不透性石墨設(shè)備封頭破壞原因分析及解決方法

（遼陽(yáng)炭素依渤石墨設(shè)備有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

0 引言

不透性石墨設(shè)備因具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和較好的導(dǎo)熱性能，廣泛地應(yīng)用于石油化工、氯堿工業(yè)、醫(yī)藥、磷酸與磷肥工業(yè)、三廢處理等領(lǐng)域。屬于壓力容器的不透性石墨設(shè)備需受TSG21-2006《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的監(jiān)管。保證產(chǎn)品安全，才能保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，杜絕安全生產(chǎn)隱患，才能提高經(jīng)濟(jì)效益。

今就實(shí)際工作中，遇到過(guò)的因石墨上封頭破壞而影響生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行的情況，談?wù)勛约嚎捶敖鉀Q方法。

在大型PVC項(xiàng)目中，經(jīng)常用到大面積的石墨換熱器，如：混合氣冷卻器，設(shè)備規(guī)格型號(hào)大，為滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，石墨封頭的進(jìn)出料口就要求開(kāi)的很大，尤其是介質(zhì)是氣體的石墨設(shè)備。開(kāi)大孔的石墨設(shè)備在開(kāi)車(chē)時(shí)有發(fā)生封頭破壞引起物料泄漏，而不能正常開(kāi)車(chē)，影響生產(chǎn)的情況。但一旦設(shè)備開(kāi)起來(lái)，就不再發(fā)生破壞。

我們組織技術(shù)人員進(jìn)行了詳細(xì)的工藝、設(shè)備運(yùn)行、設(shè)備設(shè)計(jì)分析，在掌握第一手工藝技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)該石墨換熱器從設(shè)計(jì)到安裝、開(kāi)車(chē)提出幾點(diǎn)修改建議，解決了石墨換熱器上封頭破壞的問(wèn)題。

1 石墨封頭強(qiáng)度計(jì)算分析

石墨換熱器的封頭是按薄壁的圓錐公式求最大周向拉應(yīng)力來(lái)校核其強(qiáng)度。如圖1所示，在錐口（D1）處作一垂線(xiàn)，交端蓋的圓柱面上。由此點(diǎn)作平行于錐面的虛線(xiàn)，將虛線(xiàn)以?xún)?nèi)的端蓋視為圓錐殼體，錐口處的環(huán)向拉應(yīng)力為最大主應(yīng)力。按此模型粗略估算圓端蓋的強(qiáng)度[1]。

圖1 石墨封頭簡(jiǎn)化模型圖

強(qiáng)度條件為：當(dāng)σ＜[σ]時(shí)，此封頭是安全的；

式（1）中，DC=D1+Scosθ，DC為密封面上平均直徑。

[σ]為材料的許用抗拉強(qiáng)度，其值為石墨材料工藝評(píng)定報(bào)告中指定設(shè)計(jì)溫度下抗拉試驗(yàn)平均值的80%除以安全系數(shù)6.0（毒性危害程度為極度或者高度危害介質(zhì)時(shí)，安全系數(shù)選7.0）；

以上的計(jì)算方法，極為粗糙，結(jié)果偏于保守。

實(shí)際工作中遇到過(guò)封頭直徑1400mm，開(kāi)孔直徑800mm，設(shè)計(jì)壓力0.1MPa。按此方法計(jì)算是通不過(guò)的。即使增加封頭厚度，錐角一旦確定，錐口處的最小壁厚也不再增加。最后我們采用上好的石墨原材料，來(lái)提高材料的許用應(yīng)力，并在石墨封頭上加設(shè)鋼制抱箍，將封頭所受的應(yīng)力由抱箍承擔(dān)一部分。石墨封頭這樣處理后即增加了石墨材料的利用率，降低了成本，又增加設(shè)備安全性。這樣案例已在國(guó)內(nèi)幾個(gè)大項(xiàng)目中得到應(yīng)用，并取得成功。

2 盡可能減少安裝應(yīng)力

經(jīng)反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后，我們發(fā)現(xiàn)還有原因可能導(dǎo)致封頭破裂。那就是在安裝管道時(shí)，尤其在安裝管道軸線(xiàn)與設(shè)備軸線(xiàn)不同軸管道時(shí)，管道自身重力大，加上安裝誤差，強(qiáng)力安裝極易造成石墨封頭破裂。

管道膨脹節(jié)也稱(chēng)伸縮節(jié)、補(bǔ)償器。管道膨脹節(jié)在一定范圍內(nèi)可軸向伸縮，也能在一定的角度內(nèi)克服管道對(duì)接不同的軸向而產(chǎn)生的偏移，能極大的方便管道的安裝與拆卸。具有補(bǔ)償吸收管道軸向、橫向、角向熱變形，吸收設(shè)備振動(dòng)，減少設(shè)備振動(dòng)對(duì)管道的影響，吸收地震、地陷對(duì)管道的變形。

石墨封頭中心開(kāi)孔，外配置石墨接管及金屬蓋板，即要進(jìn)出料就要配備法蘭、墊片以便密封。因此實(shí)際上中心開(kāi)孔圓形石墨封頭的圓平板部分承受的內(nèi)壓力已通過(guò)墊片、螺栓轉(zhuǎn)移到了金屬蓋板上。安裝時(shí)的螺栓預(yù)緊力也能造成封頭損壞而非內(nèi)壓造成損壞。

石墨封頭上平蓋部分的強(qiáng)度，需要根據(jù)GB150校核外接法蘭螺栓載荷對(duì)石墨封頭的作用力。在保證封頭強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，安裝管道時(shí)建議用戶(hù)在管道接口處設(shè)置膨脹節(jié)，這樣對(duì)強(qiáng)度低、脆性大的石墨設(shè)備能起到很好保護(hù)作用，大大避免了封頭破壞情況的發(fā)生。

3 金屬件強(qiáng)度計(jì)算分析

石墨換熱器上金屬件強(qiáng)度計(jì)算對(duì)有些石墨生產(chǎn)廠(chǎng)家不是強(qiáng)項(xiàng)，容易忽視。石墨封頭的上蓋板也屬受壓元件。它一旦產(chǎn)生變形，這種變形產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，使上封頭出現(xiàn)受力不均勻現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合GB150進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，使設(shè)備上蓋板與封頭保證平整度，蓋板厚度能保證受力后不發(fā)生變形，否則這種應(yīng)力集中如超出石墨件所能夠承受的極限，最終導(dǎo)致不透性石墨這種脆性材料出現(xiàn)破裂。

操作上也需注意，開(kāi)車(chē)時(shí)，要先通冷卻水后通熱物料，讓設(shè)備緩慢升溫。避免產(chǎn)生過(guò)大溫差應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)開(kāi)車(chē)時(shí)石墨封頭發(fā)生破壞，一旦運(yùn)行起來(lái)，就不再發(fā)生破壞的情況，分析得出結(jié)論，主要是設(shè)備在安裝時(shí)螺栓預(yù)緊力和安裝應(yīng)力過(guò)大造成破壞，而不是單純的介質(zhì)壓力造成的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以足夠的重視。 從設(shè)計(jì)、安裝到使用等一系列改造后的石墨換熱器，再?zèng)]出現(xiàn)過(guò)封頭破壞情況，至今保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行，消除安全隱患，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。