班旭峰

惠生工程（中國）有限公司 上海 201203

化工裝置換熱器密封泄漏的處理

班旭峰

惠生工程（中國）有限公司 上海 201203

以E1451設(shè)備密封泄漏處理為基礎(chǔ)通過圖譜對比論述如何選用適當?shù)倪B接螺栓形式及密封材料、增加螺栓預緊力等以增強在高溫、交變工況下設(shè)備、管線法蘭連接的密封性能。

換熱器 密封失效 螺栓失效 綜合處理

在石油化工裝置中由于換熱設(shè)備密封發(fā)生泄露而造成停車事故的案例很多。燕山石化某廠高壓聚乙烯裝置中E1451熱水系統(tǒng)加熱器密封泄漏就是其中一例。本文就該起密封泄漏原因分析及處理撰文供同行參考。

1 換熱器密封泄漏過程

在裝置運行之初E1451設(shè)備運行正常，新裝置開車2個月后設(shè)備管箱法蘭底部與管板連接位置開始出現(xiàn)滲漏－水滴漏3～5滴/min（見圖1）。當時的處理方式為在工況下進行熱緊，但是效果不是很好。此后在多次小停車不倒空系統(tǒng)的情況下重新緊固整圈螺栓后情況暫時好轉(zhuǎn)，但時隔不久滲漏情況進一步加劇。滲漏量和滲漏面積從外部觀察有明顯擴展的趨勢，開始出現(xiàn)水汽由密封部位噴射而出情況。此時使用液壓工具緊固螺栓已經(jīng)不起作用。但作為高壓裝置的關(guān)鍵性設(shè)備無法獨立切出進行維修，運行一年后泄漏已極為嚴重。設(shè)備密封位置水汽噴射速度加劇、泄漏量已經(jīng)達到供給設(shè)備流量的5～10%，泄漏面積達到密封面積的40%，燕化公司不得不將整個66萬t/a乙烯裝置緊急停車3d供處理該臺設(shè)備的滲漏問題。該設(shè)備為原北京石油化工工程公司設(shè)計，燕化機械廠制造。設(shè)備基本設(shè)計數(shù)據(jù)（見表1）。

在打開換熱器管箱后，發(fā)現(xiàn)管板與換熱器管箱連接側(cè)密封部位有2道較明顯的疵痕,其中－條疵痕深度達到2mm，以疵痕部位延伸向兩側(cè)多處密封部位有輕微點蝕情況。鐵包石棉墊片已經(jīng)被壓失去彈性但外形保持完整。由于長時間水汽沖擊在疵痕部位銹蝕情況已經(jīng)較重。設(shè)備管箱密封部位（見圖2）。

表1 E1451設(shè)備基本設(shè)計數(shù)據(jù)

2 造成設(shè)備密封失效的原因分析

2.1 密封材料失效的分析

E1451換熱器屬于比較典型的U型管式換熱器，由于管箱墊片在經(jīng)過多次預緊之后發(fā)生較明顯的失效特點，所以首先對該部位密封類型的選用進行分析和校驗。

管箱密封部位的密封面形式為凹凸面密封，密封墊片類型為金屬包石棉墊片。金屬包石棉墊片結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成（見圖3）。金屬外殼部分常采用0.35mm左右的鐵皮(馬口鐵)或合金鋼(1Cr131Cr18Ni9Ti)及鋁銅等材料構(gòu)成，金屬包石棉墊片的制作標準一般也是貼近石棉墊片的制作標準或依照特定密封面尺寸標定但寬度不宜過大，其截面形狀主要以平墊片和波形墊片兩種。由于石棉板的強度較低易松散或折斷，墊片的制造質(zhì)量對墊片使用的和密封性能的影響較大，該種墊片由于需要的預緊力較大所以一般應用于法蘭口較大的設(shè)備口位置。該種墊片在安裝過程中對法蘭和安裝要求較高，但由于石棉板壓縮彈性小、補償余地小密封性能不好，當鐵包墊片放置位置不好時或把緊力矩不均時都有可能引起在設(shè)備運行過程中發(fā)生泄露，所以該種墊片有逐漸被纏繞墊片取代的趨勢。

