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標題: 預緊碟簧在加氫高壓換熱器上的應用 [打印本頁]

作者: 聶德平 時間: 2010-11-14 11:06
標題: 預緊碟簧在加氫高壓換熱器上的應用
                                 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。

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,規格型號為?800mm× 15 000mm,管束材質為1Cr18Ni9T,i規格為?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,對裝置的安全平穩生產具有重大意義。
1　換熱器工作原理

該換熱器為立式中心管式換熱器,其結構如圖1 所示。
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
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。
(4)換熱器浮頭密封失效而泄漏。
(5)管板與大蓋連接密封失效而泄漏。在換熱器發生2次泄漏之后,將換熱器芯子抽出進行試壓并未發現有泄漏之處,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、使用工況、墊片等因素有關。在2次換熱器發生泄漏后均對換熱器密封面進行了檢查,并未發現密封面存在問題。浮頭和管板與大蓋連接處墊片均為齒形復合墊(規格型號均為?678/662 mm×4 mm, 0Cr18Ni9Ti),經檢驗合格,未發現墊片存在缺陷。因此,密封發生失效的因素是由于螺栓預緊力不夠或者外界條件發生變化時螺栓沒有對所發生的變化及時給以補償。
經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。
(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, 螺栓容易產生熱變形,導致墊片松弛,密封面發生泄漏。
(3)壓力升降。在操作過程中系統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。
根據當時的操作記錄顯示,在2004年4月換熱器內漏前由于煉油廠瓦斯系統管網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, 最終導致換熱器溫度下降。在2004年8月換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
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,盡可能減少溫度和壓力上的波動。
(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)。

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生的密封比壓不因外界因素變化而變化。

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,經過一個周期的運轉,沒有出現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域,即有效補償區域,碟簧才能真正發揮其補償作用。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,節省了檢修費用,為裝置的長周期安全平穩運行提供了有利保障。

作者: 12585177 時間: 2015-11-6 20:58
采用美標預緊高溫碟簧可以解決

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