高温热油管线热胀冷缩的危害及预防控制

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摘要：延迟焦化装置因高温管线及设备的热胀冷缩发生了2起高温油泄漏事故，虽没有造成人员伤害及着火事故但对装置安全及长周期运行带来严重威胁。通过案例对装置的热膨胀危害进行分析并采取相应的预防控制措施，避免类似事故发生，保证装置安全长周期运行。

关键词：热膨胀 危害 应力 预防控制

1、热胀冷缩给装置安全运行带来的危害

在石油化工装置的设计及生产过程中，金属的热胀冷缩对生产及设备运行过程中造成的危害是必须要考虑的，设计考虑不当或不周就会对高温运行设备及管线造成破坏。

延迟焦化装置高温管线近2000米、高温设备18台。在生产过程中，焦炭塔属于间歇生产，温度剧烈变化频繁，在一个生焦周期焦炭塔由常温-250℃（半小时）-320℃（4小时）-420℃（20小时）-250℃（3小时）-80℃（1.5小时）-常温的温度变化过程，热胀冷缩对设备及管线的安全运行影响较大。延迟焦化装置因高温管线及设备的热胀冷缩发生了2起泄漏着火事故，虽没有造成人员伤亡但给装置安全及长周期运行带来严重威胁。

（1）2012年8月9日装置分炉停工，在分炉过程中，焦化加热炉紧急泄压线与甩油线跨线马鞍口处焊道出现泄漏，立即停止分炉改变分炉流程，避免了高温渣油泄漏发生着火事故。该处焊道由于热膨胀产生的应力集中在马鞍口处，导致焊道出现5cm的裂纹，引起泄漏。

（2）2011年7月20日9：30，操作员发现分馏塔预热阀（D108预热油气返塔）位置塔壁保温内向外冒烟，为防止泄漏严重着火，他立即将灭火蒸汽带插入保温内并及时联系车间技术人员及保温队。打开后发现内部着火，用蒸汽吹灭。灭火后确认预热阀短管与塔体连接补强圈下端焊道有约15mm的裂纹，预热时，加强板下端受力导致裂缝增大引起泄漏。泄漏部位处于分馏塔底高温油（380℃）段，如不及时发现，一旦泄漏着火可能引起重大火灾事故。

2、热膨胀的计算

管道的热膨胀是热力管道设计计算中首先要考虑的因素。工作钢管的热膨胀量按下式计算：

L=αL（t-t0）

式中：1 管道热膨胀量m

α 钢材的线膨胀系数m/（m℃）

L 管道的长度m

t 管道的工作温度℃

t0 管道的安装温度℃

例：DN250热油管道，工作钢管为φ273×7、外套钢管φ529×6，硅酸铝离心玻璃棉复合保温层厚度110mm，输送高温热油压力0.2MPa，最高温度380℃，管道安装温度20℃，求每米管道的热膨胀量。

参考《机械设计手册》查表得钢材的线膨胀系数α为12.9×10-6m/（m℃），代入公式

L=12.9×10-6×1×（380-20）

= 0.00464m

即每米管道热膨胀量为4.64mm

3、热膨胀造成事故的原因分析

（1）焦化预热油气线至分馏塔（见附图一）

A段长度为20米，通过计算最大热膨胀为4.64×20=9.28cm。在焦炭塔预热到最高温度（380℃）时，实测热膨胀距离为6cm。管线安装在常温下进行，分馏塔在生产过程中膨胀升高A段与支架平台的摩擦力减小导致A段膨胀方向向右延伸，使得阀门段管线受到向下的作用力，进而作用到阀门段与分馏塔连接的加强板，使得加强板下部焊道处受到向内挤压力的作用。预热结束后温度降低，管线回缩到原位。塔壁加强版下部焊缝长期受到向内挤压及回缩力的作用，导致焊接处疲劳过度而开裂。

（2）加热炉紧急泄压线与甩油线跨线马鞍口处焊道开裂（见附图二）

AE线为紧急泄压线、BC线为钢管甩油线长度为30米最高温度为300℃、A、B线相距1.2米。

通过计算最高温度时甩油线膨胀量为：

L=αL（t-t0）=12.9×10-6×30×（300-20） =10.8 cm

实际测量向右的膨胀距离为8cm。因此马鞍口焊道长期受到往复应力作用导致焊道开裂。

（3） 施工管理不严不细

在施工过程中，现场施工人员抢进度，不按设计要求安装托架或当架，导致管线膨胀造成危害。2005年焦化油气线改造，在安装油气线立管支架时，没有考虑到焦炭塔在生焦过程中，会由于热胀而升高（180cm），立管支架距钢结构横梁不足100cm，在检查过程中发现及时整改。