設(shè)備封頭部位受力在操作工況和冷工況下存在差異，圖4為設(shè)備封頭法蘭在常壓和操作工況下受力情況分析圖。

E1451采用該種墊片，結(jié)合其內(nèi)部介質(zhì)在操作過程溫度較高工作狀態(tài)下達到170℃以上，且在設(shè)備運行過程中由于流體切換頻繁，密封材料受力情況變化幅度較大，鐵包石棉墊片由于存在壓縮彈性小和補償余地小的特性，在首次安裝之初由于預緊力值較大，操作狀態(tài)下密封部位暫時滿足設(shè)計要求，但在經(jīng)歷多次冷熱切換后設(shè)備密封材料逐漸失效，由受力和密封薄弱點開始出現(xiàn)少量滲漏漸而增大以致密封失效。圖5為連接副在預緊力作用下和操作狀態(tài)下連接部件螺栓、密封墊片之間存在以下的變形和受力變化關(guān)系圖譜。

由圖5可以看出，在螺栓預緊后和在設(shè)備內(nèi)部壓力F作用前后，存在一個△λm密封部件彈性變化量，該值是在設(shè)備內(nèi)部載荷作用于設(shè)備管箱封頭致使螺栓被進一步拉長后產(chǎn)生的密封部件彈性補充變形。如果該值在熱工況和設(shè)備內(nèi)部作用力下補償值不足就有可能形成密封間隙，在內(nèi)部與設(shè)備外部存在加大的壓差的情況下，內(nèi)部高壓介質(zhì)就極容易穿透密封線造成設(shè)備密封失效。E1451設(shè)備管箱密封部位選用鐵包石棉墊片在設(shè)備制造與現(xiàn)場試壓階段均未出現(xiàn)滲漏，而在設(shè)備運行之后密封失效逐漸增大即是由于在操作狀態(tài)下和開停車工況頻繁切換的過程中密封材料的△λm不能滿足該工況要求所致。

所以設(shè)備墊片選用不當是造成密封失效的一個主要原因。

2.2 連接螺栓的失效分析

E1451設(shè)備管箱連接螺栓選用35CrMoA材料，螺柱規(guī)格為M36×450-A，共計40套螺栓。由于在設(shè)備操作過程中螺栓有多次把緊過程，在停車后采用游標卡尺檢查螺栓的長度發(fā)現(xiàn)部分螺栓的實際長度比原螺栓的定做加工長度增長5～8mm，已發(fā)生較為明顯的塑性變形。并且螺栓表面存在較為明顯的高溫氧化情況。

分析螺栓使用材質(zhì)為35CrMoA。該材質(zhì)中由于加入了鉻、鉬合金元素后可以提高鋼的再結(jié)晶溫度和組織的穩(wěn)定性，以達到提高到鋼材的高溫強度適用于溫度在450℃和非腐蝕性介質(zhì)的部位的高壓用鋼。選擇該種材質(zhì)的螺栓說明設(shè)計已經(jīng)考慮到了螺栓在使用工況下的熱穩(wěn)定性和熱強性。設(shè)備部分螺栓發(fā)生塑性變形由于螺栓材料熱穩(wěn)定性和熱強性不足的原因可以被排除，但在熱工況下局部把緊螺栓力矩過大，造成螺栓發(fā)生朔性變形可能性尚存在。所以校核螺栓最大的預緊力矩值以確定螺栓預緊力矩是否過大而發(fā)生朔性變形或產(chǎn)生疲勞失效。

分析E1451設(shè)備管箱螺栓在泄漏嚴重的情況下部分螺栓的最大擰緊力矩值曾達到4000N.m，校核該值是否超出螺栓允許力距值。與法蘭連接墊片受力情況相同，螺栓和墊片及連接法蘭之間的變形存在圖5所示的受力與變形關(guān)系，以熱水加熱器管程最高工作壓力為計算依據(jù)值，經(jīng)函數(shù)計算可得在該狀態(tài)下螺栓最終所承受的拉伸力為：

螺栓的殘余預緊力遠大于0，在冷態(tài)下該預緊力矩值是滿足密封要求的，也說明連接法蘭之間密封墊片仍然存在彈性變形。

但當設(shè)備密封泄漏量逐漸增大的時候局部螺栓把緊力距值曾達到4000N.M時，在該預緊力距值下由以上計算公式螺栓在工況下的內(nèi)部拉力可能達到；

該值雖然已經(jīng)接近螺栓允許的安全拉伸力但并未超過螺栓材質(zhì)對應強度允許的拉伸力，螺栓發(fā)生塑性變形的主要原因就可能歸責螺栓受熱后熱穩(wěn)定性和熱強性影響及承受不穩(wěn)定的交變應力。查閱工程機械材料手冊得知35CrMoA在溫度和受力變化頻繁情況下疲勞極限值約為430Mpa。以該值作為為核算依據(jù)，計算M36螺栓應當承受的最大內(nèi)部螺栓拉伸力為：

