高溫換熱器密封面泄漏的治理

馬連剛

摘要：S Zorb裝置吸附進料換熱器E8101CF由于密封面局部損傷變形經常發生密封泄漏，通過采取重新加工法蘭密封面、墊片改造等措施，有效制止了密封面泄漏，保證了裝置的“安、穩、長、滿、優”運行。

關鍵詞：S Zorb裝置、換熱器、密封、機械加工、墊片、預緊力

1. 概述

1.1 90萬噸/年催化汽油吸附脫硫（S Zorb）裝置吸附進料換熱器E8101ABCDEF合計為六臺，分成兩組并聯，每組三臺串聯使用。裝置于2010年1月竣工，3月一次開車成功運行。從2011年6月份開始換熱器E8101CF兩臺多次發生泄漏，甚至引起著火，給安全生產帶來極大隱患。

1.2該六臺換熱器全部由齊魯石化機械廠生產，中石化四化建負責安裝。其中E8101ABDE運行條件要好于E8101CF，因此泄漏次數較少。換熱器E8101CF的型號為BFU1000-4.26-484-7.0/19-2/2I。

其它參數見下表：

由上表看出該換熱器操作溫度和壓力較高，尤其溫度，介質汽油中含有催化劑、膠粉等雜質，運行工況比較苛刻。

2. 原因分析

2.1因管束經常被催化劑、膠粉堵塞需要對換熱器頻繁修理（一般3-6個月檢修一次），對法蘭密封面造成一定損壞。由于該換熱器屬于U形管結構，為了滿足換熱要求，內部管束的換熱管規格Φ19較多較細，介質中的催化劑、膠粉等雜質很容易在換熱管U行彎處造成堵塞。從2011年初裝置開工開始，每運行半年必須進行一次管束清理，否則影響換熱效果增加裝置能耗。法蘭密封面磨損情況如下圖：

2.2 墊片尺寸、型式設計不合理，密封面偏窄。參照管殼式換熱器用纏繞墊片標準JBT4719-1992，該標準適用于設計溫度在-20℃到450℃之間，設計壓力在不大于6.4MPa的情況，查表得知PN4.0 DN1000的換熱器墊片，規格為φ1099*1049*1045mm，而我們現場原設計使用的是波齒復合墊，規格為φ1099*1059*1054mm，顯然墊片密封面寬度要少5mm，實際該換熱器殼程設計溫度達到470℃，對密封要求會更高。

2.3工藝操作波動的影響。隨著原料性質、加工量等因素的變化，會造成換熱器操作溫度的波動，因熱脹冷縮不均勻，會進一步加快密封處的泄漏。

3.采取措施

3.1 對損傷的密封面進行修復。由上部照片看出，管束的管板兩側密封面磨損輕微，只需要對表面進行清理即可，不需進一步處理。換熱器封頭直接進行機械加工，最難處理的是殼體密封面，殼體重、不容易移動，即使能移動也不好進行定位加工。為了解決此項問題，引進了一項新加工技術，由專業的施工單位到現場進行測繪、施工。

現場施工主要步驟：首先，施工人員對現場環境熟悉，進行設備安裝前的測量和數據計算;其次，現場設備安裝：將后支承放入法蘭內部，調整支撐螺桿將后支承固定在法蘭內部、使用換熱器殼體法蘭上的孔，用 M36 的螺桿固定前支承，并安裝前調節盤、再將鏜桿穿入鏜孔機并緊固，整體吊起安裝于前支承調心盤后支承上、最后調整定心盤和后支承，使設備主軸位于法蘭孔中心;然后，起動機器進行車削加工，視具體情況也可以先局部補焊再加工;最后，機械加工完畢后用角磨機和砂紙進行打磨，用百分表進行檢測。驗收合格標準采用中國石化煉化工程建設標準Q/SH 0700—2008《管殼式換熱器技術規定》中的內容。要求密封面的平面度（相對任意一個平面的最大偏差）不應超過0.8mm;密封表面的平均粗糙度不得超過6.3μm。整套工序下來由兩個專業人員施工即可，每臺換熱器（DN1000）從現場調試到完成需要大約三到四天時間，期間需要電工配合接臨時用電，一般不需要現場動火作業，所以很簡便易行。

