螺紋鎖緊環(huán)換熱器內(nèi)漏原因分析及處理

李鉆

（中海油粵東液化天然氣有限責(zé)任公司，廣東 揭陽(yáng) 515200）

1 概述

260 Mt/a年柴油加氫精制裝置是茂名石化公司產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)改造項(xiàng)目中的一套重要裝置，該裝置3臺(tái)高壓臨氫換熱器E102A/B/C，采用螺紋鎖緊環(huán)式，型號(hào)為：BFU1200-7.80/9.35-518-6/19-2/2。裝置至2006年6月投產(chǎn)后，于次年5月，反應(yīng)器R101壓差逐漸變小，同時(shí)反應(yīng)器上床層徑向溫差逐漸變大，排除催化劑裝填不均勻引起的因素后，根據(jù)反應(yīng)器壓差降到0.21 MPa，循環(huán)氫流量增加25%，確定E102已內(nèi)漏。

2 螺紋鎖緊環(huán)換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

螺紋鎖緊環(huán)式管箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。螺紋鎖緊環(huán)上的外圈螺栓先傳遞給外圈頂銷再傳遞到外壓環(huán)，然后到隔板最后到管程墊片。換熱器操作時(shí)，隨時(shí)可以緊固外圈螺栓而消除管程泄漏。分合環(huán)上的螺栓先傳遞給內(nèi)隔筒上支承環(huán)再傳遞到內(nèi)隔筒，然后到管板最后到殼程墊片。設(shè)備運(yùn)行過程中若發(fā)現(xiàn)管程與殼程有串漏時(shí)，可通過擰緊螺紋鎖緊環(huán)上的內(nèi)圈螺栓，管板從而將殼程墊片壓緊。

圖1 螺紋鎖緊環(huán)式管箱結(jié)構(gòu)

3 E102內(nèi)漏原因分析

換熱器內(nèi)漏一般發(fā)生在殼程墊片、管板、U形管煨彎處等3個(gè)部位。由于設(shè)備剛投用不久，換熱器管板、換熱器U型管煨彎處發(fā)生泄漏的可能性較低。在實(shí)際中我們上緊內(nèi)圈螺栓，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器壓差發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，證實(shí)了E102內(nèi)漏點(diǎn)是殼程墊片。E102管板是按壓差設(shè)計(jì)的，本身壓差較小，殼程壓力比管程大0.8～1.2 MPa（隨處理量變化），而設(shè)計(jì)壓差為3.0 MPa，水壓試驗(yàn)壓力為4.5 MPa，通常能保證殼程墊片密封的可靠性。但實(shí)際運(yùn)行中仍出現(xiàn)泄漏，原因主要有以下幾點(diǎn)：

3.1 預(yù)緊力不均勻

由螺紋鎖緊環(huán)式結(jié)構(gòu)圖1可看出，內(nèi)法蘭螺栓不是直接作用到管板上，而是通過特殊的傳力結(jié)構(gòu)才將墊片所需壓緊力傳遞到管板再施加到墊片上。在檢修安裝過程中，由于各方面的原因墊片的壓緊力可能不均衡、不足。

3.2 熱膨脹不一致

管箱內(nèi)隔筒與管箱材質(zhì)不同，導(dǎo)致高溫下熱膨脹量存在差異，E102內(nèi)隔筒全部選用0Cr18Ni10Ti不銹鋼，管箱為15CrMo鋼，兩者線膨脹系數(shù)相差45%；E102運(yùn)行溫度為220左右，總長(zhǎng)800mm的不銹鋼內(nèi)隔筒的熱膨脹量比15CrMo鋼管箱大1.5mm，由于兩者變形不協(xié)調(diào)，會(huì)對(duì)內(nèi)法蘭螺栓、內(nèi)隔筒及殼程墊片產(chǎn)生很大的壓縮力，這種外力的作用，可能造成內(nèi)法蘭螺栓彎曲變形、內(nèi)隔筒微量壓縮，一旦操作溫度發(fā)生大的波動(dòng)，造成密封墊片因密封比壓不夠而泄漏的故障。

