不透性石墨設備封頭破壞原因分析及解決方法

（遼陽炭素依渤石墨設備有限公司，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

不透性石墨設備因具有優良的耐腐蝕性能和較好的導熱性能，廣泛地應用于石油化工、氯堿工業、醫藥、磷酸與磷肥工業、三廢處理等領域。屬于壓力容器的不透性石墨設備需受TSG21-2006《固定式壓力容器安全技術監察規程》的監管。保證產品安全，才能保護人民生命和財產安全。裝置安全穩定運行，杜絕安全生產隱患，才能提高經濟效益。

今就實際工作中，遇到過的因石墨上封頭破壞而影響生產平穩運行的情況，談談自己看法及解決方法。

在大型PVC項目中，經常用到大面積的石墨換熱器，如：混合氣冷卻器，設備規格型號大，為滿足生產工藝要求，石墨封頭的進出料口就要求開的很大，尤其是介質是氣體的石墨設備。開大孔的石墨設備在開車時有發生封頭破壞引起物料泄漏，而不能正常開車，影響生產的情況。但一旦設備開起來，就不再發生破壞。

我們組織技術人員進行了詳細的工藝、設備運行、設備設計分析，在掌握第一手工藝技術資料的基礎上，對該石墨換熱器從設計到安裝、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，將虛線以內的端蓋視為圓錐殼體，錐口處的環向拉應力為最大主應力。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計溫度下抗拉試驗平均值的80%除以安全系數6.0（毒性危害程度為極度或者高度危害介質時，安全系數選7.0）；

以上的計算方法，極為粗糙，結果偏于保守。

實際工作中遇到過封頭直徑1400mm，開孔直徑800mm，設計壓力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力，并在石墨封頭上加設鋼制抱箍，將封頭所受的應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，又增加設備安全性。這樣案例已在國內幾個大項目中得到應用，并取得成功。

2 盡可能減少安裝應力

經反復現場調研后，我們發現還有原因可能導致封頭破裂。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。

管道膨脹節也稱伸縮節、補償器。管道膨脹節在一定范圍內可軸向伸縮，也能在一定的角度內克服管道對接不同的軸向而產生的偏移，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，吸收設備振動，減少設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壓力已通過墊片、螺栓轉移到了金屬蓋板上。安裝時的螺栓預緊力也能造成封頭損壞而非內壓造成損壞。

石墨封頭上平蓋部分的強度，需要根據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上，安裝管道時建議用戶在管道接口處設置膨脹節，這樣對強度低、脆性大的石墨設備能起到很好保護作用，大大避免了封頭破壞情況的發生。

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。它一旦產生變形，這種變形產生局部應力集中，使上封頭出現受力不均勻現象。設計時需結合GB150進行設計校核，使設備上蓋板與封頭保證平整度，蓋板厚度能保證受力后不發生變形，否則這種應力集中如超出石墨件所能夠承受的極限，最終導致不透性石墨這種脆性材料出現破裂。

操作上也需注意，開車時，要先通冷卻水后通熱物料，讓設備緩慢升溫。避免產生過大溫差應力。

4 結語

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