預緊碟簧在加氫高壓換熱器上的應用

聶德平

                                     程學君　李應力　滿艷茹　朱洪林
                                              (大慶石化公司煉油廠)
    摘要：分析了煉油廠加氫裂化裝置高壓換熱器頻繁內漏的原因,表明螺栓預緊力不夠是導致高壓換熱器頻繁內漏的 主要原因;提出應用預緊碟簧來補償螺栓預緊力,。結果表明,預緊碟簧能夠很好地補償由于系統(tǒng)波動而導致的螺栓預緊 力松弛,從而徹底解決加氫高壓換熱器的內漏問題,。
' _: `" n; n0 s+ h, \( J   
7 {! O8 X6 m9 w    大慶石化公司煉油廠260 kt/年加氫裂化裝置是 我國自行設計建造的第一套加氫裂化裝置,。其高壓換 熱器為立式中心管式換熱器,規(guī)格型號為800mm× 15 000mm,管束材質為1Cr18Ni9T,i規(guī)格為19mm× 2 mm,管程介質為生成油,、氫氣,殼程介質為催化柴油,、氫氣,。該換熱器在2004年4月和8月先后2 次出現(xiàn)內漏,因此解決好該套裝置的換熱器內漏問 題,對裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)具有重大意義,。
    1　換熱器工作原理
6 _% J. u8 {( _, n. h# p                    
. w, H' i3 U; }1 g$ J0 E    該換熱器為立式中心管式換熱器,其結構如圖1 所示,。
# ?: B3 ~' |6 K  _, |! l' m    管程介質(生成油、氫氣)從三通套管側面管 程入口進入,在管束內與殼程介質(催化柴油,、氫 氣)換熱后到達管束底部浮頭處,然后進入管束中 心的中心管,通過中心管返回到換熱器頂部的管程出 口,。殼程介質從三通套管側面的殼程入口進入換熱器 殼體與保溫套之間的夾套(防止換熱器外表面溫度 過高)到達換熱器底部浮頭與保溫套處折回,進入 保溫套內側與管程介質進行充分換熱后回到換熱器頂 部的殼程出口。
    2　內漏原因分析
  g8 m; R: |0 A+ j    對于高壓換熱器的內漏,主要有以下幾種情況:
    (1)管束換熱管與固定管板的結合處因為腐蝕 或者焊接質量存在問題發(fā)生泄漏,。
    (2)換熱管束當中的某一根或幾根因為腐蝕或 者存在其他缺陷而穿孔造成泄漏,。
    (3)固定管板存在裂紋造成泄漏。
' l) ]8 ^  q% K) \    (4)換熱器浮頭密封失效而泄漏,。
! J' ?6 f4 J3 ^    (5)管板與大蓋連接密封失效而泄漏,。在換熱 器發(fā)生2次泄漏之后,將換熱器芯子抽出進行試壓并 未發(fā)現(xiàn)有泄漏之處,即排出了前3種情況的存在,因此造成換熱器泄漏的原因是換熱器浮頭密封失效和管 板與大蓋連接密封失效。
研究表明,密封失效往往與螺栓預緊力,、密封面 狀態(tài),、使用工況、墊片等因素有關,。在2次換熱器發(fā) 生泄漏后均對換熱器密封面進行了檢查,并未發(fā)現(xiàn)密 封面存在問題,。浮頭和管板與大蓋連接處墊片均為齒 形復合墊(規(guī)格型號均為678/662 mm×4 mm, 0Cr18Ni9Ti),經(jīng)檢驗合格,未發(fā)現(xiàn)墊片存在缺陷。 因此,密封發(fā)生失效的因素是由于螺栓預緊力不夠或 者外界條件發(fā)生變化時螺栓沒有對所發(fā)生的變化及時 給以補償,。
$ e: a: ]/ @& ~( _* k! F, M    經(jīng)過分析作者認為有以下3個方面造成內漏:
    (1)螺栓預緊力不夠[1],。為保證密封系統(tǒng)緊密 和安全可靠地長周期運行,墊片表面必須有足夠的密 封比壓。過小的螺栓預緊力使受壓后墊片表面的殘余 壓緊應力達不到工作密封比壓,從而導致密封面泄 漏。
8 t+ L% d$ A! O; J    (2)溫度變化,。隨著原料油(催化柴油)組分 和進料量的變化,反應器出口溫度波動,換熱器的工 作溫度在不斷變化,。而在高溫和溫度波動的工況下, 螺栓容易產(chǎn)生熱變形,導致墊片松弛,密封面發(fā)生泄 漏。
! w  q& `" r' K! Y! M7 V: S    (3)壓力升降,。在操作過程中系統(tǒng)壓力并不是 恒定不變的,而是在一定的范圍內波動,特別是在裝 置處于非正常生產(chǎn)的情況下,壓力波動幅度相當大, 有可能超出工作壓力1~2 MPa,也有可能緊急泄壓 到2~3MPa,。壓力在波動過程中,勢必造成螺栓的 不斷伸縮,以補償壓力升降導致的密封比壓的變化。 在壓力不斷變化過程中,螺栓的疲勞強度降低,相應 的補償壓力達不到密封要求,最終造成密封失效,換熱器內漏,。
# P3 U3 r5 b% {  t! m2 p    根據(jù)當時的操作記錄顯示,在2004年4月?lián)Q熱 器內漏前由于煉油廠瓦斯系統(tǒng)管網(wǎng)壓力的波動造成加 熱爐出口溫度急劇下降,反應器出口溫度相應下降, 最終導致?lián)Q熱器溫度下降,。在2004年8月?lián)Q熱器內 漏前由于原料帶水導致反應器大蓋造成泄漏,車間決 定降低原料進料量、降低系統(tǒng)壓力后,對反應器大蓋 進行處理,。由此可見,高壓換熱器的2次內漏均與操 作波動密切相關,。
    3　預緊碟簧的應用
4 T* b# l) ~" p" Y* J    針對造成高壓換熱器泄漏的原因,采取如下措 施:
    (1)螺栓的選擇[2]。為減少螺栓應力集中部位,在加工完畢后,對螺栓采取固溶等熱處理措施,消除 螺栓內部的殘余應力,提高螺栓的抗疲勞強度,。
    (2)在回裝浮頭和大蓋時,螺栓一定要均勻,、 對稱擰緊,并且要有足夠的預緊力。
    (3)工藝操作平穩(wěn),盡可能減少溫度和壓力上的波動,。
$ h( Z% {8 @. ?: G    (4)在浮頭和大蓋螺栓兩側安裝高溫預緊碟簧, 使換熱器浮頭和大蓋在溫度、壓力的頻繁波動下,預緊碟簧有足夠的變形來補償因此而引起的預緊力的改變,防止螺栓和墊片失效,。
    碟簧[3]是采用特殊材質沖制而成的,可以在很小 的變形下提供足夠的預緊力載荷,從而有效地減少密 封失效的風險,其外形如圖2所示,。其中D為外徑, d為內徑, D0為中性徑(中性徑是指碟簧截面翻轉 點所在圓的直徑, D0=(D-d) /ln(D /d)), t為厚度, H0為單片碟簧的自由高度, h0為碟簧壓平時變 形量的計算值(H0-t)。
                  
