蒸煮管筒體爆炸事故分析

周 波 王家幫

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州，450016)

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蒸煮管筒體爆炸事故分析

周 波 王家幫

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州，450016)

根據一起造紙廠制漿車間橫管連蒸設備蒸煮管爆炸事故的情況，結合蒸煮管設計制造和現場爆炸狀況，通過對蒸煮管進行材質化學成分分析、力學性能試驗、壁厚測量和計算、微觀組織檢驗等，同時對爆炸殘留物的成分進行分析，以找出事故原因。分析結果表明，事故發生的主要原因是腐蝕和磨損的共同作用；為避免同類事故的發生筆者提出了改進建議和預防措施。

蒸煮管；爆炸；事故；分析

蒸煮裝置是制漿的主要設備，既可用于化學、半化學及生物制漿，又能用于化機漿和生物機械漿的預處理。在實際工作中，由于腐蝕、磨損等原因，蒸煮管筒體可能遭受破壞，如發生撕裂，會造成生產事故。因此，要及時檢測蒸煮管筒體的工作狀態并做出科學的判斷，才能防止事故的發生。

本研究對一起造紙廠制漿車間橫管連蒸設備蒸煮管爆炸事故進行分析，通過對蒸煮管爆炸部分及內部黑色殘余物材質進行化學成分分析、力學性能試驗、壁厚測量和計算、微觀組織檢驗等，找出了該蒸煮管筒體發生爆炸的原因。并結合蒸煮管實際運行情況提出了一些改進建議，給出了采取的預防措施和防止同類事故再次發生的解決方法。

1 事故簡況

2016年2月，某造紙廠制漿車間蒸煮工段橫管連蒸設備連續一段蒸煮管發生撕裂爆炸，致使160℃的木漿噴出，造成一名過路員工燙傷致死。事故發生時設備運行正常，各項操作參數均正常。發生爆炸的蒸煮管于2010年9月出廠安裝、調試，2013年8月投料生產。該蒸煮管的制造標準是依據國家標準GB150—1998《鋼制壓力容器》《固定式壓力容器安全技術監察規程》以及企業標準。該設備設計壓力1.0 MPa；設計溫度185℃。

橫管連蒸設備蒸煮采用五管燒堿法(氫氧化鈉溶液)，原料為楊木木片。蒸煮工藝條件為：用堿量18%～20%；堿液濃度(110±10)g/L；液比1∶2.8～3.0；蒸煮總時間：(70±10)min；蒸煮壓力(0.75±0.5)MPa；蒸煮溫度(170±10)℃。

2 蒸煮管爆炸部分檢查

蒸煮管發生爆炸時，產生一大一小2個破口，破口距出料端支座約1 m，斷口長度近1 m，小的破口殘片從設備本體脫離，大的破口彎曲成與蒸煮管筒體平行方向。圖1所示為蒸煮管爆炸后主體部分的形貌情況。經現場查勘，筒體內部有明顯的減薄區域，減薄區內具有金屬光澤，該區域與其他區域有明顯的分界，斷口就在減薄區。由圖1可以看出，該蒸煮管筒體在發生爆炸前，由蒸煮管底部開裂，斷口面為未明顯發生塑性變形的纖維斷口，筒體中下部發現有黑色殘留物質。

圖1 蒸煮管爆炸后筒體部分形貌

取樣方法機械切割檢測部位筒體破損殘片儀器型號PDA-7000儀器編號B15044801024分析方法直讀光譜法分析方法標準GB/T4336—2002取樣位置圖序號取樣位置標稱材質元素及含量/%CSiMnSPCrNiCu備注1筒體(黑色矩形部位)Q235-B0.1610.1220.4510.0120.0130.0190.0090.012-分析結果:經直讀光譜成分分析,其化學成分符合GB/T3274—2007《碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》中對Q235-B的成分規定。

3 蒸煮管及爆炸相關材料分析

在事故現場，對蒸煮管爆炸部分及內部黑色殘余物進行取樣分析。已知該蒸煮管材質為Q235-B，交貨狀態為熱軋。

3.1 蒸煮管材質化學成分分析

對蒸煮管爆炸后殘片采用島津PDA-7000直讀光譜儀進行材質化學成分分析，分析結果見表1。依據GB/T 3274—2007《碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》可以判定，材料中的C、Si、Mn、S、P等元素含量符合要求。

3.2 蒸煮管材質的力學性能分析

對蒸煮管爆炸后殘片采用電子萬能試驗機和金屬擺錘沖擊試驗機進行材質力學性能分析，分析結果見表2。依據GB/T 3274—2007《碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》可以判定，材料力學性能符合標準要求。

