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压力容器与管道失效分析和安全评价 李鹤林院士报告 李鹤林 张平生 路民旭 1、压力容器和管道主要失效模式和原因 失效模式是失效的表现形式。 一般认为压力容器与管道的失效模式主要包括:断裂、变形、表面损伤和材料性能退化四大类。 考虑到压力容器与管道的特殊性,添加了爆炸和泄漏两种。 爆炸和断裂两种失效模式的后果是灾难性的。 压力容器与管道主要失效模式 1.2 主要失效原因 大量统计资料表明,压力容器与管道的主要失效原因包括运行操作、管理、设计制造、检测维修和外来损伤等方面。 重大事故可定性为:责任事故或设备事故。 压力容器与管道主要失效原因 2、压力容器与管道典型失效案例 2.1.1 西安“3·5”液化石油气站特大爆炸事故 1998年3月5日,西安液化石油气站2个400 m3球罐发生特大爆炸事故。 事故过程为:下午4:40发现1号球罐下部排污管道法兰泄漏,虽然消防战士和职工奋力抢救,但由于没有先进的堵漏技术,泄漏持续约3h,整个厂区充满了石油气,配电间电火花引爆,形成厂区大火,使球罐温度急剧升高,最终物理爆炸。 法兰泄漏与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关。事故性质确定为设备事故。 2.1.2 四川七桥输气站“7·18”爆炸事故等 1998年7月18日,四川大天池气田天然气管线七桥输气站分离器管道发生特大爆炸事故。 事故过程:7月17日在修复泄漏的法兰后,进行用天然气置换管道系统内的空气作业,置换气流速度为20.6m/s,远大于技术标准要求的小于5m/s,随后工作人员发现管道有升温、升压现象,进行了水冷降温和放空处理,效果不明显,在打开管道系统的一个阀门时发生了管道弯头处的爆炸。 爆炸管道弯头为20钢273×9无缝管弯制,材质正常。大的爆炸碎片有6块,最重的为18.8kg,飞出318m远。爆炸源区断口为塑性剪切,壁厚明显减薄,快速断裂区断口有人字纹,尖端指向源区。管道内发现有硫化铁产物。为了确定爆炸性质,在现场调查的数据基础上,进行了爆炸能量的估算,确认该事故为化学爆炸,是管道内天然气与空气混合达到爆炸极限,起因是管道内有氧存在使硫化物自燃。 1997年大庆油田、1998年中原油田发生的两起注天然气压缩机出口管爆炸事故,均为天然气的化学爆炸,与七桥事故相似。 2.1.3北京东方化工厂“6·27”特大火灾爆炸事故 1997年6月27日北京东方化工厂罐区发生了特大火灾爆炸事故,死亡20余人。 经过事故调查结论为:石脑油A罐“装满外溢”蒸发,造成大面积的石脑油气的爆炸、爆燃、燃烧,最后引起乙烯B罐的爆炸。 石脑油A罐“装满外溢”(“冒顶”)是整个事故的起因,显然应属于违章操作引起的责任事故。 2.1.4美国丁二烯铁路罐车的灾难性爆炸 20世纪90年代美国发生了一起丁二烯铁路罐车的灾难性爆炸事故。罐车长19m,外径305 4mm,筒体厚度15.9mm,封头厚度17.5mm,容积127m3。安全阀设置压力1.93MPa,材料相当于20Mn。 该罐车在3个月前的例行维修中未进行最后填充氮气的处理,即事故前罐车内是存有空气的。一列罐车在丁二烯储运场开始充装丁二烯,该罐车在最后充装位置,环境温度-5.6℃ ,约1.5h后,罐内压力达到0.79~0.83MPa。为了释放过高的压力,将罐车与放空管道相连,放空管道通向放空火炬装置,该装置可以点燃释放的气体。在打开放空管道时,现场人员看到一个小火炬点燃,但是只有几秒钟便熄灭。随后听到两个爆炸声在放空火炬装置,同时听到一个爆炸声在该罐车,并且有一个铅笔状火焰从安全阀急剧升起,高度达15m。随即该罐车剧烈爆炸,60余个碎片飞出,最远达195m,总重约5227kg。爆炸时,罐内丁二烯蒸气占有的空间为20%(约25m3)。 分析结论为罐车设计、选用材料、材料缺陷、罐车制造、维护使用均与丁二烯化学爆炸事故有关。爆炸是在安全阀打开(压力为1.93MPa)后,但是明显低于正常承载能力(2.76MP a)时发生的,显然与入孔一罐体连接结构不合理造成高度应力集中以及材料存在缺陷有关。 当然,如果罐车内没有空气存在,也不会引起丁二烯的爆炸。爆炸点火应当是打开放空管道时的静电火花。 防止措施:① 改善人孔一罐体连接结构设计,增加圆锥形过渡段 ,减少应力集中;②严格控制材料冶金质量;③防止违章操作,充装丁二烯以前罐车内一定要充氮惰性处理,并且充装丁二烯的压力不大于827kPa。 2.2 氢腐蚀(高温氢侵蚀)引起的蒸汽管道爆管事故 2.2.2 蒸汽管道爆管事故 1994年-1995年油田发生3起稠油热采用注蒸汽管道的爆管事故,损失达3000万元。湿蒸汽发生器(直流式锅炉)炉管同样发生多起爆管事故。事故中管道使用寿命最短的仅有43天,一般为一年左右。 注蒸汽管道材料为20g,管道尺寸为Φ127×14。蒸汽温度318~354℃,压力11
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