5 n, w$ X: U3 X. u    當它受到沿周邊均勻分布的軸向力F時,內錐 高度H0變小,相應地產(chǎn)生軸向變形λ,。這種彈簧具 有變剛度的特性,當D,、D0和t一定時,隨著內錐高 度H0與簧片厚度t的比值不同,其特性曲線也不相 同,如圖3所示。當H0/t≈1·5時,曲線的中間部分 接近于水平,即當H0/t=1·5左右時碟簧所受載荷基 本恒定,也就是說依靠碟簧變形而產(chǎn)生的密封比壓不 因外界因素變化而變化,。
5 {' r- i" O$ A0 @( h% n6 {                     
8 G* o( a3 a: @  X! ?4 B* K' H# d    當螺栓擰緊時,吸收機械能轉化成位能(勢能) 儲存在碟簧中,當設備由于溫度變化,、壓力變化或 機械振動導致螺栓的預緊力松弛時,釋放位能(勢 能)轉化成機械能,對螺栓的預緊力進行補償,使 螺栓的預緊力始終保持在墊片密封所需要的預緊力范 圍之內。
    4　使用效果及注意事項
    在2004年8月的檢修過程中,對受溫度和壓力 變化較大的浮頭和大蓋螺栓一側安裝高溫預緊碟簧,。 截至到2007年7月檢修,經(jīng)過一個周期的運轉,沒 有出現(xiàn)因壓力和溫度波動等因素造成的高壓換熱器泄 漏,表明高溫預緊碟簧對高壓換熱器螺栓的溫度,、壓 力補償效果明顯,在防止螺栓和墊片失效方面起到了 積極作用。
    正確選用預緊碟簧對控制泄漏至關重要,只有 碟簧工作在恒定載荷區(qū)域,即有效補償區(qū)域,碟簧 才能真正發(fā)揮其補償作用,。如果錯誤地選用壓力過 小的預緊碟簧,在螺栓預緊力松弛30%后,將無法 提供密封所需的最小預緊力,效果等同于沒有使用 碟簧,。如果錯誤地選用壓力過大的預緊碟簧,將超 過墊片材料的彈性極限產(chǎn)生永久變形,效果比不使 用碟簧還差。
    5　結束語
    通過對高壓換熱器內漏原因的分析,找到了造成換熱器內漏的原因,并通過安裝高溫預緊碟簧,解決了換熱器的內漏問題,減少因換熱器內漏帶來的臨時停工次數(shù),節(jié)省了檢修費用,為裝置的長周期安全平穩(wěn)運行提供了有利保障,。
$ j3 a6 E' F, w) a  L, w7 O

12585177

采用美標預緊高溫碟簧可以解決