Условия срабатывания разрывного диска
2026-01-26
В химическом промышленном парке в Восточном Китае при техническом обслуживании одного из предохранительных элементов реактора произошло типичное аномальное срабатывание разрывного диска. Оборудование эксплуатировалось всего 8 месяцев, тогда как расчетный срок службы составлял не менее 2 лет. При разборке на месте было обнаружено, что мембрана разрывного диска имела неправильные разрывы и явно отличалась от нормальной центральной трещины.
Почему это произошло? В каких условиях разрывной диск срабатывает нормально? Сотрудники немедленно провели трехнедельную проверку данных и в итоге систематизировали внутреннюю логику условий срабатывания разрывного диска.
Сначала специалисты сосредоточились на проблеме соответствия проектного давления. Основное условие срабатывания разрывного диска — давление в системе должно достигать его номинального давления срабатывания. Разрывной диск, установленный на этом реакторе, имел номинальное давление 1,6 МПа (расчетная температура 200℃). Однако при анализе данных за последние три месяца выяснилось, что рабочее давление реактора стабильно составляло 1,2–1,3 МПа, иногда пиковое значение достигало лишь 1,45 МПа, то есть теоретически оно было далеко от номинала. Это показывает, что простое достижение давления является лишь необходимым условием, но не достаточным. При изучении чертежей оборудования было отмечено, что изначально проект предусматривал нейтральный азот в качестве рабочей среды, однако в производстве среда была изменена на смесь с 5% сероводорода — это привело ко второму ключевому условию: свойства среды влияют на материал разрывного диска.
Дальнейший анализ материала мембраны показал, что для проекта использовалась нержавеющая сталь 316L, обладающая хорошей коррозионной стойкостью в нейтральной среде, но склонная к напряженно-коррозионному растрескиванию во влажной среде с сероводородом. Энергетический спектр исследованных поврежденных мембран разрывного диска показал наличие отложений сульфидов в местах инициирования трещин, а микроструктура имела межкристаллическую характеристику — типичное проявление напряженно-коррозионного разрушения. Это доказывает, что коррозионная активность, окислительные свойства и фазовые особенности среды (например, склонность к кристаллизации или полимеризации) напрямую изменяют фактическую несущую способность разрывного диска. Разрывной диск, спроектированный для нейтральной среды, в коррозионной среде может достичь порога разрушения раньше.
После выяснения влияния свойств среды, стало ясно влияние температуры. Хотя расчетная температура реактора составляла 200℃, фактически в процессе эксплуатации из-за оптимизации системы охлаждения температура среды стабильно держалась на уровне 150–160℃. Согласно стандарту на изготовление разрывных дисков (x 567-2012), номинальное давление срабатывания определяется при определенной температуре (обычно 20℃). Если температура эксплуатации отличается от номинальной, необходимо внести поправку на температуру. Для данной партии разрывных дисков предел текучести материала повышается с понижением температуры (при 150℃ он на ~12% выше, чем при 20℃). Это означает, что при одинаковом давлении мембрана фактически испытывает меньшее напряжение, чем при стандартных условиях — однако это противоречило факту преждевременного срабатывания на объекте. Лишь при анализе процесса запуска оборудования было выявлено, что паровой подогрев повышает температуру мембраны с 50℃ до 200℃ всего за 30 минут. Такие резкие температурные колебания вызывают многократное термическое расширение и сжатие мембраны, создавая переменные напряжения в уплотнительной зоне.
Здесь проявилось влияние качества монтажа. При разборке было обнаружено, что уплотнительная поверхность разрывного диска имела мелкие царапины, а момент затяжки крепежных болтов варьировался (максимальное отклонение достигало 30%). Эти монтажные дефекты приводят к неравномерному распределению усилия в отдельных участках мембраны, а при наложении термических напряжений возникают микротрещины. Эти микротрещины со временем увеличиваются при циклическом давлении и в конечном итоге вызывают разрушение при давлениях значительно ниже номинальных — что подтверждает третье ключевое условие: качество установки напрямую влияет на распределение напряжений разрывного диска и изменяет его фактический порог срабатывания.
Для проверки этих выводов специалисты провели лабораторное моделирование условий эксплуатации: разрывные диски той же партии подвергались ускоренным испытаниям в среде с сероводородом (температурный цикл 150–200℃, давление 1,2–1,45 МПа). Уже через 45 дней на уплотнительных краях мембран появились микротрещины, аналогичные обнаруженным на месте. Продолжение испытаний до 60 дней показало, что три разрывных диска разрушились при давлении 1,42 МПа, а форма разрушения полностью совпадала с образцами с объекта. Эти данные четко демонстрируют: фактическое срабатывание разрывного диска определяется комплексом факторов — проектным давлением, свойствами среды, температурной средой, качеством монтажа и сроком эксплуатации; любое отклонение от этих условий может привести к срабатыванию разрывного диска вне ожидаемых параметров.
