邵繼東 , 程濤濤

(惠生工程(中國(guó))有限公司 鄭州分公司 , 河南 鄭州 450018)

浮頭式換熱器主要由管箱、殼體、可抽管束、浮頭蓋等組成。在乙烯和煉油項(xiàng)目中,經(jīng)常用在管/殼程需進(jìn)行清洗、清理的場(chǎng)合,為便于管側(cè)清理,浮頭蓋為可拆結(jié)構(gòu),但若此處密封失效,則會(huì)發(fā)生內(nèi)部泄漏,且操作中不易察覺(jué),所以需關(guān)注浮頭蓋自身密封結(jié)構(gòu)的合理性。浮頭法蘭處的螺柱是和殼側(cè)介質(zhì)直接接觸,因此在浮頭螺柱選材時(shí),就需要考慮其與殼側(cè)介質(zhì)的相容性。壓力容器在濕硫化氫腐蝕環(huán)境中的選材,更多是關(guān)注板材、管材、鍛件的選材以及制造方面要求,而對(duì)于螺柱等緊固件則沒(méi)有要求。

某項(xiàng)目的一臺(tái)浮頭式換熱器(DN1200),主要參數(shù)如表1所示。由于存在濕硫化氫腐蝕,殼程的主要受壓元件采用抗?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕環(huán)境的HIC鋼材,同時(shí)在材料、制造、檢驗(yàn)等方面進(jìn)行要求,來(lái)保證設(shè)備的正常工作。

表1 浮頭換熱器主要參數(shù)

本文結(jié)合工程實(shí)例,通過(guò)案例進(jìn)行初步試算對(duì)比,探討碳素鋼螺柱20、奧氏體不銹鋼螺柱S32168、低合金高強(qiáng)螺柱35CrMoA在濕硫化氫環(huán)境中適用性,最后選取SA-193-B7M螺柱以確保浮頭蓋避免因腐蝕而造成的密封失效情況的發(fā)生。

1 浮頭結(jié)構(gòu)試算

浮頭式換熱器設(shè)計(jì),關(guān)鍵是確定合理的浮頭結(jié)構(gòu),如浮頭法蘭、外頭蓋、布管限定圓等合適的尺寸。由于殼程內(nèi)浮頭蓋結(jié)構(gòu)限制,浮頭換熱器通常應(yīng)用在設(shè)備直徑、設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力不高的場(chǎng)合。但此案例中設(shè)備直徑、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度均較高,為了解不同材料的螺柱在此設(shè)計(jì)參數(shù)下的可行性,分別進(jìn)行了浮頭結(jié)構(gòu)的試算。

1.1 鉤圈形式

鉤圈采用GB/T151—2014中的B型。優(yōu)點(diǎn)是管板插入鉤圈較深,鉤圈與浮頭蓋法蘭間距離最大約10 mm,減小了螺栓的長(zhǎng)度,提高了螺栓連接的剛性,且使浮頭所占軸向空間較小,從而使管束的有效換熱長(zhǎng)度較大,目前在工程中應(yīng)用范圍最廣。

1.2 墊片形式

此設(shè)備設(shè)計(jì)壓力較高,且直徑較大,為得到緊湊的浮頭結(jié)構(gòu)尺寸,需要在滿足密封性要求情況下,盡量選擇相對(duì)較低密封比壓和墊片系數(shù)的墊片。這里選用柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊,該墊片有一定的壓縮量和回彈量,且使用壽命長(zhǎng),不易散架,能很好地適應(yīng)化工設(shè)備高參數(shù)情況下的腐蝕場(chǎng)合。同時(shí)該墊片相對(duì)于纏繞墊,密封比壓降低明顯,可以有效減少螺栓預(yù)緊力要求。

1.3 螺柱材料

試算中螺柱選材為:碳素鋼20、奧氏體不銹鋼S32168、低合金鋼高強(qiáng)鋼35CrMoA,基本上代表了國(guó)內(nèi)常用的螺柱選材類型。三種材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2 不同材料螺柱參數(shù)表

通過(guò)對(duì)比,暫將材料分為較低許用應(yīng)力(20、S32168)和較高許用應(yīng)力(35CrMoA)兩種組別。

1.4 試算結(jié)果

對(duì)于較高應(yīng)力組別35CrMoA螺柱,按照GB/T 151—2014中要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。此方案中外頭蓋直徑按常規(guī)設(shè)計(jì),即公稱直徑+100 mm,浮頭法蘭處僅需配置56個(gè)M27浮頭螺柱即可。此時(shí)整個(gè)浮頭蓋以及外頭蓋結(jié)構(gòu)緊湊,經(jīng)濟(jì)合理。對(duì)于低應(yīng)力組別的20和S32168螺柱,由于許用應(yīng)力較低,無(wú)法得到結(jié)構(gòu)合理尺寸。大致分析如下:①為了滿足浮頭法蘭密封所需的螺栓面積,需要增大螺栓直徑或者螺栓個(gè)數(shù)。由于工藝換熱面積限制,即布管限定圓不能太小,故對(duì)于此設(shè)備只能通過(guò)增大浮頭法蘭螺栓中心圓來(lái)提供更多的螺栓面積。②若增大浮頭法蘭螺栓中心圓,則法蘭密封所需面積進(jìn)一步增大,導(dǎo)致增加的螺柱面積一直達(dá)不到所需的螺柱面積。③由于螺栓中心圓增大,浮頭法蘭外徑增大,同時(shí)外頭蓋直徑增大,初步調(diào)試的外頭蓋直徑較設(shè)備公稱內(nèi)徑增大300 mm仍未得到合格的理論計(jì)算結(jié)果。④外頭蓋尺寸加大,同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致外頭蓋側(cè)法蘭尺寸過(guò)大,導(dǎo)致密封困難,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)笨重甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

