油漿蒸汽發生器泄漏分析與設計改進措施

呂洪強

(上海河圖工程股份有限公司，上海 201203)

油漿蒸汽發生器作為煉油廠中催化裂化裝置的分餾系統里重要的設備之一，其作用是將分餾塔塔底高溫油漿的熱量進行回收以生產飽和中壓蒸汽，為裝置的節能降耗和保證分餾塔正常運行有著非常重要的意義[1]。油漿蒸汽發生器的結構型式為浮頭式換熱器，如圖1所示，其管程介質為油漿，正常運行溫度為340～350 ℃，操作壓力約1.3 MPa；殼程介質為水，生產飽和中壓蒸汽，其正常運行溫度為250～260℃，操作壓力約4.3 MPa。由于油漿蒸汽發生器的操作工況很苛刻，實際運行過程中經常出現設備本身的損壞，發生泄漏事故影響整個分餾系統的平穩運行，給裝置生產造成很大的經濟損失。本文以某石化公司的100萬t/a催化裂化裝置中的油漿蒸汽發生器E-215AB為例，針對以前的催化裝置中該換熱器所發生過的泄露事故進行原因分析，并探討在本裝置中對該換熱器的設計所采取的改進措施。

圖1 油漿蒸汽發生器示意圖

Fig.1 Schematic plot of slurry oil steam generator

1 泄漏部位及原因分析

1.1 管頭開裂及泄漏

管頭開裂導致的泄漏是各種換熱器發生的泄漏失效中最常見故障之一，而油漿蒸汽發生器由于其操作工況比較苛刻，因此相比一般換熱器而言，其管頭處更容易發生開裂導致泄漏事故。首先，由于油漿蒸汽發生器正常運行時管、殼程存在較大的溫度差，造成管板與換熱管的熱變形協調不一致，產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力[2]。其次，管程入口處的高溫油漿會對管頭會產生高溫沖刷磨蝕[3]，同時油漿中還存在硫化物等腐蝕性介質，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力及應力集中。最后，由于浮頭式換熱器的換熱管是通過前端的固定管板與后端的浮動管板固定，在壓力作用下，換熱管還會產生較大的軸向拉應力，使換熱管與管板連接焊縫及孔橋區均始終處于受拉的狀態[4]。因此，在溫差應力、焊接殘余應力、換熱管軸向拉應力及入口油漿對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生裂紋，最終導致管頭發生泄漏事故。

1.2 大法蘭密封面處泄漏

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

2 設計改進措施

當油漿蒸汽發生器的工藝或操作條件無法進一步優化時，則需要從設備的結構設計上進行優化和改進，在滿足工藝生產要求的前提下使設備的結構設計更為合理，從而實現避免油漿蒸汽發生器產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

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，對新設計的油漿蒸汽發生器，將其管板的管孔坡口形式由原設計的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必須錯開。通過坡口的擴大增加了連接接頭的金屬熔合量而增強了管頭連接焊縫的抗拉強度，同時又要求對管頭焊接接頭必須進行焊后消除應力熱處理，從而減小了管頭焊縫的應力集中，有效改善了管頭的受力狀態。另外，為了減少入口高溫油漿對管頭的沖刷及磨蝕，對每根換熱管入口端設置一段長度為管板厚加100mm，厚度為0.8mm的不銹鋼內襯管，內襯管的末端制作成翻邊結構與換熱管端面進行密封焊，同時在不銹鋼內襯管外壁與換熱管內壁之間采用涂刷高溫磷酸鹽粘結劑的方法將內襯管與換熱管粘貼牢固。換熱管管頭連接方式的結構改進對比如圖2所示。

