李鉆

（中海油粵東液化天然氣有限責(zé)任公司，廣東 揭陽(yáng) 515200）

1 概述

260 Mt/a年柴油加氫精制裝置是茂名石化公司產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)改造項(xiàng)目中的一套重要裝置，該裝置3臺(tái)高壓臨氫換熱器E102A/B/C，采用螺紋鎖緊環(huán)式，型號(hào)為：BFU1200-7.80/9.35-518-6/19-2/2。裝置至2006年6月投產(chǎn)后，于次年5月，反應(yīng)器R101壓差逐漸變小，同時(shí)反應(yīng)器上床層徑向溫差逐漸變大，排除催化劑裝填不均勻引起的因素后，根據(jù)反應(yīng)器壓差降到0.21 MPa，循環(huán)氫流量增加25%，確定E102已內(nèi)漏。

2 螺紋鎖緊環(huán)換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

螺紋鎖緊環(huán)式管箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。螺紋鎖緊環(huán)上的外圈螺栓先傳遞給外圈頂銷(xiāo)再傳遞到外壓環(huán)，然后到隔板最后到管程墊片。換熱器操作時(shí)，隨時(shí)可以緊固外圈螺栓而消除管程泄漏。分合環(huán)上的螺栓先傳遞給內(nèi)隔筒上支承環(huán)再傳遞到內(nèi)隔筒，然后到管板最后到殼程墊片。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)管程與殼程有串漏時(shí)，可通過(guò)擰緊螺紋鎖緊環(huán)上的內(nèi)圈螺栓，管板從而將殼程墊片壓緊。

圖1 螺紋鎖緊環(huán)式管箱結(jié)構(gòu)

3 E102內(nèi)漏原因分析

換熱器內(nèi)漏一般發(fā)生在殼程墊片、管板、U形管煨彎處等3個(gè)部位。由于設(shè)備剛投用不久，換熱器管板、換熱器U型管煨彎處發(fā)生泄漏的可能性較低。在實(shí)際中我們上緊內(nèi)圈螺栓，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器壓差發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，證實(shí)了E102內(nèi)漏點(diǎn)是殼程墊片。E102管板是按壓差設(shè)計(jì)的，本身壓差較小，殼程壓力比管程大0.8～1.2 MPa（隨處理量變化），而設(shè)計(jì)壓差為3.0 MPa，水壓試驗(yàn)壓力為4.5 MPa，通常能保證殼程墊片密封的可靠性。但實(shí)際運(yùn)行中仍出現(xiàn)泄漏，原因主要有以下幾點(diǎn)：

3.1 預(yù)緊力不均勻

由螺紋鎖緊環(huán)式結(jié)構(gòu)圖1可看出，內(nèi)法蘭螺栓不是直接作用到管板上，而是通過(guò)特殊的傳力結(jié)構(gòu)才將墊片所需壓緊力傳遞到管板再施加到墊片上。在檢修安裝過(guò)程中，由于各方面的原因墊片的壓緊力可能不均衡、不足。

3.2 熱膨脹不一致

管箱內(nèi)隔筒與管箱材質(zhì)不同，導(dǎo)致高溫下熱膨脹量存在差異，E102內(nèi)隔筒全部選用0Cr18Ni10Ti不銹鋼，管箱為15CrMo鋼，兩者線(xiàn)膨脹系數(shù)相差45%；E102運(yùn)行溫度為220左右，總長(zhǎng)800mm的不銹鋼內(nèi)隔筒的熱膨脹量比15CrMo鋼管箱大1.5mm，由于兩者變形不協(xié)調(diào)，會(huì)對(duì)內(nèi)法蘭螺栓、內(nèi)隔筒及殼程墊片產(chǎn)生很大的壓縮力，這種外力的作用，可能造成內(nèi)法蘭螺栓彎曲變形、內(nèi)隔筒微量壓縮，一旦操作溫度發(fā)生大的波動(dòng)，造成密封墊片因密封比壓不夠而泄漏的故障。

3.3 密封墊片回彈不足

管、殼程的墊片一般選擇纏繞墊或波齒復(fù)合墊，金屬墊片因回彈能力差及所需密封比壓大，一般不使用。由前分析不難看出，此墊片回彈能力是一個(gè)重要指標(biāo)，回彈能力強(qiáng)的墊片能彌補(bǔ)前述墊片作用力因溫度發(fā)生變化而造成的泄漏。工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)和制造單位一是采用加厚石墨盤(pán)根（靠管程側(cè)用作熱補(bǔ)償）和加厚W形纏繞墊（靠殼程側(cè)作為主密封）；二是選擇兩個(gè)波齒復(fù)合墊，靠管程側(cè)用作熱補(bǔ)償，靠殼程側(cè)作為主密封。國(guó)外進(jìn)口的此類(lèi)換熱器多數(shù)只有靠殼程側(cè)一個(gè)加厚W形纏繞墊。E102采用了兩個(gè)4.5mm厚波齒復(fù)合墊（石墨＋0Cr18Ni10Ti）。在實(shí)踐中三種型式的換熱器都出現(xiàn)過(guò)內(nèi)漏的問(wèn)題。

