王錫海,王嘉浩

(重慶建峰化工股份有限公司 重慶 408601)

重慶建峰化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)建峰化工公司)800 kt/a 尿素裝置高壓系統(tǒng)采用的是荷蘭斯塔米卡邦公司的專(zhuān)利設(shè)備,設(shè)備運(yùn)行溫度為140～160 ℃,操作壓力為13.5～15.5 MPa。 由于在尿素合成過(guò)程中產(chǎn)生腐蝕性較強(qiáng)的氨基甲酸銨,因此設(shè)備殼體采用復(fù)合材料,由耐腐蝕的內(nèi)襯和承壓的強(qiáng)度層構(gòu)成,內(nèi)襯采用Safurex 超級(jí)雙相鋼,強(qiáng)度層采用低合金碳鋼,在內(nèi)襯和強(qiáng)度層之間設(shè)置泄漏通道。

設(shè)備封頭及人孔法蘭密封面均為平面,一部分密封環(huán)由耐蝕材料堆焊加工而成,一部分密封環(huán)由耐蝕材料毛坯加工鑲嵌而成。 法蘭密封墊采用耐高溫、耐腐蝕的金屬?gòu)?fù)合齒形墊,是一種金屬與非金屬的組合墊片。 在斯塔米卡邦公司的工藝包中,專(zhuān)利商對(duì)齒形墊的使用有條件限制,如金屬芯的再使用和墊片預(yù)緊力等均需滿(mǎn)足一定的要求。 但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,按專(zhuān)利商的要求進(jìn)行使用,往往會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,如建峰化工公司尿素高壓圈設(shè)備在檢修結(jié)束回裝墊片后,發(fā)生了法蘭泄漏的情況,給裝置的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了較大的影響。

1 齒形墊的結(jié)構(gòu)和工作原理

齒形墊是一種在金屬芯表面帶有鋸齒形結(jié)構(gòu)的墊片,墊芯一般選用金屬材料,由精密車(chē)床在金屬平墊片的兩面加工成同心的鋸齒槽,根據(jù)不同的介質(zhì),表面密封墊可選擇柔性石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、無(wú)石棉板或其他一些軟金屬,粘貼在金屬芯的兩面作為密封層,避免金屬與金屬的直接接觸,防止法蘭受損。

斯塔米卡邦公司的專(zhuān)利設(shè)備使用的齒形墊,墊芯采用316L 不銹鋼,表面密封層為PTFE,結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。 316L 材料本身具有較強(qiáng)的耐腐蝕性,即使PTFE 破損,對(duì)墊片的整體影響也不大。 PTFE具有較好的耐高溫性和良好的耐腐蝕性,能夠完全適應(yīng)含氨基甲酸銨的尿素高壓圈環(huán)境。和壓強(qiáng)溫度乘積值的要求。

圖1 齒形墊結(jié)構(gòu)

2 斯塔米卡邦公司的技術(shù)要求

齒形墊使用時(shí),法蘭螺栓會(huì)給墊片施加一個(gè)預(yù)緊力P,見(jiàn)圖2。 預(yù)緊力對(duì)密封面施加壓緊載荷,產(chǎn)生壓緊應(yīng)力,使金屬墊芯產(chǎn)生彈性變形,非金屬外皮PTFE 被壓入齒形槽中,形成多道平面密封,填補(bǔ)密封面間隙,堵塞泄漏通道,達(dá)到密封效果。 螺栓預(yù)緊力的大小須滿(mǎn)足使用溫度、壓力二氧化碳汽提法尿素裝置的高壓圈設(shè)備包括汽提塔、洗滌塔、池式冷凝器、合成塔,設(shè)備封頭法蘭和通行人孔法蘭的密封面、密封墊設(shè)計(jì)要求為:①齒形墊必須設(shè)置在設(shè)備雙相鋼堆焊層或成型環(huán)表面;②齒形墊支撐密封環(huán)或堆焊層厚度至少達(dá)到6 mm,且必須與設(shè)備碳鋼殼體牢固結(jié)合,見(jiàn)圖3;③支撐密封環(huán)或堆焊層密封面拉傷后可以重新加工;④支撐密封環(huán)或堆焊層材料強(qiáng)度和耐腐蝕性不能低于設(shè)備襯里材料;⑤墊芯在使用后未受到損傷,可以重復(fù)使用。

圖2 齒形墊工作原理

圖3 齒形墊安裝位置

在斯塔米卡邦公司的高壓專(zhuān)利設(shè)備中,汽提塔設(shè)計(jì)有上下兩個(gè)相同的封頭通行口,洗滌塔設(shè)計(jì)有上封頭、下封頭、人孔等3 個(gè)不同的通行口,池式冷凝器設(shè)計(jì)有1 個(gè)人孔通行口,合成塔設(shè)計(jì)有1 個(gè)封頭通行口,各通行口法蘭密封齒形墊規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 尿素裝置高壓圈設(shè)備齒形墊規(guī)格

從表1 可知,高壓設(shè)備齒形墊的墊芯采用6 mm 厚316L 金屬材料,外皮采用0.5 mm 厚PTFE,墊片外徑根據(jù)設(shè)備情況取值,墊片寬為25～40 mm,以滿(mǎn)足各設(shè)備密封要求。

