李 敏

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

油漿蒸汽發(fā)生器是催化裂化裝置中余熱鍋爐系統(tǒng)的主要能量交換設(shè)備，大慶煉化公司某廠的油漿蒸汽發(fā)生器自投入使用，換熱器管板兩側(cè)成對法蘭多次發(fā)生密封泄漏，被迫停車檢修。拆卸檢查發(fā)現(xiàn)換熱器螺栓存在不同程度的松弛現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了法蘭密封失效，不僅造成生產(chǎn)效益下降，甚至可能引發(fā)安全事故。

1 油漿蒸汽發(fā)生器簡介

大慶煉化公司某廠的油漿蒸汽發(fā)生器為管殼式換熱器，管程介質(zhì)為油漿，殼程介質(zhì)為除氧水，規(guī)格為φ1600mm×5430mm，殼體材料16MnR，管板材料為鍛鋼16MnII，螺栓規(guī)格為M48(25CrMoVA)，墊片為波齒復(fù)合墊(NBG23-1600-5.0-6B)。油漿蒸汽發(fā)生器主要參數(shù)如下(管程/殼程)：

設(shè)計溫度 385/285℃

實際溫度 (280～332)/(180～248)℃

設(shè)計壓力 1.78/5.00 MPa

實際壓力 1.20/4.20 MPa

油漿蒸汽發(fā)生器屬于浮頭式換熱器，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。油漿蒸汽發(fā)生器利用管程介質(zhì)高溫油漿在管束內(nèi)與殼程低溫介質(zhì)除氧水進(jìn)行換熱，以此降低油漿的溫度從而達(dá)到下一工序?qū)ζ錅囟鹊囊?，同時低溫介質(zhì)除氧水經(jīng)過換熱器吸收了管程內(nèi)高溫油漿的熱量，實現(xiàn)了熱量的回收再利用。

2 換熱器泄漏原因分析

換熱器泄漏主要表現(xiàn)為以下幾種情況：換熱管與固定管板連接處因為焊接缺陷或應(yīng)力腐蝕發(fā)生泄漏；換熱器因流體誘導(dǎo)管束反復(fù)振動使折流板與換熱管長時間撞擊造成換熱管泄漏；管板與換熱管脹接接頭處發(fā)生泄漏；固定管板存在裂紋泄漏；管板法蘭密封發(fā)生泄漏[1]。本文主要探討管板法蘭密封失效機(jī)理。

研究表明，造成法蘭密封失效的因素很多，如螺栓預(yù)緊力不足，法蘭密封面和墊片存在缺陷，溫度的變化及壓力的波動等[2]。在對泄漏蒸汽發(fā)生器檢修過程中未發(fā)現(xiàn)密封面和墊片存在缺陷問題，故判斷造成蒸汽發(fā)生器泄漏是由螺栓預(yù)緊力不足或溫度、壓力變化引起的法蘭密封泄漏。從操作條件上可知，該蒸汽發(fā)生器管程(油漿)與殼程(除氧水)溫差相對較大，使蒸汽發(fā)生器不同部位產(chǎn)生不同的熱脹冷縮，在溫度波動工況下，螺栓容易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力松弛，當(dāng)螺栓預(yù)緊力降到密封墊片所需最小密封壓緊力以下時，法蘭密封面將發(fā)生泄漏[3,4]。在操作過程中系統(tǒng)壓力并不是恒定的，而是在一定范圍內(nèi)頻繁波動，法蘭在軸向力的作用下必定使螺栓不斷伸縮來補償壓力變化造成的密封壓緊力的變化。在壓力持續(xù)變化狀態(tài)下，螺栓疲勞強(qiáng)度將會下降，相應(yīng)的補償力也達(dá)不到密封墊片要求，從而造成法蘭密封失效，蒸汽發(fā)生器泄漏[5]。綜上所述，蒸汽發(fā)生器法蘭密封失效與溫度和壓力反復(fù)波動密切相關(guān)。

3 預(yù)緊碟簧的應(yīng)用

根據(jù)以上對法蘭密封泄漏的分析可知，為確保油漿蒸汽發(fā)生器管板法蘭的密封，對溫度和壓力波動造成的螺栓預(yù)緊力松弛及時補償是至關(guān)重要的。針對螺栓預(yù)緊力松弛這一現(xiàn)狀，在油漿蒸汽發(fā)生器螺栓法蘭一側(cè)或兩側(cè)安裝預(yù)緊碟簧，如圖2所示。預(yù)緊碟簧是由耐高溫、高彈性模量的特殊材料沖制而成[6]，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。預(yù)緊碟簧有足夠的變形來補償壓力和溫度波動而引起的預(yù)緊力改變，從而有效減少法蘭密封失效的風(fēng)險。

圖2 預(yù)緊碟簧安裝示意圖

圖3 預(yù)緊碟簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

預(yù)緊碟簧的變形量與預(yù)緊力關(guān)系為：

(1)

式中E——彈性模量；

F——預(yù)緊碟簧的變形量；

μ——泊松系數(shù)。

系數(shù)K的計算式中，C=D/d。式(1)中，E和μ取決于預(yù)緊碟簧材料和熱處理工藝，K取決于預(yù)緊碟簧的結(jié)構(gòu)形式。不同材料的預(yù)緊碟簧結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，其回復(fù)力和變形的關(guān)系也不相同。碟簧的初始負(fù)載計算公式如下：

(2)

預(yù)緊碟簧在安裝時依據(jù)負(fù)載將碟簧壓緊，并且預(yù)緊碟簧的行程和載荷成線性關(guān)系，載荷力隨著行程位移的增加而增大，當(dāng)行程達(dá)到最大值時，載荷力也達(dá)到峰值。所以這種結(jié)構(gòu)的預(yù)緊碟簧可以保證在有效的行程范圍內(nèi)滿足密封墊片的壓緊力。