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

2.2 大法蘭螺柱設置碟簧

如前文所述，由于油漿蒸汽發生器的工作溫度高，而且大法蘭螺柱長度比較長，操作過程中的壓力、溫度波動及法蘭與螺柱之間存在溫差等原因均會導致螺柱出現松弛，致使螺栓預緊力不足而發生泄漏事故。針對使用過程中出現螺栓預緊力松弛的問題，可通過在兩側法蘭與螺母間各安裝一個具有彈性的預緊碟簧，通過碟簧的變形來補償由于螺柱松弛所減少的預緊力，從而有效控制了法蘭密封面的泄漏。預緊碟簧的工作原理就是當螺母被擰緊時，碟簧就被軸向壓縮并將機械能轉化為勢能，一旦當螺柱發生松弛現象時，此時碟簧就會將吸收的勢能進行釋放轉化為機械能，從而實現對螺栓預緊力的補償，讓螺栓預緊力始終保持在滿足墊片密封所需預緊力的范圍內[6]。預緊碟簧是采用耐高溫、高彈性模量的專用合金材料制作而成，其行程與載荷呈線性關系，載荷力是隨著行程的增加而增大，當行程達到最大值時，載荷力也達到峰值，因此在有效的行程范圍內它可以補償足夠的預緊力來保證密封效果。根據油漿蒸汽發生器的操作工況，設計中一般都采用AIG20813類碟簧，該碟簧能提供較高的補償力，最高使用溫度可以達到600℃，尤其適用于各種高壓、高溫的場合[7]。預緊碟簧的安裝示意圖如圖3所示。

圖3 預緊碟簧安裝示意圖Fig.3 Schematic plot of installation of preloaded disc spring

2.3 采用自緊式雙金屬波齒復合墊

原設計的油漿蒸汽發生器大法蘭墊片采用的不銹鋼石墨纏繞墊，該墊片屬于強制密封墊片。對強制密封而言，其密封性能依靠足夠大的螺栓預緊力而獲得，而在實際生產過程中，操作工況如溫度、壓力等參數的變化，螺柱與法蘭膨脹系數的不一致等因素均可引起螺柱松弛導致螺栓預緊力減小，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，為了確保螺柱有足夠的預緊力，預緊螺柱的時候施加的初始預緊力往往會超過理論計算值，而過大的預緊力反而會導致纏繞墊片被壓潰，從而使墊片完全喪失了密封性能。因此在采用纏繞墊時，預緊力過大或過小，均可能引起法蘭密封面處的泄漏事故。針對纏繞墊片的不足，在新設計中，大法蘭墊片采用了一種新型的雙金屬自緊式波齒復合墊，其結構如圖4所示。雙金屬波齒復合墊是采用由兩片呈波紋狀的金屬板，通過上下貼合在一起并在外圓周進行熔焊而形成的金屬骨架，然后在骨架外面復合N型柔性膨脹石墨所組成的一種特殊墊片。與普通強制性密封不同的是，雙金屬波齒復合墊是按壓力自緊原理而設計，當介質壓力滲透到金屬骨架的間隙而作用在墊片內表面時，會使兩片金屬片骨架分別向外壓向相應的法蘭面，從而在墊片上下表面與法蘭密封面之間形成了一個與介質壓力相當的附加力，該附加力使墊片的預緊力獲得自動補償，實現自緊的目的而使墊片獲得穩定的密封性，因此大大地減少了靠螺栓預緊力來保證密封性能的依賴[8]。同時，因采用了整體金屬骨架結構，提高了墊片的牢固性和穩定性，也不會因初始預緊力過大而導致墊片被壓潰。

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

2.4 優化殼程管口位置設計

為了便于殼程的汽水混合物快速排出，應盡量減少汽水混合物在殼程中的停留時間，尤其是靠近管板處的蒸汽聚集。新設計中，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致管板區域局部溫度過高，還將殼程靠近固定管板處的一個汽水混合物出口管口由原來的帶補強圈的接管結構改為采用鍛件加強管的整體補強結構，如圖5所示。由于補強圈外徑一般都比接管大很多，與采用補強圈的接管相比，采用鍛件管則可以使接管與管板的距離設計得更小，以有利于快速將蒸汽排出，有效減少了管板死區的蒸汽聚集，從而可以起到改善管板區域局部溫度過高和不均勻的作用。

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

3 結論

通過對換熱管與管板的管頭連接方式的優化設計，法蘭連接采用預緊碟簧加雙金屬自緊式波齒復合墊組合配置及調整優化殼程管口位置的方法而設計的油漿蒸汽發生器，運用在新開工的催化裝置中獲得了滿意的效果，管頭及法蘭處的泄漏問題基本得到解決，為裝置穩定運行提供了保證。隨著裝備制造加工技術的發展，為更好的解決管頭開裂及泄漏問題，管頭連接還可以采用內孔焊結構，并在管板上增設減應槽等，但該結構對制造加工要求高，成本也可能會增加很多，是否采用需進行經濟性比較后而確定。