3.4 不同心

管束與管殼軸線(xiàn)不同心、管板密封面與管束軸線(xiàn)不垂直，造成波齒復(fù)合墊受力不均勻，甚至局部密封比壓低于墊片所需密封比壓，形成泄漏。管束與管殼軸線(xiàn)不同心的原因是在高溫運(yùn)行中管束和管殼由于材質(zhì)不同、熱膨脹系數(shù)不一樣造成徑向膨脹不一致。管板密封面與管束軸線(xiàn)不垂直的原因是管板因管頭脹接而造成密封面變形。在上緊內(nèi)圈壓緊螺栓前，我們對(duì)內(nèi)圈壓緊螺栓頂?shù)芥i緊環(huán)的距離進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)E102上半部于下半部不平度達(dá)2～3mm。

3.5 操作引起的溫度和壓力波動(dòng)

原油劣質(zhì)化致使加氫精制原料含氮含氯愈來(lái)愈高，E102管程實(shí)際操作溫度為240～110，氨鹽結(jié)晶析出不可避免。為了避免氨鹽結(jié)晶堵塞管路，在E102和A101之前各設(shè)有一條注水線(xiàn)，正常工況，只在A101之前注水。E102從2006年8月開(kāi)工以來(lái)至2006年11月，由于氨鹽結(jié)晶E102壓降變大至0.3 MPa

為了降低系統(tǒng)壓降、提高E102換熱效果，車(chē)間將注水點(diǎn)由E102之后改為E102之前，水洗8小時(shí)，效果明顯，E102壓降恢復(fù)到裝置開(kāi)工初期水平。之后差不多每月改注水一次。由于水的汽化潛熱很大，每次注水都引起E102管程操作溫度大幅下降。E102改注水前后管程溫度變化見(jiàn)表1。

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綜上所述，注水點(diǎn)由E102之后改為E102之前后，管程溫度突然下降，內(nèi)隔筒冷縮，補(bǔ)償墊片回彈不足，殼程側(cè)墊片密封比壓不足，導(dǎo)致E102內(nèi)漏。

4 螺栓上緊力的計(jì)算和處理措施

4.1 內(nèi)圈螺栓上緊力的計(jì)算

為了防止壓緊力過(guò)大，將墊片壓潰或造成內(nèi)導(dǎo)筒塑性變形，首先算出正常情況下內(nèi)圈螺栓上緊力。

4.1.1 內(nèi)法蘭螺栓預(yù)緊力的計(jì)算

預(yù)緊時(shí)，螺栓載荷等于墊片所需預(yù)緊力：

式中：

DC=1258 mm，墊片壓緊作用的計(jì)算直徑；B=9.5mm墊片計(jì)算密封寬度；Y墊片的密封比壓，Y=50 MPa。

經(jīng)計(jì)算預(yù)緊時(shí)的螺栓載荷W1=1876307N。

操作時(shí)，螺栓載荷等于管板兩側(cè)由差壓引起的軸向力P1與墊片工作時(shí)的反力G（數(shù)值上等于操作時(shí)墊片密封所需的預(yù)緊力）之和；

式中：

P1管板兩側(cè)由差壓引起的軸向力，N；P1=（π/4）DC2P=3726938N；

G墊片工作時(shí)的反力，G=2πDCBmP=675471N；P 操作差壓，P=3.0MPa；m 墊片系數(shù)，m=3。

經(jīng)計(jì)算操作時(shí)的螺栓載荷W2=4402409N。

4.1.2 內(nèi)圈壓緊螺栓上緊力的計(jì)算

在檢修安裝中，內(nèi)圈壓緊螺栓一般是不上緊的，采取的做法是將內(nèi)圈壓緊螺栓先頂緊內(nèi)壓環(huán)后，再退半扣。在運(yùn)行過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)有內(nèi)漏現(xiàn)象時(shí)，則通過(guò)上緊內(nèi)圈壓緊螺栓，使壓緊力作用到殼程墊片上，從而達(dá)到密封效果。