在E1451設(shè)備發(fā)生泄漏時最大螺栓加力把緊值Q=580.8KN＞Q-1+c=427.5KN

因此，螺栓預緊力矩值過大極有是可能是造成封頭部分螺栓發(fā)生疲勞失效以致造成螺栓最終發(fā)生塑性變形的制因。

3 E1451設(shè)備密封泄漏的具體處理

綜合以上分析，在采用氬氣保護焊以材質(zhì)較軟的銅焊絲為補焊材料補焊管板疵痕并以刮刀和平銼刀修磨密封面后，主要以改良密封連接性能為主要處理方向。

3.1 通過改換密封墊片類型改善連接密封性能

由于設(shè)計原選擇的密封墊片等級較低不能適用高溫頻變工況，所以改選金屬纏繞墊片代替原使用的鐵包石棉墊片。在相同的工況和受力情況下金屬纏繞墊片的相對剛度值要比鐵包石棉墊片的相對剛度小很多，螺栓和密封墊片的受力變形變化情況在改換金屬纏繞墊片后有明顯改善。圖6為采用金屬纏繞墊片和采用普通鐵包石棉墊片連接幅受力及變形對比圖。

如圖6所示，選用不同的墊片在使用相同的螺栓預緊力、相同的設(shè)備內(nèi)力作用和工況經(jīng)常切換的情況下所發(fā)生的螺栓內(nèi)力變化△F2(金屬墊片)＜ △F1(鐵包石棉墊片)，相應地，△λ2＜△λ1,在相同的螺栓預緊力和設(shè)備內(nèi)部操作情況小較小的螺栓受力變化對應較小的螺栓長度變化，由此也將對應較小的密封墊片補償變形?？梢娫贓1451設(shè)備內(nèi)部工況切換頻繁溫度變化頻繁的實際工作狀態(tài)下選用金屬纏繞墊片比采用鐵包石棉墊片更加合理。

由密封墊片使用手冊中查取在保證密封面類型相同的情況下選用可以適用較高溫度工況的石墨填充金屬纏繞墊替代原有的鐵包石棉墊片以增強在交變、高溫工況下密封的可靠性。

改變螺栓剛度和改善連接螺栓受力情況以增強連接密封性能。

3.1.1 分析螺栓剛度變化圖譜及變形關(guān)系函數(shù)提出解決辦法

由圖7可知，連接幅的受力與變形關(guān)系圖可見在減小螺栓剛度值后ΔF2＜ΔF1且Q2＜Q1，螺栓在交變工況下受力情況有明顯的改善，受力變化幅度和操作狀態(tài)下的受力范圍都有所減小。并且由已知描述螺栓及墊片變形量與受力的函數(shù)，可以分析得出在降低螺栓剛度的情況下亦可減小交變工況下螺栓的應力幅減少疲勞失效的幾率。

具體減小螺栓剛度的措施常見的有以下幾種方法：

（1）適當?shù)募娱L連接螺栓的長度；

（2）將螺栓形狀由原先的全絲通長柱狀螺栓改換成帶有縮頸的腰狀螺桿螺栓（見圖8）；

（3）將連接螺栓改為帶有空心部位的螺栓形式如圖8；

（4）在連接螺母下面安裝彈性墊片起到降低螺栓剛度的作用（見圖 9)。

3.1.2 選擇降低螺栓剛度的可行性方法

由于設(shè)備法蘭螺栓孔的直徑已經(jīng)加工成型，主法蘭間距已經(jīng)確定。所以通過加長螺栓受力長度降低螺栓剛度的辦法顯然不可行；

選擇腰狀螺栓在一定程度上會影響到螺栓的強度。并且如果腰狀螺栓在變徑位置如果加工精度不足，極有可能形成應力集中，在使用過程中發(fā)生突然斷裂等不可預測事故。所以該種降低螺栓剛度的方法在E1451設(shè)備密封處理上是不可取的；

