尿素装置蒸发系统视镜破裂原因分析及改造

秦海涛

摘  要：通过对三次视镜玻璃的破损的原因分析，找到了视镜玻璃破烂的主要原因及次要原因，并提出了硼硅玻璃视镜在北方冬季长期安全使用的措施。

关键词：视镜玻璃  硼硅玻璃   破裂

1  前言

Stamicarbon尿素工艺在二段蒸发分离器S-402下液处存在有尿液视镜SG-4101，用于观察二段蒸发下液情况、校验尿液液位、判断S402设备运行情况,在生产运行中对尿素成品质量的控制有较大的帮助。但是我公司尿素装置的此视镜自安装后破裂了3次，三次都为装置开车前的水联运阶段，内部介质为低压蒸汽冷凝液，压力0.4MPa，温度90℃。2011年7月，视镜玻璃第一次发生破裂，此时环境温度为零上10℃左右。 2011年11月，迎风侧玻璃破裂，环境温度为零下30℃。2012年4月，背风侧玻璃破裂，环境温度为零下10℃左右。

视镜玻璃的破裂给安全生产及装置稳定运行带来了极大的隐患，必须予以解决。通过了解几个相同工艺尿素厂对于此视镜的使用情况，发现位于云南的股份公司的视镜近十几年没有破碎过，而位于北方黑龙江的黑化及大庆尿素厂均发生过破裂现象，目前都在视镜玻璃处安装了钢制盲板，不再使用此视镜。但是我公司为新建装置，目前为低负荷开车，生产运行还不稳定，不使用此视镜就无法判断二段蒸发的下液情况，从而给生产运行造成了极大的困难。公司使用的视镜玻璃与这三个尿素厂使用的视镜玻璃均为钢化硼硅玻璃，但是使用的结果却完全不同，本文针对呼伦贝尔的金新化工几次尿素装置破裂的原因进行分析探讨，从而找出相应的解决办法。

2  视镜安装位置 

SG-4101视镜位于尿素装置框架5楼楼层，二段蒸发分离器S-402尿液出口去熔融尿素泵P-401A/B管线的垂直管段处，安装位置见图1：

图1 尿液视镜SG-4101安装位置图

3  视镜工艺参数及结构特点

3.1 视镜主要工艺参数见表1

表1视镜主要工艺参数

工艺参数
项目	视镜本体	夹套
操作温度 ℃	140
操作压力 MPaG	2.84	0.4
设计温度 ℃	180	180
设计压力 MPaG	0.35/F.V	0.6
试验压力 MPaG
介质	熔融尿素	低压蒸汽
密度 kg/m3	1220
流量m3/h	97.8
材料
壳体	00Cr19Ni10
镜片	硼硅玻璃
备注
1.玻璃视镜为圆形，直径φ165mm，厚度20mm
2.环境最低温度为-50℃
3.视镜玻璃急变温度＞210℃

3.2 视镜的结构

   

            图2视镜结构图

表2 视镜零部件明细表

件号	零件名称	材料
1	视镜本体	304L
2	压紧环	304L
3	视镜玻璃	钢化硼硅玻璃
4	垫片	聚四氟乙烯
5	螺柱	A2-70
6	螺母	A2-70

4. 视镜破裂原因分析

4.1视镜玻璃材质原因：

此视镜玻璃经供应商确定为高硼硅钢化玻璃，硼硅玻璃是标准GB/T23259-2009《压力容器用视镜》要求使用的唯一压力容器用的视镜玻璃材质，高硼硅玻璃中的SiO2（氧化硅）＞78%，B2O3（氧化硼）＞10%，具有非常低的热膨胀系数，热膨胀系数为（20-300℃）3.3×10-6K-1，耐280℃高温,耐230℃的温差剧变。咨询云天化股份公司及其他尿素厂，此处尿液视镜也均使用钢化硼硅玻璃，，因而材质的选用是正确的。

4.2 视镜玻璃质量原因：

在发生视镜破裂事故后，按标准GB/T23259对同时供货的备用视镜玻璃进行了耐热冲击性检验，将视镜玻璃放入了250℃的电炉中，保温2h后，立即投入至20℃的水中并保持1min，发现视镜玻璃中心产生了裂纹(试验结果见图3)，因而视镜玻璃应该存有质量问题，但是由于没有检验仪器对玻璃视镜的其他检验项目进行检验，因而不能判断视镜玻璃的具体制造缺陷。

图3耐热冲击试验后的视镜玻璃

4.3 视镜玻璃厚度（强度）原因：

     由于国内没有相关计算，根据资料[1]规定，计算视镜厚度公式：

式中：

S — 视镜玻璃厚度，mm；
C — 系数，取值0.55；
dm —视镜玻璃直径,为165mm；
p — 允许工作压力，3.5bar；
S — 安全系数，规定为5；
σ— 抗弯强度，160Mpa。

