呂洪強(qiáng)

(上海河圖工程股份有限公司，上海 201203)

油漿蒸汽發(fā)生器作為煉油廠(chǎng)中催化裂化裝置的分餾系統(tǒng)里重要的設(shè)備之一，其作用是將分餾塔塔底高溫油漿的熱量進(jìn)行回收以生產(chǎn)飽和中壓蒸汽，為裝置的節(jié)能降耗和保證分餾塔正常運(yùn)行有著非常重要的意義[1]。油漿蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)型式為浮頭式換熱器，如圖1所示，其管程介質(zhì)為油漿，正常運(yùn)行溫度為340～350 ℃，操作壓力約1.3 MPa；殼程介質(zhì)為水，生產(chǎn)飽和中壓蒸汽，其正常運(yùn)行溫度為250～260℃，操作壓力約4.3 MPa。由于油漿蒸汽發(fā)生器的操作工況很苛刻，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備本身的損壞，發(fā)生泄漏事故影響整個(gè)分餾系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，給裝置生產(chǎn)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。本文以某石化公司的100萬(wàn)t/a催化裂化裝置中的油漿蒸汽發(fā)生器E-215AB為例，針對(duì)以前的催化裝置中該換熱器所發(fā)生過(guò)的泄露事故進(jìn)行原因分析，并探討在本裝置中對(duì)該換熱器的設(shè)計(jì)所采取的改進(jìn)措施。

圖1 油漿蒸汽發(fā)生器示意圖

Fig.1 Schematic plot of slurry oil steam generator

1 泄漏部位及原因分析

1.1 管頭開(kāi)裂及泄漏

管頭開(kāi)裂導(dǎo)致的泄漏是各種換熱器發(fā)生的泄漏失效中最常見(jiàn)故障之一，而油漿蒸汽發(fā)生器由于其操作工況比較苛刻，因此相比一般換熱器而言，其管頭處更容易發(fā)生開(kāi)裂導(dǎo)致泄漏事故。首先，由于油漿蒸汽發(fā)生器正常運(yùn)行時(shí)管、殼程存在較大的溫度差，造成管板與換熱管的熱變形協(xié)調(diào)不一致，產(chǎn)生較高的溫差載荷造成管板受力不均勻，使管板一直承受較高的局部溫差應(yīng)力[2]。其次，管程入口處的高溫油漿會(huì)對(duì)管頭會(huì)產(chǎn)生高溫沖刷磨蝕[3]，同時(shí)油漿中還存在硫化物等腐蝕性介質(zhì)，另外換熱管與管板焊接的角接接頭處還存在較大的焊接殘余應(yīng)力及應(yīng)力集中。最后，由于浮頭式換熱器的換熱管是通過(guò)前端的固定管板與后端的浮動(dòng)管板固定，在壓力作用下，換熱管還會(huì)產(chǎn)生較大的軸向拉應(yīng)力，使換熱管與管板連接焊縫及孔橋區(qū)均始終處于受拉的狀態(tài)[4]。因此，在溫差應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、換熱管軸向拉應(yīng)力及入口油漿對(duì)管頭沖刷腐蝕的共同作用下，使管板與換熱管連接焊縫處極易產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致管頭發(fā)生泄漏事故。

1.2 大法蘭密封面處泄漏

在長(zhǎng)期處于高溫條件下工作時(shí)，螺柱將會(huì)因高溫而出現(xiàn)蠕變及應(yīng)力松弛等現(xiàn)象，對(duì)螺栓預(yù)緊力帶來(lái)不利影響[5]。法蘭是直接與高溫介質(zhì)接觸，但是螺柱不直接與介質(zhì)接觸，因此法蘭與螺柱間會(huì)存在一定的溫差，在存在溫差的情況下，由于法蘭與螺柱材質(zhì)不同，其膨脹系數(shù)也不一致，因此導(dǎo)致法蘭與螺柱的變形協(xié)調(diào)不一致是引起螺柱松弛而導(dǎo)致對(duì)墊片的預(yù)緊力不均勻或不夠而造成法蘭密封面間的泄漏事故發(fā)生的最主要的原因。另一方面，當(dāng)殼程入口的水經(jīng)吸熱轉(zhuǎn)化為蒸汽過(guò)程中，正常操作時(shí)使換熱器殼程始終處于相變狀態(tài)中，因相變的存在而使換熱器殼程內(nèi)部的溫度變化極其不均勻[1]，當(dāng)法蘭沿圓周一直處于不斷變化的受熱狀態(tài)下時(shí)也會(huì)引起墊片的螺栓預(yù)緊力不均勻，從而影響法蘭的密封性能。再有，當(dāng)殼程產(chǎn)生的蒸汽若不能快速通過(guò)出口接管排出時(shí)，高溫蒸汽還將聚集在管板密封面處，導(dǎo)致法蘭密封面會(huì)承受局部的高溫應(yīng)力，可能使墊片因局部過(guò)熱而產(chǎn)生過(guò)度變形，同時(shí)也將使法蘭螺柱承受過(guò)大的溫差應(yīng)力，同樣對(duì)法蘭墊片的密封性能產(chǎn)生重要的影響。尤其是隨著裝置大型化后，設(shè)備規(guī)格也越來(lái)越大，對(duì)于大直徑換熱器，其密封面及墊片在高溫、高壓作用下產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)的不一致性會(huì)更大，其對(duì)密封性能的影響也更明顯，導(dǎo)致設(shè)備法蘭密封面處發(fā)生泄漏失效的概率就更高。

