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)
  z! |: P* G% D) Z! H    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。
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    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
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    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
& L% X0 G" X; m' w% ^6 P    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。
6 L! K$ ?. F* v, U9 t6 e, i    (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。
1 O* p  L. N9 y    (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。
) K  M; a( A) g2 r. E1 E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。
  L6 z. Y. ?$ {& L& Z8 Y    經過分析作者認為有以下3個方面造成內漏:
; k/ s+ O2 a  L8 m% Q6 d" T    (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。
" A/ `+ K8 E7 v* v1 L) {4 M( J8 x    (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。
$ ~: C1 C0 {9 A( L& c8 ], n    (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。
4 [+ R- o0 M5 l- s- B4 V    3　預緊碟簧的應用
! K* T: B; |" H+ n% M9 r    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。
% x/ I( a7 i3 f& F7 N, c; V    (3)工藝操作平穩,盡可能減少溫度和壓力上的波動。
- g1 A2 `7 h& h    (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)。
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2 X" u2 h2 Z( l# b( A/ q6 w7 W    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。
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% `) j0 o) p% l+ c    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。
/ A8 ~% x6 i; K9 \0 _" |. y    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
# J8 g* E; T0 @. X& ?0 N! P    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。

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采用美標預緊高溫碟簧可以解決