计算玻璃厚度为9.34mm，而实际使用玻璃厚度为20mm，为计算厚度的2倍，考虑计算取值等误差原因也能够满足要求。

4.4 安装原因：

     对于第一次破裂的视镜，是由制造厂安装，从厂家长途运输到现场后，未进行重新安装，在运输及安装过程中产生的振动，可能会使玻璃不在法兰凹槽正中位置，在使用时通入低压蒸汽冷凝液后管线存在有振动现场，导致玻璃与不锈钢金属压环产生应力，最终导致破裂。但是第二次和第三次破裂的视镜为重新按要求安装，应该不属于安装问题。

4.5 热膨胀产生应力原因：

第一次视镜玻璃破裂时环境温度为零上10℃左右，由于内部温度与外部温差导致的玻璃破裂可能性较小， 第二次及第三次视镜玻璃破裂时环境温度都为零下，视镜内部与外部的最高温差可达140℃，且现场有较强的冷风直接吹到视镜玻璃上，温度有可能更低，初步判断这两次视镜玻璃破裂的主要原因是由于内外温差导致。

由于视镜玻璃内部温度较高，而视镜外部温度较低，导致视镜玻璃整体受热不均匀，内部受热膨胀，外部受冷收缩，在视镜玻璃中区形成应力，当此应力大于视镜玻璃本身所能承受的强度时，视镜玻璃就会爆裂。

分析以上几个原因，视镜玻璃的选材及强度满足使用要求，不是玻璃视镜破裂的原因，视镜玻璃内外温差过大产生内应力为视镜玻璃的破裂的主要原因，而视镜玻璃的制造质量及安装是可能导致视镜破裂的次要原因。

5.防止视镜破裂措施：

5.1 明确采购技术要求

    在采购时必须签订技术附件明确技术要求，要求视镜玻璃制造厂严格按标准生产制造，并按标准GB/T23259-2009《压力容器用视镜》规定的项目逐项进行检测，交货时提供各项检测证明。

5.2 加强入厂检验

视镜到货后必须进行入厂检验，有条件的使用单位可以逐项进行复验，并且按要求进行水压试验。虽然视镜安装现场不具备水压试验条件，但是可以制作专用的水压试验装置进行水压试验。

5.3 正确安装视镜玻璃

更换安装视镜玻璃时严格按照视镜的安装要求，必须将玻璃放在法兰凹槽的正中处，使玻璃外缘与法兰凹槽之间均匀一致。在后两次的安装过程中，采用了在视镜玻璃外缘处缠绕多圈宽度20mm厚度0.1mm聚四氟乙烯生料带的方法，用缠绕的四氟乙烯生料带厚度填充视镜与压环法兰凹槽内径的约1mm的余量，从而保证视镜在安装时处于法兰凹槽的正中处，而聚四氟乙烯生料带的弹性又能满足视镜玻璃在受热时的膨胀余量，不致产生应力。

视镜玻璃在装配过程中，还应保障各螺柱受力均匀。因视镜内部在运行过程中为微负压，压紧环对视镜玻璃的压力不需要太大，能够满足密封要求即可，在安装时最好使用测力扳手紧固螺栓。

5.4 提高视镜外部温度，减小视镜内外温差

在北方室外安装的视镜玻璃，夏季温度为零上，温差较小，因而视镜玻璃不易破碎。但是在冬季室外温度为零下，特别是呼伦贝尔最低气温能达到零下50℃，温差太大，视镜玻璃极易破碎，因而在北方室外使用的视镜玻璃应该采取保温措施。

为此提出改造建议，在视镜玻璃外围制作安装了密封保温箱，保温箱外面用厚度70mm的硅酸铝保温棉进行保温，箱内安装了摄像头及照明灯，摄像头影像传送到主控室，这样就避免了操作人员在现场观察视镜的危险性，而照明灯也一定程度上起到了加温的效果，使保温箱内的

温度到达零上30℃左右。在使用此保温箱后，经过呼伦贝尔当地冬季室外12月份的零下45℃低温，此位置视镜玻璃未发生破损现象。

6. 总结:

     通过在采购时提高视镜玻璃的要求、做好入厂检验、正确的安装视镜玻璃、采取保温措施缩小视镜内外部的温差四项措施，就能够保证硼硅玻璃视镜在寒冷的北方冬季气温下长期安全的使用。

参考文献

[1] DIN 7080-2005,在低温范围内无限制的硼硅酸盐耐压圆形视窗玻璃 [S].

[2] GB/T23259-2009,压力容器用视镜 [S].