2 設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

當(dāng)油漿蒸汽發(fā)生器的工藝或操作條件無(wú)法進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)，則需要從設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，在滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)要求的前提下使設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，從而實(shí)現(xiàn)避免油漿蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生泄漏或降低泄漏的概率。

2.1 換熱管與管板連接方式改進(jìn)

為了增加換熱管與管板連接的焊接接頭所承受軸向力的能力，對(duì)新設(shè)計(jì)的油漿蒸汽發(fā)生器，將其管板的管孔坡口形式由原設(shè)計(jì)的V形坡口改為U形坡口，并要求將換熱管與管板的焊接接頭至少焊兩遍，而且兩遍焊道的起弧點(diǎn)必須錯(cuò)開(kāi)。通過(guò)坡口的擴(kuò)大增加了連接接頭的金屬熔合量而增強(qiáng)了管頭連接焊縫的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)又要求對(duì)管頭焊接接頭必須進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，從而減小了管頭焊縫的應(yīng)力集中，有效改善了管頭的受力狀態(tài)。另外，為了減少入口高溫油漿對(duì)管頭的沖刷及磨蝕，對(duì)每根換熱管入口端設(shè)置一段長(zhǎng)度為管板厚加100mm，厚度為0.8mm的不銹鋼內(nèi)襯管，內(nèi)襯管的末端制作成翻邊結(jié)構(gòu)與換熱管端面進(jìn)行密封焊，同時(shí)在不銹鋼內(nèi)襯管外壁與換熱管內(nèi)壁之間采用涂刷高溫磷酸鹽粘結(jié)劑的方法將內(nèi)襯管與換熱管粘貼牢固。換熱管管頭連接方式的結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)比如圖2所示。

圖2 管子與管板接頭改進(jìn)示意圖Fig.2 Schematic plot of improvement of tube to tube sheet joint

2.2 大法蘭螺柱設(shè)置碟簧

如前文所述，由于油漿蒸汽發(fā)生器的工作溫度高，而且大法蘭螺柱長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，操作過(guò)程中的壓力、溫度波動(dòng)及法蘭與螺柱之間存在溫差等原因均會(huì)導(dǎo)致螺柱出現(xiàn)松弛，致使螺栓預(yù)緊力不足而發(fā)生泄漏事故。針對(duì)使用過(guò)程中出現(xiàn)螺栓預(yù)緊力松弛的問(wèn)題，可通過(guò)在兩側(cè)法蘭與螺母間各安裝一個(gè)具有彈性的預(yù)緊碟簧，通過(guò)碟簧的變形來(lái)補(bǔ)償由于螺柱松弛所減少的預(yù)緊力，從而有效控制了法蘭密封面的泄漏。預(yù)緊碟簧的工作原理就是當(dāng)螺母被擰緊時(shí)，碟簧就被軸向壓縮并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，一旦當(dāng)螺柱發(fā)生松弛現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)碟簧就會(huì)將吸收的勢(shì)能進(jìn)行釋放轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓預(yù)緊力的補(bǔ)償，讓螺栓預(yù)緊力始終保持在滿(mǎn)足墊片密封所需預(yù)緊力的范圍內(nèi)[6]。預(yù)緊碟簧是采用耐高溫、高彈性模量的專(zhuān)用合金材料制作而成，其行程與載荷呈線(xiàn)性關(guān)系，載荷力是隨著行程的增加而增大，當(dāng)行程達(dá)到最大值時(shí)，載荷力也達(dá)到峰值，因此在有效的行程范圍內(nèi)它可以補(bǔ)償足夠的預(yù)緊力來(lái)保證密封效果。根據(jù)油漿蒸汽發(fā)生器的操作工況，設(shè)計(jì)中一般都采用AIG20813類(lèi)碟簧，該碟簧能提供較高的補(bǔ)償力，最高使用溫度可以達(dá)到600℃，尤其適用于各種高壓、高溫的場(chǎng)合[7]。預(yù)緊碟簧的安裝示意圖如圖3所示。

