不透性石墨設(shè)備封頭破壞原因分析及解決方法

（遼陽炭素依渤石墨設(shè)備有限公司，遼寧 遼陽 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，才能保護人民生命和財產(chǎn)安全。裝置安全穩(wěn)定運行，杜絕安全生產(chǎn)隱患，才能提高經(jīng)濟效益。

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

在大型PVC項目中，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)格型號大，為滿足生產(chǎn)工藝要求，石墨封頭的進出料口就要求開的很大，尤其是介質(zhì)是氣體的石墨設(shè)備。開大孔的石墨設(shè)備在開車時有發(fā)生封頭破壞引起物料泄漏，而不能正常開車，影響生產(chǎn)的情況。但一旦設(shè)備開起來，就不再發(fā)生破壞。

我們組織技術(shù)人員進行了詳細的工藝、設(shè)備運行、設(shè)備設(shè)計分析，在掌握第一手工藝技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，對該石墨換熱器從設(shè)計到安裝、開車提出幾點修改建議，解決了石墨換熱器上封頭破壞的問題。

1 石墨封頭強度計算分析

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)力來校核其強度。如圖1所示，在錐口（D1）處作一垂線，交端蓋的圓柱面上。由此點作平行于錐面的虛線，將虛線以內(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度[1]。

圖1 石墨封頭簡化模型圖

強度條件為：當σ＜[σ]時，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度，其值為石墨材料工藝評定報告中指定設(shè)計溫度下抗拉試驗平均值的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，安全系數(shù)選7.0）；

以上的計算方法，極為粗糙，結(jié)果偏于保守。

實際工作中遇到過封頭直徑1400mm，開孔直徑800mm，設(shè)計壓力0.1MPa。按此方法計算是通不過的。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。這樣案例已在國內(nèi)幾個大項目中得到應(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，尤其在安裝管道軸線與設(shè)備軸線不同軸管道時，管道自身重力大，加上安裝誤差，強力安裝極易造成石墨封頭破裂。

管道膨脹節(jié)也稱伸縮節(jié)、補償器。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。具有補償吸收管道軸向、橫向、角向熱變形，吸收設(shè)備振動，減少設(shè)備振動對管道的影響，吸收地震、地陷對管道的變形。

石墨封頭中心開孔，外配置石墨接管及金屬蓋板，即要進出料就要配備法蘭、墊片以便密封。因此實際上中心開孔圓形石墨封頭的圓平板部分承受的內(nèi)壓力已通過墊片、螺栓轉(zhuǎn)移到了金屬蓋板上。安裝時的螺栓預(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度，需要根據(jù)GB150校核外接法蘭螺栓載荷對石墨封頭的作用力。在保證封頭強度的基礎(chǔ)上，安裝管道時建議用戶在管道接口處設(shè)置膨脹節(jié)，這樣對強度低、脆性大的石墨設(shè)備能起到很好保護作用，大大避免了封頭破壞情況的發(fā)生。

3 金屬件強度計算分析

石墨換熱器上金屬件強度計算對有些石墨生產(chǎn)廠家不是強項，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)計時需結(jié)合GB150進行設(shè)計校核，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，開車時，要先通冷卻水后通熱物料，讓設(shè)備緩慢升溫。避免產(chǎn)生過大溫差應(yīng)力。

4 結(jié)語

針對開車時石墨封頭發(fā)生破壞，一旦運行起來，就不再發(fā)生破壞的情況，分析得出結(jié)論，主要是設(shè)備在安裝時螺栓預(yù)緊力和安裝應(yīng)力過大造成破壞，而不是單純的介質(zhì)壓力造成的。設(shè)計時應(yīng)予以足夠的重視。 從設(shè)計、安裝到使用等一系列改造后的石墨換熱器，再沒出現(xiàn)過封頭破壞情況，至今保持長期的穩(wěn)定運行，消除安全隱患，帶來了良好的經(jīng)濟效益。