機械加工安裝示意圖如下：

加工現場設備圖片如下：

3.2 對墊片尺寸進行校核。由《化工密封技術》可知：依靠墊片密封的場合，一般通過螺栓的預緊力，墊片與法蘭逐步緊密接觸，墊片產生彈性變形，隨著載荷的增大，法蘭、管板與墊片的間隙逐漸減小，介質通過間隙泄漏的阻力越來越大，泄漏量則越來越少，少到一定量時，就認為已經起到密封作用了。墊片越寬，介質從間隙流出的阻力越大，對密封越有利，但是由于設備結構和實現墊片密封比壓等原因，墊片不可能過寬，而且較寬的墊片需要更高的預緊力。在允許的范圍內，一定的預緊力，較窄的墊片更容易起到密封的作用。由于墊片自身的理化性質，受螺栓載荷作用壓緊過度會使墊片產生塑性變形而失去密封性能，因此墊片有最小寬度要求，壓力容器設計規范對此作出了相關的規定。

按照GB150-89《鋼制壓力容器》中公式（7-3）來校核墊片寬度：

Nmin=Ab[σ]b/（6.28DGy）

其中：

Ab -實際使用的螺栓總截面積，mm2;

[σ]b -常溫下螺栓材料的許用應力，MPa;

DG -墊片壓緊力作用下的中心圓直徑，mm;

y -墊片比壓力，MPa;

現場用墊片后來改為石墨纏繞墊，螺栓規格為M36*3*560，共40套，材質為25Cr2MoVA，螺母材質為35CrMoA。

查閱相關資料可得：

M36的螺栓最小根部直徑為d=32.752mm;

因為Ab=nπr2， 而n=40，r=d/2=32.752/2=16.376mm，

所以Ab=nπr2 =40*16.376*16.376π=33682 mm2

[σ]b=245MPa; DG=1079mm（按照實際接觸面計算）;y=69MPa;

代入上式，得Nmin=17.8mm。

結果表明墊片密封面寬度至少應該在17.8毫米以上，而原來選用的波齒復合墊片規格為φ1099*1059*1054，密封面寬度為20毫米，雖然已經滿足標準要求，但還是略顯偏窄。參照管殼式換熱器用纏繞墊片標準JBT4719-1992， 同類墊片密封面寬度要求為25毫米，考慮操作壓力、溫度、性價比等因素，我們將原來的波齒墊片改為石墨纏繞墊，規格為φ1090*1030*1010，密封面寬度達到了30毫米，當然這也需要適當提高螺栓的預緊力，才能達到更好的密封效果。同時加寬內環尺寸，使墊片更加牢固不易損壞。

3.3適當提高換熱器檢修后的試驗壓力，原來的試驗壓力值定為3.0MPa，顯然不能滿足水壓試驗的壓力規定，水壓試驗的壓力值應該由下式確定：

PT=1.25P[σ]/ [σ]t;

式中：

PT表示水壓試驗壓力，MPa;

P表示設計壓力，試壓可以用最大允許工作壓力代替設計壓力，MPa;

[σ]表示換熱器元件材料在試驗溫度下材料的許用應力，MPa;

[σ]t表示換熱器元件材料在設計溫度下材料的許用應力，MPa。

通過分別計算和以往的經驗，我們把管程與殼程水壓試驗的壓力值提高到3.8MPa，并且要求對管程和殼程進行分別試壓。

3.4加強平穩操作，減少操作波動，同時在管箱螺栓上增加碟簧，可以有效解決由于溫差變化造成螺栓預緊力松弛的問題。同時要求換熱器第一次投用后，對螺栓等緊固件再進行一遍熱緊。

3.5運行好原料過濾器，保證過濾效果。減少催化劑等雜質攜帶，也就減少了管束內部結垢堵塞。管束不堵塞也就保證了換熱效果，從而避免了重復檢修，密封面的泄漏問題也得到了可靠保障。

4.取得效果

通過采取一系列的措施，尤其是在2012年7月末更換墊片和法蘭密封面重新加工以后，換熱器E8101F（E8101C為備用）運行情況穩定。運行至今已經半年多時間，密封面沒有發生過泄漏。從換熱器管程的出入口壓降趨勢上看，管束也沒有出現明顯堵塞。

5 結束語

該換熱器運行工況較差，運行中需要加強監護。為安全起見，已經在其法蘭密封面的外圓周上設有消防蒸汽盤管，一旦發生泄漏，可以進行蒸汽吹掃。為確保本質安全，建議在設備選型尤其殼體法蘭材質上面還應該進一步升級，從根本上杜絕密封面損壞現象的發生。

參考文獻

[1]GB150-1998 ?鋼制壓力容器

[2]化工密封技術、化學工程出版社、1994