（4）设备管理存在漏洞

在日常生产过程中，车间虽然对装置设备进行了全面的检查，但仍有部分设备、管线、管件被遗漏，在设备管理上，要求不严，检查不细，没有及时对吊架、管线支架检修调整；对压力管线的安全监督不到位。

4、 热膨胀危害的预防控制措施

（1） 对焦炭塔油气预热线至分馏塔（见附图二）A段的支撑进行调整，消除因分馏塔升高导致A段管线局部悬空；在现场管线A段东侧端点，管线处于冷态时增加斜支撑，消除作用于塔壁的往复挤压力。

（2） 2012年大修对焦炭塔甩油线进行了改造，在焦炭塔7米平台下增加了两个U型湾，降低加热炉紧急泄压线与甩油线跨线东侧端点的膨胀量，实测为2cm，大大降低了在生产周期内马鞍口焊道开裂风险。

（3） 开展安全教育 提高认识

开展调查研究，认清现状，落实各级岗位安全责任。充分发挥电化教育可视性强、教育面广的优势，提高职工对热膨胀危害的认识。定期举办材料知识讲座，给职工讲解热膨胀对设备、管线造成的危害及防护措施。让每位职工都明白自己工作的职责，全员参与，共同维护好设备，为装置安全、长周期运行打下基础。

（4） 把好设计的源头 确保设备的本质安全

炼油、化工行业是一个充满易燃、易爆物质的行业，因此对设备的材质、几何参数等要求都非常严格，容不得半点闪失。设计部门不仅要根据装置不同的工况和介质选定几何参数，更重要的是还要选好材质。在高温高压部位，选用相应的膨胀系数低的材料。必要时，膨胀部位，可从设计上采取措施，增加其安全性。这是消除设备隐患、杜绝设备事故发生的首要关口。为了确保设计上的万无一失，使用单位也应当对设计图、资料进行认真的审查，消除设计上的漏洞。

（5） 加强工艺管理 严格工艺控制

严格按照工艺要求控制操作参数，防止设备管线温度剧烈变化，导致膨胀加剧引起设备管线泄漏。搞好设备日常管理 消除事故隐患保证设备的安全运行，首先要按规定做好日常维护管理工作，重大关键设备要落实特护管理，重要部位须重点监控，同时，认真落实日常巡回检查制，精心搞好平稳操作，严禁设备“三超”及带病运行；再是做好设备的预知、预测、预防工作，建立完善设备基础资料和技术档案，对压力容器、压力管道、安全附件等要按规定检验，特别是高温管线的吊架、支架在生产过程中及时调整，并定期开展设备状况技术分析和研究，对存在的问题尤其是危及安全生产的隐患，要分轻重缓急，从人力、物力、资金来源等方面积极创造条件整改，以提高设备安全可靠度，确保安全生产。

（6） 严把工程施工质量关 规范竣工资料

一是从材料的采购、交货上防止出现差错，严格把好材料采购和交货关，严格执行代用料审批制度，保证施工不留后患；二是严格执行基建工程质量终身负责制，对所有合金钢管线、管件实行安装前100%检验，安装后100%检验，装置第1次大修100%检验的3个100%检验制度；三是安装施工阶段，为了防止制造掺假或施工单位偷工减料、误用物料的情况出现，使用单位还要对设备、部件等进行测厚、光谱分析，以确保其几何参数和材质种类是否符合工艺要求，发现问题及时更换处理；四是严格审查工程竣工和装置大修交工资料，确保图纸、参数与实际相符。

5、 结 论

热膨胀危害严重威胁着企业的安全生产，装置设备满负荷运转面临极大的压力，我们要对热膨胀危害带来的危害给予足够的重视，采取有效的措施，消除热膨胀危害，为企业安稳长满优生产创造一个良好的安全环境。

参考文献：

[1]《机械设计手册》、《延迟焦化操作规程》、《石油化工施工安全技术规范》、《安全工程师务实手册》.