2 浮頭螺柱選材分析

2.1 腐蝕考慮

GB/T151—2014中規(guī)定:“換熱管、鉤圈、浮頭螺栓和縱向隔板一般不考慮腐蝕裕量”,浮頭螺柱維持一個(gè)裝置檢修周期后根據(jù)需要可以更換,因此可不考慮腐蝕裕量。標(biāo)準(zhǔn)中所述的腐蝕裕量是由均勻腐蝕造成的,一般可根據(jù)腐蝕速率乘以設(shè)計(jì)使用年限或根據(jù)工程實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)確定。所以在常規(guī)的工程設(shè)計(jì)中,不需要考慮浮頭螺柱在殼程介質(zhì)作用下的腐蝕裕量是合理的。忽視螺柱材料與殼程介質(zhì)相容性問(wèn)題(例如應(yīng)力腐蝕)是不合理的。

濕硫化氫應(yīng)力環(huán)境會(huì)造成碳鋼和低合金鋼設(shè)備產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。因環(huán)境差異會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象,如氫致開(kāi)裂(HIC)、硫化物應(yīng)力開(kāi)裂(SSC)、氫鼓泡(HB)和應(yīng)力導(dǎo)向氫致開(kāi)裂(SOHIC)等。工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要和工程可實(shí)施性,采取針對(duì)性預(yù)防應(yīng)力腐蝕破壞的具體措施。

2.2 材料要求

如果不對(duì)螺柱材料性能指標(biāo)進(jìn)行要求,處于濕硫化氫腐蝕環(huán)境中的螺柱則很可能發(fā)生脆性斷裂。因此,需要對(duì)螺栓材料的使用狀態(tài)、硬度值、斷后伸長(zhǎng)率、沖擊吸收能量等方面作出要求。在濕硫化氫環(huán)境下,根據(jù)SH/T3193—2017中要求碳素鋼和低合金鋼的斷后伸長(zhǎng)率≥25%,特點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 三種類型螺柱材料的適用性

由于上述國(guó)內(nèi)三種類型材料無(wú)法同時(shí)兼顧材料強(qiáng)度及抗?jié)窳蚧瘹涞囊?為保證浮頭螺柱的可靠性,螺柱考慮采用國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中材料。亦或與上游專業(yè)溝通,更改換熱器形式為U形管換熱器或管/殼程介質(zhì)進(jìn)行調(diào)換。

3 設(shè)計(jì)方案確定

3.1 螺柱材料確定

ASME材料中有專門用于濕硫化氫場(chǎng)合的螺柱SA-193-B7M,材料B7M是B7的改型,可以防止?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕螺柱的破裂,在工程中使用廣泛。B7M 相比于B7降低碳、錳含量的下限,提高了最低回火溫度,降低了強(qiáng)度的指標(biāo)。

B7M材料在設(shè)計(jì)溫度230 ℃時(shí),許用應(yīng)力為137.9 MPa,其許用應(yīng)力介于35CrMoA(194.2 MPa)和S32168(92.4 MPa)之間,且比S32168許用應(yīng)力高了49%。由于B7M與35CrMoA兩者化學(xué)組分相近,且許用應(yīng)力也相對(duì)較高,是此案例中代替35CrMoA的最佳選材方案。螺母采用與SA-193-B7M螺柱配套的SA-194-2HM螺母,其抗?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕,系基于2H螺母進(jìn)行改良,回火溫度高,表面硬度降低。

3.2 方案確定

采用SA-193-B7M螺柱,重新進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 浮頭螺柱采用SA-193-B7M的設(shè)計(jì)方案

由于設(shè)備壓力較高,公稱直徑較大,外頭蓋直徑比設(shè)備公稱內(nèi)徑增大200 mm,浮頭螺柱采用48-M36。雖然外頭蓋尺寸相比于圖1中方案大了一些,但整體結(jié)構(gòu)仍比較緊湊。更為重要的是,此方案既滿足了工藝換熱性能,同時(shí)也滿足設(shè)備強(qiáng)度和抗?jié)窳蚧瘹湫阅?從設(shè)計(jì)源頭保證設(shè)備質(zhì)量安全。

4 結(jié)論

①對(duì)于浮頭式換熱器,殼程處于濕硫化氫腐蝕環(huán)境時(shí),需要考慮螺柱材料與殼程介質(zhì)相容性,選擇合適材料。②設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力、溫度及公稱直徑較大時(shí),螺柱選材方面需考慮較高的許用應(yīng)力,才能得到合理的浮頭結(jié)構(gòu),若選用碳素鋼20以及奧氏體不銹鋼螺柱,可能無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。③對(duì)于殼程為濕硫化氫環(huán)境的浮頭式換熱器,當(dāng)國(guó)內(nèi)浮頭螺柱材料無(wú)法滿足工程設(shè)計(jì)需要時(shí),可采用國(guó)外牌號(hào)材料方案。本文實(shí)例已在工程中成功應(yīng)用,至今運(yùn)行良好,可為工程設(shè)計(jì)提供參考。