為更好地達(dá)到密封效果,斯塔米卡邦公司還根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行溫度、操作壓力,規(guī)定了設(shè)備水壓條件和運(yùn)行參數(shù)下螺栓單位面積預(yù)緊力P(見(jiàn)表2),同時(shí)提出了各法蘭螺栓的預(yù)緊順序和預(yù)緊步驟。

表2 螺栓單位面積預(yù)緊力

從表2 可知,水壓試驗(yàn)與操作條件下的齒形墊螺栓預(yù)緊力之間存在差值,這是考慮水壓試驗(yàn)螺栓預(yù)緊力為1.25 倍設(shè)計(jì)壓力乘以應(yīng)力修正系數(shù)的結(jié)果。

3 齒形墊應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題及原因

3.1 金屬芯材質(zhì)劣化

建峰化工公司尿素裝置高壓圈設(shè)備齒形墊使用后,PTFE 外皮破損,316L 金屬芯基本完整,無(wú)大的腐蝕和變形,但靠近內(nèi)圈的顏色變黑,鋸齒變脆失去彈性,表明使用后的齒形墊墊芯材質(zhì)已劣化,見(jiàn)圖4。 其原因是齒形墊靠近介質(zhì)的內(nèi)圈,在高溫介質(zhì)作用下,細(xì)薄的齒頂溫度突升和突降產(chǎn)生淬火效應(yīng),導(dǎo)致鋸齒變脆失去彈性。 盡管斯塔米卡邦公司的規(guī)范中有墊芯未受到損傷的情況下可以繼續(xù)使用的規(guī)定,但墊芯材質(zhì)若劣化,表明墊芯已受到傷害,如果繼續(xù)使用,大概率會(huì)出現(xiàn)泄漏。 建峰化工公司要求對(duì)已用過(guò)的墊芯作廢棄處理,不再使用。

圖4 使用后的齒形墊

3.2 操作預(yù)緊力作用下的泄漏

墊片若要達(dá)到較好的密封效果,必須施加一定的預(yù)緊力。 按斯塔米卡邦公司的操作規(guī)范要求,水壓試驗(yàn)和操作條件下應(yīng)分別施加各自的螺栓預(yù)緊力。 但在實(shí)際應(yīng)用中,檢修后采用操作條件下的預(yù)緊力回裝齒形墊,多次出現(xiàn)設(shè)備外漏,見(jiàn)圖5。

圖5 運(yùn)行中的高壓設(shè)備出現(xiàn)泄漏

究其原因,主要是齒形墊的螺栓預(yù)緊力不足引起的。 經(jīng)加壓試驗(yàn),結(jié)果表明采用80%以上的水壓試驗(yàn)螺栓預(yù)緊力,可以達(dá)到理想的密封效果,且預(yù)緊力越大,齒形墊泄漏的可能性越小。

3.3 預(yù)緊力增大對(duì)螺栓使用壽命的影響

預(yù)緊力增大、操作溫度提高,必然對(duì)螺栓的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響,影響程度由溫升幅度和螺栓受力情況決定。 尿素合成溫度一般為160 ℃左右,實(shí)際的螺栓溫升在120 ℃以下,且設(shè)備操作壓力基本穩(wěn)定,螺栓受靜應(yīng)力作用。 金屬材料抗拉強(qiáng)度與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖6[1]。

圖6 金屬材料強(qiáng)度與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖6 可知,對(duì)于大多數(shù)的碳鋼、鉻鉬鋼和奧氏體不銹鋼,抗拉強(qiáng)度極限隨溫度的變化大致可分為初始階段、中間階段和衰減階段等3 個(gè)階段。

初始階段:溫度較低,為0 ～180 ℃,抗拉強(qiáng)度極限隨溫度升高有一定下降,但碳鋼、低合金鋼由于時(shí)效硬化[2],強(qiáng)度曲線(xiàn)先抑后揚(yáng)。

中間階段:溫度為180 ～350 ℃,抗拉強(qiáng)度極限隨溫度升高緩慢下降。

衰減階段:溫度為350 ℃以上,抗拉強(qiáng)度極限急劇下降。

尿素合成溫度為140 ～160 ℃,4 臺(tái)高壓圈設(shè)備封頭、人孔螺栓溫升始終處于初始階段,且螺栓材料為合金鋼,溫度的升高對(duì)螺栓抗拉強(qiáng)度極限的影響很小。 因此,在靜載荷下,預(yù)緊力增大對(duì)螺栓使用壽命的影響較小,可以滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

齒形墊的應(yīng)用情況說(shuō)明,一味照搬規(guī)程或規(guī)范,有時(shí)起不到應(yīng)有的作用,只有根據(jù)實(shí)際情況,不斷調(diào)整修正,才能取得更好的效果。 當(dāng)前,各種規(guī)范較多,在使用時(shí),要認(rèn)識(shí)到規(guī)范的局限性,結(jié)合自身實(shí)際使用效果,不斷加以改進(jìn)。