3.3 蒸煮管材質的硬度分析

對蒸煮管爆炸后殘片采用觸摸屏維式硬度計進行材質硬度試驗，分析結果見表3。測試結果表明，蒸煮管材質硬度相對均勻，主要集中在135～150 HB之間波動，未見異常。

表2 蒸煮管材質力學性能分析

表3 蒸煮管材質硬度試驗

圖2 蒸煮管材料爆破口較薄部位厚度方向剖面微觀形貌

測量儀器型號CTS-30A測量儀器編號546311131340測量儀器精度±0.1mm耦合劑工業漿糊設計厚度(mm)(筒體)18.0mm——實測最小壁厚(筒體)5.4mm——表面狀況原始表面實測點數26測厚點部位圖測厚記錄測點編號測點厚度測點編號測點厚度測點編號測點厚度測點編號測點厚度測點編號測點厚度測點編號測點厚度117.1217.2317.3417.6517.5614.5715.1812.5913.2109.2118.8128.31311.51411.8157.2167.8176.9186.5196.0205.4215.5229.82310.32411.1257.5268.2--------測定結果:檢測點最小壁厚不滿足工作壓力下蒸煮管筒體的計算厚度。

3.4 蒸煮管的厚度測定

對蒸煮管爆炸后筒體各部位采用CTS-30A測厚儀進行厚度測定，測量結果如表4所示。由表4可以看出，蒸煮管筒體壁厚最大處17.6 mm，壁厚最小處5.4 mm。

測量結果表明，最小壁厚不滿足工作壓力下蒸煮管筒體的計算厚度。

3.5 蒸煮管的顯微組織分析

根據GB/T13299標準，爆炸的殘片經機械拋光、4%硝酸酒精腐蝕后采用AxioObserverA1m型金相顯微鏡對其進行顯微組織分析。圖2所示為蒸煮管材料爆破口較薄部位厚度方向剖面金相組織形貌，圖3所示為蒸煮管材料爆破口較厚部位厚度方向剖面金相組織形貌，圖4所示為蒸煮管材料拉伸試驗取樣部位厚度方向剖面金相組織形貌。由圖可以看出該蒸煮管材料微觀組織在厚度方向較為均勻，其微觀組織均為鐵素體+珠光體，符合GB/T3274—2007中Q235-B鋼熱軋狀態的組織要求。

圖3 蒸煮管材料爆破口較厚部位厚度方向剖面微觀形貌

圖4 蒸煮管材料拉伸試驗取樣部位厚度方向剖面微觀形貌

3.6 蒸煮管內表面黑色殘留物成分分析

蒸煮管爆炸后在內部中下部發現存在一層黑色殘留物，對其物相結構進行分析。分析采用XPertPro的X射線衍射儀，分析結果見圖5，經檢測其有機成分主要為Na3H(CO3)2(H2O)2。

4 蒸煮管筒體爆炸原因分析

依據GB/T30579—2014《承壓設備損傷模式識別》第4.16條，碳鋼在66℃以上的高濃度苛性堿液中會產生嚴重腐蝕，在介質濃縮區會形成局部溝槽。根據壁厚測量結果可知，筒體內部與燒堿溶液接觸的部位均存在減薄現象，局部高濃度部位腐蝕越嚴重。碳素鋼在NaOH溶液中的腐蝕機理是碳鋼中的Fe與水蒸氣發生化學反應：

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

反應過程中，NaOH起催化作用，其過程是：

3Fe+7NaOH→Na3FeO3+2Na2FeO2+7[H]

Na3FeO3+2Na2FeO2+4H2O→Fe3O4+7NaOH+[H]

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

蒸煮管的本體材料為Q235-B，操作溫度為165℃，蒸汽壓力0.75MPa，運行過程中加入了燒堿溶液 (氫氧化鈉溶液)，在這種蒸煮環境中，物料被螺旋推進器上的螺旋葉片推動通過蒸煮管作恒速運動。藥液、蒸汽連續不斷地與原料密切混合、反應。木漿與管壁連續摩擦、腐蝕，破壞了碳素鋼表面的鈍化保護膜，使得蒸煮管內表面始終保持活化狀態，活化表面比鈍化表面的腐蝕速度大得多，同時高溫的堿性環境也加快了管壁的腐蝕、磨損速度。