3.3 密封墊片回彈不足

管、殼程的墊片一般選擇纏繞墊或波齒復(fù)合墊，金屬墊片因回彈能力差及所需密封比壓大，一般不使用。由前分析不難看出，此墊片回彈能力是一個(gè)重要指標(biāo)，回彈能力強(qiáng)的墊片能彌補(bǔ)前述墊片作用力因溫度發(fā)生變化而造成的泄漏。工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)和制造單位一是采用加厚石墨盤根（靠管程側(cè)用作熱補(bǔ)償）和加厚W形纏繞墊（靠殼程側(cè)作為主密封）；二是選擇兩個(gè)波齒復(fù)合墊，靠管程側(cè)用作熱補(bǔ)償，靠殼程側(cè)作為主密封。國(guó)外進(jìn)口的此類換熱器多數(shù)只有靠殼程側(cè)一個(gè)加厚W形纏繞墊。E102采用了兩個(gè)4.5mm厚波齒復(fù)合墊（石墨＋0Cr18Ni10Ti）。在實(shí)踐中三種型式的換熱器都出現(xiàn)過內(nèi)漏的問題。

3.4 不同心

管束與管殼軸線不同心、管板密封面與管束軸線不垂直，造成波齒復(fù)合墊受力不均勻，甚至局部密封比壓低于墊片所需密封比壓，形成泄漏。管束與管殼軸線不同心的原因是在高溫運(yùn)行中管束和管殼由于材質(zhì)不同、熱膨脹系數(shù)不一樣造成徑向膨脹不一致。管板密封面與管束軸線不垂直的原因是管板因管頭脹接而造成密封面變形。在上緊內(nèi)圈壓緊螺栓前，我們對(duì)內(nèi)圈壓緊螺栓頂?shù)芥i緊環(huán)的距離進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)E102上半部于下半部不平度達(dá)2～3mm。

3.5 操作引起的溫度和壓力波動(dòng)

原油劣質(zhì)化致使加氫精制原料含氮含氯愈來(lái)愈高，E102管程實(shí)際操作溫度為240～110，氨鹽結(jié)晶析出不可避免。為了避免氨鹽結(jié)晶堵塞管路，在E102和A101之前各設(shè)有一條注水線，正常工況，只在A101之前注水。E102從2006年8月開工以來(lái)至2006年11月，由于氨鹽結(jié)晶E102壓降變大至0.3 MPa

為了降低系統(tǒng)壓降、提高E102換熱效果，車間將注水點(diǎn)由E102之后改為E102之前，水洗8小時(shí)，效果明顯，E102壓降恢復(fù)到裝置開工初期水平。之后差不多每月改注水一次。由于水的汽化潛熱很大，每次注水都引起E102管程操作溫度大幅下降。E102改注水前后管程溫度變化見表1。

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綜上所述，注水點(diǎn)由E102之后改為E102之前后，管程溫度突然下降，內(nèi)隔筒冷縮，補(bǔ)償墊片回彈不足，殼程側(cè)墊片密封比壓不足，導(dǎo)致E102內(nèi)漏。

4 螺栓上緊力的計(jì)算和處理措施

4.1 內(nèi)圈螺栓上緊力的計(jì)算

為了防止壓緊力過大，將墊片壓潰或造成內(nèi)導(dǎo)筒塑性變形，首先算出正常情況下內(nèi)圈螺栓上緊力。

4.1.1 內(nèi)法蘭螺栓預(yù)緊力的計(jì)算

預(yù)緊時(shí)，螺栓載荷等于墊片所需預(yù)緊力：

式中：

DC=1258 mm，墊片壓緊作用的計(jì)算直徑；B=9.5mm墊片計(jì)算密封寬度；Y墊片的密封比壓，Y=50 MPa。

經(jīng)計(jì)算預(yù)緊時(shí)的螺栓載荷W1=1876307N。

操作時(shí)，螺栓載荷等于管板兩側(cè)由差壓引起的軸向力P1與墊片工作時(shí)的反力G（數(shù)值上等于操作時(shí)墊片密封所需的預(yù)緊力）之和；

式中：

P1管板兩側(cè)由差壓引起的軸向力，N；P1=（π/4）DC2P=3726938N；

G墊片工作時(shí)的反力，G=2πDCBmP=675471N；P 操作差壓，P=3.0MPa；m 墊片系數(shù)，m=3。

經(jīng)計(jì)算操作時(shí)的螺栓載荷W2=4402409N。

4.1.2 內(nèi)圈壓緊螺栓上緊力的計(jì)算

在檢修安裝中，內(nèi)圈壓緊螺栓一般是不上緊的，采取的做法是將內(nèi)圈壓緊螺栓先頂緊內(nèi)壓環(huán)后，再退半扣。在運(yùn)行過程中若發(fā)現(xiàn)有內(nèi)漏現(xiàn)象時(shí)，則通過上緊內(nèi)圈壓緊螺栓，使壓緊力作用到殼程墊片上，從而達(dá)到密封效果。

