尿素高壓設備齒形墊應用探討

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(以下簡稱建峰化工公司)800 kt/a 尿素裝置高壓系統采用的是荷蘭斯塔米卡邦公司的專利設備,設備運行溫度為140～160 ℃,操作壓力為13.5～15.5 MPa。 由于在尿素合成過程中產生腐蝕性較強的氨基甲酸銨,因此設備殼體采用復合材料,由耐腐蝕的內襯和承壓的強度層構成,內襯采用Safurex 超級雙相鋼,強度層采用低合金碳鋼,在內襯和強度層之間設置泄漏通道。

設備封頭及人孔法蘭密封面均為平面,一部分密封環由耐蝕材料堆焊加工而成,一部分密封環由耐蝕材料毛坯加工鑲嵌而成。 法蘭密封墊采用耐高溫、耐腐蝕的金屬復合齒形墊,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,專利商對齒形墊的使用有條件限制,如金屬芯的再使用和墊片預緊力等均需滿足一定的要求。 但在實際應用過程中,按專利商的要求進行使用,往往會出現一些問題,如建峰化工公司尿素高壓圈設備在檢修結束回裝墊片后,發生了法蘭泄漏的情況,給裝置的穩定運行帶來了較大的影響。

1 齒形墊的結構和工作原理

齒形墊是一種在金屬芯表面帶有鋸齒形結構的墊片,墊芯一般選用金屬材料,由精密車床在金屬平墊片的兩面加工成同心的鋸齒槽,根據不同的介質,表面密封墊可選擇柔性石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、無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利設備使用的齒形墊,墊芯采用316L 不銹鋼,表面密封層為PTFE,結構見圖1。 316L 材料本身具有較強的耐腐蝕性,即使PTFE 破損,對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,能夠完全適應含氨基甲酸銨的尿素高壓圈環境。和壓強溫度乘積值的要求。

圖1 齒形墊結構

2 斯塔米卡邦公司的技術要求

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

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利設備中,汽提塔設計有上下兩個相同的封頭通行口,洗滌塔設計有上封頭、下封頭、人孔等3 個不同的通行口,池式冷凝器設計有1 個人孔通行口,合成塔設計有1 個封頭通行口,各通行口法蘭密封齒形墊規格見表1。

表1 尿素裝置高壓圈設備齒形墊規格

從表1 可知,高壓設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,墊片外徑根據設備情況取值,墊片寬為25～40 mm,以滿足各設備密封要求。

為更好地達到密封效果,斯塔米卡邦公司還根據設備的運行溫度、操作壓力,規定了設備水壓條件和運行參數下螺栓單位面積預緊力P(見表2),同時提出了各法蘭螺栓的預緊順序和預緊步驟。

表2 螺栓單位面積預緊力

從表2 可知,水壓試驗與操作條件下的齒形墊螺栓預緊力之間存在差值,這是考慮水壓試驗螺栓預緊力為1.25 倍設計壓力乘以應力修正系數的結果。

3 齒形墊應用中出現的問題及原因

3.1 金屬芯材質劣化

建峰化工公司尿素裝置高壓圈設備齒形墊使用后,PTFE 外皮破損,316L 金屬芯基本完整,無大的腐蝕和變形,但靠近內圈的顏色變黑,鋸齒變脆失去彈性,表明使用后的齒形墊墊芯材質已劣化,見圖4。 其原因是齒形墊靠近介質的內圈,在高溫介質作用下,細薄的齒頂溫度突升和突降產生淬火效應,導致鋸齒變脆失去彈性。 盡管斯塔米卡邦公司的規范中有墊芯未受到損傷的情況下可以繼續使用的規定,但墊芯材質若劣化,表明墊芯已受到傷害,如果繼續使用,大概率會出現泄漏。 建峰化工公司要求對已用過的墊芯作廢棄處理,不再使用。

圖4 使用后的齒形墊

3.2 操作預緊力作用下的泄漏

墊片若要達到較好的密封效果,必須施加一定的預緊力。 按斯塔米卡邦公司的操作規范要求,水壓試驗和操作條件下應分別施加各自的螺栓預緊力。 但在實際應用中,檢修后采用操作條件下的預緊力回裝齒形墊,多次出現設備外漏,見圖5。

圖5 運行中的高壓設備出現泄漏

究其原因,主要是齒形墊的螺栓預緊力不足引起的。 經加壓試驗,結果表明采用80%以上的水壓試驗螺栓預緊力,可以達到理想的密封效果,且預緊力越大,齒形墊泄漏的可能性越小。

3.3 預緊力增大對螺栓使用壽命的影響

預緊力增大、操作溫度提高,必然對螺栓的抗拉強度產生一定的影響,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,實際的螺栓溫升在120 ℃以下,且設備操作壓力基本穩定,螺栓受靜應力作用。 金屬材料抗拉強度與溫度的對應關系見圖6[1]。

圖6 金屬材料強度與溫度的對應關系

從圖6 可知,對于大多數的碳鋼、鉻鉬鋼和奧氏體不銹鋼,抗拉強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 個階段。

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

中間階段:溫度為180 ～350 ℃,抗拉強度極限隨溫度升高緩慢下降。

衰減階段:溫度為350 ℃以上,抗拉強度極限急劇下降。

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

4 結語

齒形墊的應用情況說明,一味照搬規程或規范,有時起不到應有的作用,只有根據實際情況,不斷調整修正,才能取得更好的效果。 當前,各種規范較多,在使用時,要認識到規范的局限性,結合自身實際使用效果,不斷加以改進。