圖3 預(yù)緊碟簧安裝示意圖Fig.3 Schematic plot of installation of preloaded disc spring

2.3 采用自緊式雙金屬波齒復(fù)合墊

原設(shè)計(jì)的油漿蒸汽發(fā)生器大法蘭墊片采用的不銹鋼石墨纏繞墊，該墊片屬于強(qiáng)制密封墊片。對(duì)強(qiáng)制密封而言，其密封性能依靠足夠大的螺栓預(yù)緊力而獲得，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，操作工況如溫度、壓力等參數(shù)的變化，螺柱與法蘭膨脹系數(shù)的不一致等因素均可引起螺柱松弛導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力減小，從而影響墊片的密封性能。一般情況下，在換熱器投用前的最終安裝時(shí)，為了確保螺柱有足夠的預(yù)緊力，預(yù)緊螺柱的時(shí)候施加的初始預(yù)緊力往往會(huì)超過(guò)理論計(jì)算值，而過(guò)大的預(yù)緊力反而會(huì)導(dǎo)致纏繞墊片被壓潰，從而使墊片完全喪失了密封性能。因此在采用纏繞墊時(shí)，預(yù)緊力過(guò)大或過(guò)小，均可能引起法蘭密封面處的泄漏事故。針對(duì)纏繞墊片的不足，在新設(shè)計(jì)中，大法蘭墊片采用了一種新型的雙金屬自緊式波齒復(fù)合墊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。雙金屬波齒復(fù)合墊是采用由兩片呈波紋狀的金屬板，通過(guò)上下貼合在一起并在外圓周進(jìn)行熔焊而形成的金屬骨架，然后在骨架外面復(fù)合N型柔性膨脹石墨所組成的一種特殊墊片。與普通強(qiáng)制性密封不同的是，雙金屬波齒復(fù)合墊是按壓力自緊原理而設(shè)計(jì)，當(dāng)介質(zhì)壓力滲透到金屬骨架的間隙而作用在墊片內(nèi)表面時(shí)，會(huì)使兩片金屬片骨架分別向外壓向相應(yīng)的法蘭面，從而在墊片上下表面與法蘭密封面之間形成了一個(gè)與介質(zhì)壓力相當(dāng)?shù)母郊恿?，該附加力使墊片的預(yù)緊力獲得自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)自緊的目的而使墊片獲得穩(wěn)定的密封性，因此大大地減少了靠螺栓預(yù)緊力來(lái)保證密封性能的依賴(lài)[8]。同時(shí)，因采用了整體金屬骨架結(jié)構(gòu)，提高了墊片的牢固性和穩(wěn)定性，也不會(huì)因初始預(yù)緊力過(guò)大而導(dǎo)致墊片被壓潰。

圖4 雙金屬波齒復(fù)合墊示意圖Fig.4 Schematic plot of double metal wave tooth composite gasket

2.4 優(yōu)化殼程管口位置設(shè)計(jì)

為了便于殼程的汽水混合物快速排出，應(yīng)盡量減少汽水混合物在殼程中的停留時(shí)間，尤其是靠近管板處的蒸汽聚集。新設(shè)計(jì)中，將汽水混合物出口接管盡量均勻布置方便汽水混合物均勻、快速排出。為減緩因靠近管板處的蒸汽聚集導(dǎo)致管板區(qū)域局部溫度過(guò)高，還將殼程靠近固定管板處的一個(gè)汽水混合物出口管口由原來(lái)的帶補(bǔ)強(qiáng)圈的接管結(jié)構(gòu)改為采用鍛件加強(qiáng)管的整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。由于補(bǔ)強(qiáng)圈外徑一般都比接管大很多，與采用補(bǔ)強(qiáng)圈的接管相比，采用鍛件管則可以使接管與管板的距離設(shè)計(jì)得更小，以有利于快速將蒸汽排出，有效減少了管板死區(qū)的蒸汽聚集，從而可以起到改善管板區(qū)域局部溫度過(guò)高和不均勻的作用。

圖5 管口布置示意圖Fig.5 Schematic plot of nozzle arrangement

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)換熱管與管板的管頭連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，法蘭連接采用預(yù)緊碟簧加雙金屬自緊式波齒復(fù)合墊組合配置及調(diào)整優(yōu)化殼程管口位置的方法而設(shè)計(jì)的油漿蒸汽發(fā)生器，運(yùn)用在新開(kāi)工的催化裝置中獲得了滿(mǎn)意的效果，管頭及法蘭處的泄漏問(wèn)題基本得到解決，為裝置穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證。隨著裝備制造加工技術(shù)的發(fā)展，為更好的解決管頭開(kāi)裂及泄漏問(wèn)題，管頭連接還可以采用內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)，并在管板上增設(shè)減應(yīng)槽等，但該結(jié)構(gòu)對(duì)制造加工要求高，成本也可能會(huì)增加很多，是否采用需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較后而確定。