在操作時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏，此時(shí)內(nèi)圈壓緊螺栓壓力W3等于管、殼程內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力P1、P2與殼程墊片工作時(shí)的反力G（數(shù)值上等于墊片操作時(shí)密封所需的總壓緊力）三者之各：

經(jīng)計(jì)算操作時(shí)螺栓的載荷W3=6284864 N

單個(gè)螺栓的預(yù)緊力：F1=W3/N2

式中：N2內(nèi)圈壓緊螺栓的數(shù)量，N2=60個(gè)。經(jīng)計(jì)算單個(gè)螺栓的預(yù)緊力F1=104747N。

在擰緊螺母時(shí)，需要克服螺紋副的螺紋力矩T1，由于螺栓頭部設(shè)計(jì)成球面，單頭螺栓六角頭與鎖緊環(huán)不接觸。所以，螺栓頭部的承壓面力矩T3、螺母的承壓面力矩T2和夾持力矩T4均可忽略不計(jì)，故擰緊力矩T等于螺紋力矩T1。在螺紋力矩的影響下，螺紋副間有圓周力FT的作用，螺栓受到預(yù)緊力F。

式中：

ψ 螺紋中徑升角，（°），ψ=arctg(np/πd1)；n 螺紋頭數(shù)，n=1；P 螺距，P=3.0mm；np 導(dǎo)程，np=3.0mm；d1內(nèi)法蘭螺栓的中徑，d1=31.5mm；ρv－當(dāng)量摩擦角，ρv＝arctgα(np/πd1)（0）；μ－摩擦系數(shù)，μ＝0.2；α 牙形角，α=60°；M1－擰緊力矩系數(shù)，M1＝tg（ψ+ρv）/2＝0.20

經(jīng)計(jì)算單個(gè)螺栓擰緊力矩T=T1=752N.m

從上述計(jì)算可知，內(nèi)圈壓緊螺栓的上緊力肯定要大于殼程墊片在初始密封時(shí)由內(nèi)法蘭螺栓所加的預(yù)緊力，因?yàn)閮?nèi)圈壓緊螺栓所提供的壓緊力作用在克服由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力之后，剩余的壓緊力作用在殼程墊片上的比壓還要略大于由內(nèi)法蘭螺栓所施加的初始密封比壓值。

4.2 在實(shí)際施工中，我們首先對(duì)60個(gè)內(nèi)圈壓緊螺栓進(jìn)行編號(hào)、標(biāo)示，并對(duì)內(nèi)圈壓緊螺栓頂?shù)芥i緊環(huán)的距離進(jìn)行了測(cè)量、記錄。然后從450N.m開始，每次將內(nèi)圈壓緊螺栓的上緊力按10%的比例遞增，每上緊一次后對(duì)螺栓的位置進(jìn)行記錄，以保證管殼程墊片的預(yù)緊力的均衡，力矩增加到750N.m后反應(yīng)器壓降恢復(fù)到裝置開工時(shí)水平，證明E102已不內(nèi)漏。施工過程中反應(yīng)器壓降與力矩的關(guān)系見圖2

圖2 反應(yīng)器壓降與力矩的關(guān)系

5 結(jié)論與建議

5.1 E102 內(nèi)漏的原因是注水點(diǎn)由E102之后改為E102之前后，管程溫度突然下降，內(nèi)隔筒冷縮，補(bǔ)償墊片回彈不足，管程密封墊片密封比壓不足。

5.2 E102 內(nèi)隔筒的熱補(bǔ)償建議采用新型耐高溫、耐腐蝕的碟簧。

E102管板兩側(cè)采用了兩個(gè)相同材質(zhì)和規(guī)格的波齒復(fù)合墊（石墨＋0Cr18Ni10Ti），由于應(yīng)力松弛率、壓縮率、回彈率相同，靠管程側(cè)墊片所起的吸能、補(bǔ)償作用有限。而耐高溫碟簧的應(yīng)力松弛率、回彈率比波齒復(fù)合墊要優(yōu)異得多，可以有效地抵消溫度和壓力波動(dòng)，通過表面鍍Ni的碟簧的抗氫和硫化氫腐蝕能力也能滿足使用要求。

5.3 E102 設(shè)計(jì)時(shí)管程介質(zhì)選混合氫，而殼程選熱高分氣，更有利于保證管殼程之間密封的可靠性。

[1]GB150-1998鋼制壓力容器

[2]GB151-1999管殼式換熱器

[3]陳建玉.高壓螺紋鎖緊環(huán)式換熱器檢修中常見故障分析及對(duì)策.化工機(jī)械，2005.32（4）：254～255