當(dāng)螺栓螺母擰緊時，預(yù)緊碟簧吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)化為位能(勢能)儲存在碟簧中，并發(fā)生軸向位移形變(軸向被壓縮)，當(dāng)設(shè)備由于壓力、溫度變化或機(jī)械振動等因素，導(dǎo)致螺栓的預(yù)緊力松弛時，預(yù)緊碟簧釋放位能(勢能)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，對螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行相應(yīng)補償，使螺栓的預(yù)緊力始終保持在密封墊片的壓緊力范圍內(nèi)[7]。預(yù)緊碟簧有負(fù)荷大、行程短、所需空間小及組合使用方便等優(yōu)點，能非常方便地使用在螺栓法蘭連接系統(tǒng)。

4 預(yù)緊碟簧的選用、應(yīng)用效果與注意事項

4.1預(yù)緊碟簧材料選擇

在螺栓法蘭系統(tǒng)中溫度變化、壓力變化與系統(tǒng)振動幅度較大的情況下都需要應(yīng)用預(yù)緊碟簧來補償螺栓預(yù)緊力的松弛。石化設(shè)備中最常用693F和20813 兩類碟簧，所應(yīng)用的工況各有不同，在應(yīng)用特殊工況條件下時，可使用特殊設(shè)計的鈦合金碟簧[8]。一般地，可依據(jù)螺栓材料選擇預(yù)緊碟簧的材料，693F類碟簧的適用溫度在330℃以下，可使用在中強(qiáng)度螺栓(提供很高的補償力)和高強(qiáng)度螺栓(提供較低的補償力)上，適用于閥門、管線法蘭、泵及壓縮機(jī)等設(shè)備上。20813類碟簧的適用溫度最高能達(dá)到600℃，應(yīng)用在高強(qiáng)度螺栓上可以提供很高的補償力，常用于換熱器、反應(yīng)器及壓力容器等大于330℃高溫部位。在實際應(yīng)用工況下，可以適當(dāng)選擇螺栓單側(cè)或雙側(cè)使用，當(dāng)單片碟簧的有效行程不足以補償螺栓松弛位移時，可采用在螺栓雙側(cè)安裝碟簧，使有效行程增加一倍，并能滿足絕大多數(shù)工況下的補償要求。對于特殊要求的工況，可以組合使用多片疊加方式[9]。

4.2使用效果與注意問題

在檢修過程中，由于油漿溫度可達(dá)330℃，并且管板法蘭連接處螺栓預(yù)緊力受溫度和壓力的變化影響較大，因此在螺栓一側(cè)安裝693F預(yù)緊碟簧，至今應(yīng)用效果良好，未發(fā)現(xiàn)因溫度、壓力的變化等因素造成蒸汽發(fā)生器泄漏的現(xiàn)象。正確選用預(yù)緊碟簧對控制密封泄漏是至關(guān)重要的，碟簧只有工作在有效的補償區(qū)域內(nèi)，才能完全發(fā)揮其補償預(yù)緊力的作用。要嚴(yán)格根據(jù)介質(zhì)的使用條件和預(yù)緊力要求選用碟簧，如果錯誤的選用預(yù)緊力過低的碟簧，當(dāng)螺栓預(yù)緊力松弛后，將無法提供密封所需要的臨界預(yù)緊力，可能導(dǎo)致泄漏。若選用預(yù)緊力過高的碟簧，施加負(fù)載超過螺栓或墊片的承載能力，則可能會超過墊片的彈性極限應(yīng)力產(chǎn)生永久變形，使用效果反而更差。

5 結(jié)束語

通過分析得出由溫度和壓力波動而導(dǎo)致的螺栓預(yù)緊力松弛是管板法蘭密封泄漏的主要原因，通過安裝預(yù)緊碟簧補償螺栓預(yù)緊力松弛，從而解決油漿蒸汽發(fā)生器泄漏問題。預(yù)緊碟簧具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、補償特性強(qiáng)及安全可靠等特點，能夠有效改善法蘭密封泄漏問題，降低檢修成本，確保裝置的安全運行。

[1] 陸怡，張鎖龍.換熱器泄漏成因調(diào)查[J].化工裝備技術(shù)，2005，26(3)：59～61.

[2] 李敏，杜娟，沈宜輝.螺栓法蘭接頭緊固密封的研究展望[J].化工機(jī)械，2011，38(5)：513～515.

[3] 時黎霞，張明樂，邢萬坤，等.油漿蒸發(fā)器密封失效分析及解決辦法[J].流體機(jī)械，2004，32(2)：35～36.

[4] Vinod V，Mourya R K，Sreedhar B K ，et al.Behaviour of Steam Generator Bolted Flange Joints at Elevated Temperatures[J].Annals of Nuclear Energy，2013，51：307～310.

[5] 程學(xué)君，李應(yīng)力，滿艷茹，等.預(yù)緊碟簧在加氫高壓換熱器上的應(yīng)用[J].潤滑與密封，2009，34(6)：111～113.

[6] GB/T 1972-2005，碟形彈簧[S].北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2005.

[7] 廖湘宇.新型高溫密封的核心方法——預(yù)緊碟簧[J].機(jī)械工程師，2010，(11): 148～149.

[8] 王志坤，張昕，宋運通，等.預(yù)緊碟簧在煉油裝置的應(yīng)用[J].潤滑與密封， 2006，(2)：184～186.

[9] 王曉波.碟形彈簧的力學(xué)性能研究[D].鄭州：鄭州大學(xué), 2007.