圖5 破損殘片的XRD分析圖

根據以上情況，結合GB/T30579—2014有關規定，碳鋼和300系列不銹鋼材料不適合此種溫度的堿性環境。另外，在最苛刻條件下，堿濃度超過5%(質量分數)時，堿應力腐蝕開裂就可能發生，并且隨著堿液濃度的進一步升高，堿應力腐蝕開裂的可能性同時升高；在設備內部焊接殘余應力和加工殘余應力的共同作用下，極易造成應力腐蝕開裂。綜上，應從合理選材上考慮選用合金400和一些其他鎳基合金等腐蝕速率較低的材料。

由圖1(c)可看出，蒸煮管底部設計有一條防滑帶，在防滑帶一側存在一條明顯的腐蝕溝槽，溝槽內部較為光滑，腐蝕產物較少。一般認為腐蝕溝槽的形成與介質的腐蝕性及介質的流動狀態有關，其中流動狀態對溝槽腐蝕影響較大。圖6所示為蒸煮管底部防滑條兩側介質流動狀態示意圖，圖6中A點和C點處受到的沖蝕作用最大。A點遭到微粒的直接碰撞，而在C點附近，流體中的微粒幾乎以垂直方向撞擊器壁，因此，A點和C點受到的沖蝕作用最大，最終形成溝槽。

圖6 蒸煮管底部防滑條兩側流動狀態示意圖

楊木木片中不可避免會混有一定量的泥沙等固體顆粒物，混有固體顆粒物的木漿在葉輪的作用下，沿管壁方向流動，當受到防滑條阻擋后，形成湍流，腐蝕及磨損速率增大。

企業標準中對蒸煮器的規格、尺寸做了規定。標準中給出的蒸煮管的最大直徑為1520mm。而該臺蒸煮管的直徑為2100mm，直徑增加，在相同葉輪轉速條件下，管壁附近木漿的流速相應提高。腐蝕介質的流速變化對金屬材料的腐蝕有著重要的影響，隨著流速的增加，促進了腐蝕介質的供給量，腐蝕速率加快。另外，由于金屬和液體間的剪切應力作用使腐蝕產物從金屬表面剝落，金屬表面的鈍化膜消失后，下層金屬會快速腐蝕。

綜上所述，腐蝕和磨損的共同作用導致筒體厚度減薄，使之不能夠承受內部壓力，最終發生撕裂爆炸。

5 結 語

這起橫管連蒸設備蒸煮管爆炸事故是比較典型的案例。蒸煮裝置的安全運行不僅與蒸煮管制造的產品質量相關，還與日常的正確維護、規范使用、嚴格管理和修理質量的控制相關。因此，為了減少事故的發生，國內造紙行業采用此類設備的企業應引起足夠重視，可以考慮從筒體材料、筒體規格、內部結構的設計和制造方面采取措施降低磨損和腐蝕速率；同時應加強檢驗檢測，通過縮短定期檢驗周期和加強年度檢查等手段及時發現隱患。

[1]WANGDao-wen,SHIXiao-dong.AnalysisoftheThinningoftheWalloftheCookingTubeinaContinuousDigestor[J].ChinaPulp&Paper, 2011, 30(2): 38. 王道文, 史曉冬. 橫管連蒸制漿系統中蒸煮管壁減薄的原因分析[J]. 中國造紙, 2011, 30(2): 38.

[2]GB/T3274—2007Hot-rolledplatesandstripsofcarbonstructuralsteelsandhighstrengthlowalloystructuralsteels[S].GB/T3274—2007碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板和鋼帶[S].

[3]GB150—1998Steelpressurevessels[S].GB150—1998 鋼制壓力容器[S].

[4]TSGR0005—2013PressureVesselPeriodicalInspectionRegulation[S].TSGR0005—2013 壓力容器定期檢驗規則[S].

[5]GB/T13299—1991Steel-Determinationofmicrostructure[S].GB/T13299—1991 鋼的顯微組織評定方法[S].

(責任編輯：馬 忻)

推進林業生態建設 加快發展林紙循環經濟

Analysis of the Digester Tube Explosion Accident

ZHOU Bo*WANG Jia-bang

(The Boiler Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province, Zhengzhou, He’nan Province, 450016)(*E-mail: 13838028079@139.com )

In order to search the causes of an accident of digester tube explosion in a pulping workshop, in addition to the field investigation, the chemical composition analysis and mechanical property test of the tube material, measurement of the wall thickness of the tube as well as composition analysis of the explosive residues were conducted, the analysis results indicated that the main cause of the accident was a combination of corrosion and abrasion of the tube. Finally the paper gave some suggestion to avoid the similar accident.

digester tube; explosion; the accident; analyze

周 波先生，高級工程師；主要從事鍋爐壓力容器安全檢測工作。

2017- 03- 15(修改稿)

TS95

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.07.011