在操作時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏，此時(shí)內(nèi)圈壓緊螺栓壓力W3等于管、殼程內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力P1、P2與殼程墊片工作時(shí)的反力G（數(shù)值上等于墊片操作時(shí)密封所需的總壓緊力）三者之各：

經(jīng)計(jì)算操作時(shí)螺栓的載荷W3=6284864 N

單個(gè)螺栓的預(yù)緊力：F1=W3/N2

式中：N2內(nèi)圈壓緊螺栓的數(shù)量，N2=60個(gè)。經(jīng)計(jì)算單個(gè)螺栓的預(yù)緊力F1=104747N。

在擰緊螺母時(shí)，需要克服螺紋副的螺紋力矩T1，由于螺栓頭部設(shè)計(jì)成球面，單頭螺栓六角頭與鎖緊環(huán)不接觸。所以，螺栓頭部的承壓面力矩T3、螺母的承壓面力矩T2和夾持力矩T4均可忽略不計(jì)，故擰緊力矩T等于螺紋力矩T1。在螺紋力矩的影響下，螺紋副間有圓周力FT的作用，螺栓受到預(yù)緊力F。

式中：

ψ 螺紋中徑升角，（°），ψ=arctg(np/πd1)；n 螺紋頭數(shù)，n=1；P 螺距，P=3.0mm；np 導(dǎo)程，np=3.0mm；d1內(nèi)法蘭螺栓的中徑，d1=31.5mm；ρv－當(dāng)量摩擦角，ρv＝arctgα(np/πd1)（0）；μ－摩擦系數(shù)，μ＝0.2；α 牙形角，α=60°；M1－擰緊力矩系數(shù)，M1＝tg（ψ+ρv）/2＝0.20

經(jīng)計(jì)算單個(gè)螺栓擰緊力矩T=T1=752N.m

從上述計(jì)算可知，內(nèi)圈壓緊螺栓的上緊力肯定要大于殼程墊片在初始密封時(shí)由內(nèi)法蘭螺栓所加的預(yù)緊力，因?yàn)閮?nèi)圈壓緊螺栓所提供的壓緊力作用在克服由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力之后，剩余的壓緊力作用在殼程墊片上的比壓還要略大于由內(nèi)法蘭螺栓所施加的初始密封比壓值。

4.2 在實(shí)際施工中，我們首先對(duì)60個(gè)內(nèi)圈壓緊螺栓進(jìn)行編號(hào)、標(biāo)示，并對(duì)內(nèi)圈壓緊螺栓頂?shù)芥i緊環(huán)的距離進(jìn)行了測(cè)量、記錄。然后從450N.m開(kāi)始，每次將內(nèi)圈壓緊螺栓的上緊力按10%的比例遞增，每上緊一次后對(duì)螺栓的位置進(jìn)行記錄，以保證管殼程墊片的預(yù)緊力的均衡，力矩增加到750N.m后反應(yīng)器壓降恢復(fù)到裝置開(kāi)工時(shí)水平，證明E102已不內(nèi)漏。施工過(guò)程中反應(yīng)器壓降與力矩的關(guān)系見(jiàn)圖2

圖2 反應(yīng)器壓降與力矩的關(guān)系

5 結(jié)論與建議

5.1 E102 內(nèi)漏的原因是注水點(diǎn)由E102之后改為E102之前后，管程溫度突然下降，內(nèi)隔筒冷縮，補(bǔ)償墊片回彈不足，管程密封墊片密封比壓不足。

5.2 E102 內(nèi)隔筒的熱補(bǔ)償建議采用新型耐高溫、耐腐蝕的碟簧。

E102管板兩側(cè)采用了兩個(gè)相同材質(zhì)和規(guī)格的波齒復(fù)合墊（石墨＋0Cr18Ni10Ti），由于應(yīng)力松弛率、壓縮率、回彈率相同，靠管程側(cè)墊片所起的吸能、補(bǔ)償作用有限。而耐高溫碟簧的應(yīng)力松弛率、回彈率比波齒復(fù)合墊要優(yōu)異得多，可以有效地抵消溫度和壓力波動(dòng)，通過(guò)表面鍍Ni的碟簧的抗氫和硫化氫腐蝕能力也能滿(mǎn)足使用要求。

5.3 E102 設(shè)計(jì)時(shí)管程介質(zhì)選混合氫，而殼程選熱高分氣，更有利于保證管殼程之間密封的可靠性。

[1]GB150-1998鋼制壓力容器

[2]GB151-1999管殼式換熱器

[3]陳建玉.高壓螺紋鎖緊環(huán)式換熱器檢修中常見(jiàn)故障分析及對(duì)策.化工機(jī)械，2005.32（4）：254～255