加氢缓冲罐火灾后的安全评定

加氢缓冲罐火灾后的安全评定

孙斌（江苏省特种设备安全监督检验研究院扬州分院）

徐新军 (江苏省特种设备安全监督检验研究院盐城分院)

摘要：压力容器的火灾事故时有发生，受火灾影响的压力容器的损坏程度及其能否继续使用涉及装置的安全可靠与经

济运行。提出了加氢缓冲罐火灾后的检测和安全评定方法，按过火温度分析、金相分析以及强度评定等步骤。对火灾

事故后的某加氢缓冲罐进行了检验及安全评定。分析结果表明该加氢缓冲罐能够正常使用。

关键词：加氢缓冲罐；检验；安全评定

Inspection and Safety Assessment of Hydrogenation Buffer Tank in Fire

Sun Bin, Dong Jinshan

Abstract：The fire accidents of pressure vessel occur at times. The extent of damage of pressure vessel and the possibility of its continual use have much to do with the safety of equipment and economic. Then hydrogenation buffer tank fire detection and security assessment are brought forward. Just check some hydrogenation buffer tank and assess its safety right after the fire accident through fire thermal analysis, metallographic analysis and strength assessment. The result shows that the hydrogenation buffer tank can work smoothly.

Keywords: Hydrogenation buffer tank; Inspection; Safety assessment

引言

缓冲罐是工业生产中的常用设备，被广泛应用于中央空调、锅炉、热水器等设备中，其缓冲系统压力波动，起到稳压卸荷的作用，能保证系统的压力稳定。在火灾事故中，压力容器会受到加热及冷却过程的影响，造成不同程度的损伤，其受火灾损坏的程度关系到在用压力容器能否继续使用。对于企业而言，火灾事故后希望在最短的时间内恢复生产。这就要求尽可能少地更换受火设备。因此，通过检验、力学试验及分析，对受火压力容器的损伤程度及其安全性进行迅速、高效地检验和评定具有重要的意义[1]。

某公司的加氢缓冲罐发生火灾事故后处于停用状态，对生产产生了重大影响。加氢缓冲罐的设计压力为6.19 MPa，罐体壁厚为54 mm，罐体材料为13MnNiMoNbR，物料为甲醇、氢气以及少量其他物质。本文以该加氢缓冲罐的安全评定为例，提出一种缓冲罐的安全评定方法，从而为该种情况下的同类压力容器的安全评定提供参考。

1 火焰中心温度的计算机模拟

1.1 计算条件

加氢缓冲罐内物料温度为43℃，当液位计上下阀门打开后，液位计贯通，为40%液位，法兰泄漏为液体物料，内部液体为甲醇，泄漏点距缓冲罐壁面350mm，方向Z轴30°，X轴约225°，罐内压力为6MPa，加氢缓冲罐的过火时间约为1小时。

1.2 加氢缓冲罐壁面最高温度计算

采用fluent软件对火焰的热辐射进行模拟[2]。首先，运用Gambit建立物理模型，如图1所示。

图1 物理模型

中间的小圆柱看成是火焰，外部的大圆柱则是所要研究的辐射场的范围。选择材料物性，定义带化学组分混合与反应的湍流流动边界条件。使用分离变量求解器初始化并求解燃烧模型。网格划分的类型为successive ratio，ratio选1，spacing选4，interval count。边界条件为缺省边界wall。为了得到燃烧火焰对反应器壁面的影响，在离火焰350 mm处切一个面，得到其温度分布以及辐射热分布，如图2和图3所示：

图2 温度分布图

图3 辐射热分布图

得到火焰中心的最高温度为1398K ，此温度只是燃烧的辐射热在距离泄漏口350 mm 处的温度，并不是实际的壁面温度，辐射到罐体壁面时，由于原始壁面温度较低，会导致实际温度的下降，实际壁面温度的计算则需参考其他的计算方法。 1.3 壁面温度的工程估算

泄漏量计算：

M M

m V n ρ⨯=

= (1) 式中：n ——泄漏量，mol;

m ——质量，kg;

M ——甲醇的摩尔质量，kg/mol ； ρ——密度，kg/m 3 V ——体积，m 3。

代入数据，计算得泄漏量n 为414750 mol 。 甲醇燃烧热计算[3]：

()()2

1

04,4t f m

p m t

H H

CH O C CH O dT

⎡⎤∆=∆+⎣⎦⎰(2)

式中：H ∆——甲醇的燃烧焓，J/mol ；

()

4

f m H CH O ∆——标准状况下甲醇的燃烧焓，J/mol;

()21

,4t p m t C CH O dT

⎡⎤⎣⎦⎰

——1t 到

2t 温度下甲醇的液化焓，J/mol;

1t ——标准状况下的温度，298K ；

2t ——火焰中心的最高温度，1398K 。

代入数据，计算得甲醇的燃烧焓为726510 J/mol 加氢缓冲罐受辐射面积：

A DH απ= (3)

式中：A ——受辐射面积，m 2;

α——并非整个罐体完全收到辐射，实际

辐射面积取罐表面积的2/3;

D ——罐体的底面直径，m ； H ——罐体高度，m 。

代入计算得加氢缓冲罐受辐射面积为46.45 m 2。

热流密度：

n H

q tA

⨯∆=

(4) 式中：q ——热流密度，W/m 2;

n ——泄漏量，mol;

H ∆——甲醇的燃烧焓，J/mol ； t ——大火燃烧的时间，取值3600s ； A ——罐体的受辐射面积，m 2。

代入计算得热流密度为1801937.7 W/m 2。 甲醇在燃烧的过程中，其热量是向着四面八方传播的，因而作用到缓冲罐上的热量只是总热量的一部分。此处，由于缓冲罐离火焰只有350 mm ，因而估计辐射到壁面的热量是总热量的一半，即热流密度为900968.9 W/m 2。

由于甲醇在燃烧过程中热量以复合换热的形式散出，因此在计算时必须同时考虑辐射、对流以及导热三种换热方式。由于现场装置较多，对流的影响较小，因此只考虑辐射换热以及导热，而且导热与辐射是非耦合状况，从而得到：

()()441232q T T T T λ

σδ

=-+

- (5) 式中：σ——辐射常数，取值5.67×10-8； λ——反应器壁的导热系数；取值为49.8； δ——壁厚，取值54 mm ；

T 1、T 2、T 3分别为火焰中心温度、反应器

内环境温度以及反应器外壁面温度，T 1取模拟得到的火焰中心的最高温度1398 K ，T 2取值316 K 。

带入数据，计算得到：T 3=934.9K=661.75℃。即火灾条件下理论计算得到加氢缓冲罐的外壁温度为661.75℃。该温度略高于JB/T 4709-2000中材料13MnNiMoNb 规定的焊后热处理温度640℃。进一步对其进行金相分析。

2 金相分析

金相检测的方法为现场覆膜，并且机械抛光至镜面，腐蚀方法为用5％硝酸-酒精溶液擦拭[4]，检测温度25℃，采用的设备是OL YMPUS-PME3金相显微镜。在加氢缓冲罐上选择10个点进行金相试验，其分布如图4所示。

图4 金相实验部位图