如果采用空心螺栓必將增大螺栓直徑或改選用高等級材質(zhì)，勢必要求重新加工設(shè)備法蘭螺栓孔和定做連接螺栓，對于成品法蘭來說重新將設(shè)備運出廠區(qū)上大型鉆床顯而易見缺乏經(jīng)濟型，會造成原來使用的螺栓全部作廢；

在以上方案的實施均存在一定困難的情況下，選擇在利用原可用螺栓和新補充部分螺栓的基礎(chǔ)上，在螺帽下部增加如圖10所示的由美國艾志制作的蝶形墊片，以此來減小螺栓的剛度，達到在交變工況下降低螺栓應力幅，以求在較長的使用時間內(nèi)螺栓不會發(fā)生疲勞失效。

所以在改進E1451設(shè)備密封情況的問題上選擇利用在螺母下部加裝特制的蝶形墊片，以起到降低連接螺栓剛度的目的。

3.1.3 增加螺栓預緊力增強連接可靠性的分析

由圖7可知，用相同的預緊力情況下減小螺栓剛度會導致在操作狀態(tài)下螺栓殘余預緊力的減小，如果該值減小過大滿足不了平衡密封內(nèi)外壓差的要求將會導致密封失效造成泄漏。

由圖11可見，增加冷態(tài)下螺栓的預緊力Qp，在冷態(tài)和操作工況下的變力幅△F2也可以達到降低的效果，并且在操作工況下的螺栓殘余預緊力Qp’也會比增加螺栓預緊力之前有所增加，可以確保密封墊片的變形壓力滿足設(shè)備密封的要求。

4 E1451密封泄漏綜合處理

4.1 E1451綜合性密封改良方案

綜合以上分析處理方法選擇，在處理E1451設(shè)備泄漏的問題上選擇以上處理方法的任何一種都存在局限性和不完整性，所以我們選擇了綜合性的處理方案：

（1）改變原先使用的鐵包石棉墊片為石墨填充金屬纏繞墊片；

（2）更換6套已經(jīng)發(fā)生朔性變形的螺栓；

（3）在每套螺栓螺帽下面加一組由美國艾志公司制造的特殊金屬蝶形墊片；

（4）增加螺栓預緊力矩值由原先的2100N.m增加到3000N.m;

（5）為了保證螺栓緊固力的均勻性螺栓采用液壓力矩扳手分4次均勻把緊。

依據(jù)密封墊片相對剛度值校核增加螺栓預緊力、改變密封材料、增加彈性墊片后密封的改良情況。

4.2 對連接密封改良措施進行校核及對比

以熱水加熱器管程最高工作壓力為計算依據(jù)值核算法蘭部位螺栓受力情況：

在改用金屬纏繞墊片后，相對剛度值為0.2～0.3,在此選擇該值為0.3。

經(jīng)工況核算在該狀態(tài)下螺栓最終所承受的拉伸力為：

螺栓的殘余預緊力遠大于0，說明連接法蘭之間仍然存在彈性變形，密封仍然起作用，并且螺栓的最大受力在螺栓材料允許的疲勞極限范圍內(nèi)。如圖12所示（虛線為改良前實線為改良后）。

對應相同的設(shè)備內(nèi)部推力不通的墊片對應不同的相對剛度，金屬墊片的相對剛度遠小于鐵包石棉墊片的相對剛度，應變ΔF2＜ΔF1、Δλm減小、螺栓殘余預緊力得到維持加強，螺栓和密封材料受溫度和變力影響的因素減小。

5 結(jié)論

通過以上的分析和綜合處理E1451設(shè)備的泄漏被成功解決，據(jù)悉該臺設(shè)備自處理完畢到目前運行一切正常。由此推斷在化工裝置中無論管道、設(shè)備內(nèi)部正壓連接密封法蘭部位采用適當剛度值的密封材料，選用適當增大的螺栓預緊力，合理經(jīng)濟、有效的降低螺栓剛度的辦法是保證連接密封有效、可靠的有效手段和方法。

1《機械原理》第七版 鄭文緯 吳克堅 高等教育出版社.

2《GB150-1998鋼制壓力容器》國家技術(shù)監(jiān)督局.

3《密封》徐靜暻 冶金工業(yè)出版社.

4《機械設(shè)計手冊》機械工業(yè)出版社.

5吳培英.金屬工藝學[M].高等教育出版社第三版.

TE682

B

1672-9323（2012）02-0071-04

2011-12-23）