论文部分内容阅读
摘?要 针对一起压缩天然气站安全阀超压频跳引起的管座接管损坏事故，分析原因，探讨预防措施。
关键词 CNG；管座接管破坏；事故分析
中图分类号 TM621 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）112-0147-01
1 基本概况
我市某CNG（压缩天然气）站设计供气能力每小时4000立方米、储气量1万立方米，设置了3个卸气车位，调压撬1台，两根埋地储气管（φ1020×12）相距3米并列排立。设计压力：卸车管系统P=25 MPa，调压撬为两级减压压力分别P=4 MPa、P=0.4 MPa，储气管P=4 MPa；设计温度：卸车管道系统、调压撬连接管道系统、储气管均为常温；设计使用材料：卸车管道系统为0Cr18Ni9（GB/T14976-2002）、调压撬连接管道系统为20（GB/T8163-2008）、20（GB3087-1999）、储气管X65（GB/9711.11-1997）。
该CNG站管道系统试运行时正值寒冬，操作人员为避寒违章操作擅自提高调压器工作压力加快卸气速度且脱离操作岗位，造成储气管道连接管安全阀超压频跳时没有及时处置，导致了安全阀管座接管在安全阀排放反冲力形成力矩作用下撕裂破坏。发生事故时是夜晚时间，由于气站地处偏僻，人员及车辆稀少，加之事故后期处置得当，没有造成人员伤害及财产重大损失。
2 事故原因分析
2.1 现场操作情况及设备状况检查
1）现场询问调查及设备检查，操作人员违章操作擅自提高调压器工作压力导致安全阀频跳，加之操作人员脱离操作岗位未能在第一时间内控制频跳，造成了安全阀一段时间内一定量的持续排放。
2）安全阀排气管管道高度达3.5米，增加侧排气弯头。安全阀管座接管及排气管道没有任何支架固定。安全阀管座接管断裂口及安全阀倾覆方向与排气反冲力方向一致（见图1：损坏现场、图2：断裂破坏口）。
图1 损坏现场 图2 断裂破坏口
2.2 破坏断口形貌检查
断口表面无氧化色，无腐蚀痕迹，无夹杂物；宏观断口与安全阀排气管排气时形成的反冲力力矩最大剪切应力方向一致，与最大正应力约呈45。交角。通过破坏断口形貌判断该断口为韧性材料在切应力作用下的切断型断裂。
2.3 破坏断口受力分析
安全阀超压频跳时排气管向侧面排气形成反冲力，在无任何固定支架固定情况下，通过排气管形成反冲力力矩作用在安全阀管座接管上，并在安全阀管座接管上形成剪切应力，如果剪切应力大于材料许用应力，则会造成安全阀管座接管韧性破坏。
2.4 破坏断口应力计算
已知：进口管内径d=50 mm，气体进口流速v=15 m/s（设定），气体密度p =0.7174 Kg/m3（查表）。
1）计算：压力容器安全泄放量：
Ws=2.83×10-3×p×v×d2=76.134 Kg/h。
已知：安全阀出口侧压力（绝压）Po=0.1 MPa，安全阀整定压力Ps=4 MPa。
2）计算：安全阀排放压力（绝压）
Pd=1.05×Ps+0.1=4.3 MPa。
已知：气体绝热指数（天然气）K=CP/CV=1.31，气体特征系数（查表）C=348，气体摩尔质量（查表）M=16 Kg/Kmol，气体温度T=t+273=293 K，气体在操作温度压力下压缩系数（查图）Z=0.95。
3）计算：气体临界条件判定Po/Pd=0.023，[2/（K+1）]K/（K-1）=0.544，因为Po/Pd<=[2/（K+1）]K/（K-1），故符合临界条件。
已知：选用安全阀喉径do=32 mm。
4）计算：安全阀排气管出口反冲力
F=Ws/3600×v+（Pd-P0）×3.14/4×do×do=76.134/3600*15+（4.3-0.1）*3.14/4*32*32=3376.4 N。
已知：安全阀排气管放散口距离DN80管高度L1=3.5 m，断裂口距离DN80管高度L2=0.05 m，安全阀管座接管管环管净截面积（采用D57×3.5规格无缝钢管）A1=588.263 mm2。
5）计算：安全阀管座接管断裂口剪切应力σ=F×L1/L2/A1。
σ=3376.4*3.5/0.05/588.263=401.8 MPa。
安全阀管座接管材料为20（GB3087-1999）无缝钢管，标准规定强度值σb=410 MPa，σs=245，20℃许用应力137 MPa。
综上所述：通过现场检查和安全阀超压频跳时排气管反冲力计算得出因安全阀超压频跳时作用在安全阀管座接管上反冲力力矩形成的剪切应力接近安全阀管座接管材料抗拉强度，大大超过材料屈服强度和材料许用应力，从而造成安全阀管座接管材料断裂失效破坏。
图3 损坏前结构示意 图4 整改后结构示意
3 预防措施探讨
安全阀安装位置、排气管高度和排气方向在设计中应进行阀门开、关时的动载分析和计算，必须采用合适的固定支架形式有效消除安全阀排气时反冲力对接管等管件的影响。（见图4）
1）施工安装及安装监督检验过程中应严格按有关规范和设计图纸对安全阀管座接管强度、排放口高度和方向、排放管支架形式及强度、刚度进行检查。
2）加强员工安全知识的培训，特别是安全附件的原理特点、维护保养方法以及事故预案演练，操作人员应严格遵守执行安全规章制度、操作规程，禁止违章行为。
3）本次事故后对安全阀排气管道进行了改造，增加防雨帽直接向上排放，排气管道下部增加固定支架（见图4整改后结构示意）。
参考文献
[1]GB/T20801.1～6-2006压力管道[M].
