

F=Ws/3600×v+（Pd-P0）×3.14/4×do×do=76.134/3600*15+（4.3-0.1）*3.14/4*32*32=3376.4 N。

已知：安全閥排氣管放散口距離DN80管高度L1=3.5 m，斷裂口距離DN80管高度L2=0.05 m，安全閥管座接管管環(huán)管凈截面積（采用D57×3.5規(guī)格無縫鋼管）A1=588.263 mm2。

5）計算：安全閥管座接管斷裂口剪切應(yīng)力σ=F×L1/L2/A1。

σ=3376.4*3.5/0.05/588.263=401.8 MPa。

安全閥管座接管材料為20（GB3087-1999）無縫鋼管，標準規(guī)定強度值σb=410 MPa，σs=245，20℃許用應(yīng)力137 MPa。

綜上所述：通過現(xiàn)場檢查和安全閥超壓頻跳時排氣管反沖力計算得出因安全閥超壓頻跳時作用在安全閥管座接管上反沖力力矩形成的剪切應(yīng)力接近安全閥管座接管材料抗拉強度，大大超過材料屈服強度和材料許用應(yīng)力，從而造成安全閥管座接管材料斷裂失效破壞。

圖3 損壞前結(jié)構(gòu)示意 圖4 整改后結(jié)構(gòu)示意

3 預(yù)防措施探討

安全閥安裝位置、排氣管高度和排氣方向在設(shè)計中應(yīng)進行閥門開、關(guān)時的動載分析和計算，必須采用合適的固定支架形式有效消除安全閥排氣時反沖力對接管等管件的影響。（見圖4）

1）施工安裝及安裝監(jiān)督檢驗過程中應(yīng)嚴格按有關(guān)規(guī)范和設(shè)計圖紙對安全閥管座接管強度、排放口高度和方向、排放管支架形式及強度、剛度進行檢查。

2）加強員工安全知識的培訓(xùn)，特別是安全附件的原理特點、維護保養(yǎng)方法以及事故預(yù)案演練，操作人員應(yīng)嚴格遵守執(zhí)行安全規(guī)章制度、操作規(guī)程，禁止違章行為。

3）本次事故后對安全閥排氣管道進行了改造，增加防雨帽直接向上排放，排氣管道下部增加固定支架（見圖4整改后結(jié)構(gòu)示意）。

參考文獻

[1]GB/T20801.1～6-2006壓力管道[M].