关键词 CNG；管座接管破坏；事故分析
中图分类号 TM621 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）112-0147-01
1 基本概况
我市某CNG（压缩天然气）站设计供气能力每小时4000立方米、储气量1万立方米，设置了3个卸气车位，调压撬1台，两根埋地储气管（φ1020×12）相距3米并列排立。设计压力：卸车管系统P=25 MPa，调压撬为两级减压压力分别P=4 MPa、P=0.4 MPa，储气管P=4 MPa；设计温度：卸车管道系统、调压撬连接管道系统、储气管均为常温；设计使用材料：卸车管道系统为0Cr18Ni9（GB/T14976-2002）、调压撬连接管道系统为20（GB/T8163-2008）、20（GB3087-1999）、储气管X65（GB/9711.11-1997）。
该CNG站管道系统试运行时正值寒冬，操作人员为避寒违章操作擅自提高调压器工作压力加快卸气速度且脱离操作岗位，造成储气管道连接管安全阀超压频跳时没有及时处置，导致了安全阀管座接管在安全阀排放反冲力形成力矩作用下撕裂破坏。发生事故时是夜晚时间，由于气站地处偏僻，人员及车辆稀少，加之事故后期处置得当，没有造成人员伤害及财产重大损失。
2 事故原因分析
2.1 现场操作情况及设备状况检查
1）现场询问调查及设备检查，操作人员违章操作擅自提高调压器工作压力导致安全阀频跳，加之操作人员脱离操作岗位未能在第一时间内控制频跳，造成了安全阀一段时间内一定量的持续排放。
2）安全阀排气管管道高度达3.5米，增加侧排气弯头。安全阀管座接管及排气管道没有任何支架固定。安全阀管座接管断裂口及安全阀倾覆方向与排气反冲力方向一致（见图1：损坏现场、图2：断裂破坏口）。
图1 损坏现场 图2 断裂破坏口
2.2 破坏断口形貌检查
断口表面无氧化色，无腐蚀痕迹，无夹杂物；宏观断口与安全阀排气管排气时形成的反冲力力矩最大剪切应力方向一致，与最大正应力约呈45。交角。通过破坏断口形貌判断该断口为韧性材料在切应力作用下的切断型断裂。
2.3 破坏断口受力分析
安全阀超压频跳时排气管向侧面排气形成反冲力，在无任何固定支架固定情况下，通过排气管形成反冲力力矩作用在安全阀管座接管上，并在安全阀管座接管上形成剪切应力，如果剪切应力大于材料许用应力，则会造成安全阀管座接管韧性破坏。
2.4 破坏断口应力计算
已知：进口管内径d=50 mm，气体进口流速v=15 m/s（设定），气体密度p =0.7174 Kg/m3（查表）。
1）计算：压力容器安全泄放量：
Ws=2.83×10-3×p×v×d2=76.134 Kg/h。
已知：安全阀出口侧压力（绝压）Po=0.1 MPa，安全阀整定压力Ps=4 MPa。
2）计算：安全阀排放压力（绝压）
Pd=1.05×Ps+0.1=4.3 MPa。
已知：气体绝热指数（天然气）K=CP/CV=1.31，气体特征系数（查表）C=348，气体摩尔质量（查表）M=16 Kg/Kmol，气体温度T=t+273=293 K，气体在操作温度压力下压缩系数（查图）Z=0.95。
3）计算：气体临界条件判定Po/Pd=0.023，[2/（K+1）]K/（K-1）=0.544，因为Po/Pd<=[2/（K+1）]K/（K-1），故符合临界条件。
已知：选用安全阀喉径do=32 mm。
4）计算：安全阀排气管出口反冲力
F=Ws/3600×v+（Pd-P0）×3.14/4×do×do=76.134/3600*15+（4.3-0.1）*3.14/4*32*32=3376.4 N。
已知：安全阀排气管放散口距离DN80管高度L1=3.5 m，断裂口距离DN80管高度L2=0.05 m，安全阀管座接管管环管净截面积（采用D57×3.5规格无缝钢管）A1=588.263 mm2。
5）计算：安全阀管座接管断裂口剪切应力σ=F×L1/L2/A1。
σ=3376.4*3.5/0.05/588.263=401.8 MPa。
安全阀管座接管材料为20（GB3087-1999）无缝钢管，标准规定强度值σb=410 MPa，σs=245，20℃许用应力137 MPa。
综上所述：通过现场检查和安全阀超压频跳时排气管反冲力计算得出因安全阀超压频跳时作用在安全阀管座接管上反冲力力矩形成的剪切应力接近安全阀管座接管材料抗拉强度，大大超过材料屈服强度和材料许用应力，从而造成安全阀管座接管材料断裂失效破坏。
图3 损坏前结构示意 图4 整改后结构示意
3 预防措施探讨
安全阀安装位置、排气管高度和排气方向在设计中应进行阀门开、关时的动载分析和计算，必须采用合适的固定支架形式有效消除安全阀排气时反冲力对接管等管件的影响。（见图4）
1）施工安装及安装监督检验过程中应严格按有关规范和设计图纸对安全阀管座接管强度、排放口高度和方向、排放管支架形式及强度、刚度进行检查。
2）加强员工安全知识的培训，特别是安全附件的原理特点、维护保养方法以及事故预案演练，操作人员应严格遵守执行安全规章制度、操作规程，禁止违章行为。
3）本次事故后对安全阀排气管道进行了改造，增加防雨帽直接向上排放，排气管道下部增加固定支架（见图4整改后结构示意）。
参考文献
[1]GB/T20801.1～6-2006压力管道[M].