预紧碟簧在加氢高压换热器上的应用

聂德平 · 发表于 2010-11-14 11:06:05

                                 程学君　李应力　满艳茹　朱洪林
                                          (大庆石化公司炼油厂)
摘要：分析了炼油厂加氢裂化装置高压换热器频繁内漏的原因,表明螺栓预紧力不够是导致高压换热器频繁内漏的主要原因;提出应用预紧碟簧来补偿螺栓预紧力。结果表明,预紧碟簧能够很好地补偿由于系统波动而导致的螺栓预紧力松弛,从而彻底解决加氢高压换热器的内漏问题。

大庆石化公司炼油厂260 kt/年加氢裂化装置是我国自行设计建造的第一套加氢裂化装置。其高压换热器为立式中心管式换热器,规格型号为800mm× 15 000mm,管束材质为1Cr18Ni9T,i规格为19mm× 2 mm,管程介质为生成油、氢气,壳程介质为催化柴油、氢气。该换热器在2004年4月和8月先后2 次出现内漏,因此解决好该套装置的换热器内漏问题,对装置的安全平稳生产具有重大意义。
1　换热器工作原理

该换热器为立式中心管式换热器,其结构如图1 所示。
管程介质(生成油、氢气)从三通套管侧面管程入口进入,在管束内与壳程介质(催化柴油、氢气)换热后到达管束底部浮头处,然后进入管束中心的中心管,通过中心管返回到换热器顶部的管程出口。壳程介质从三通套管侧面的壳程入口进入换热器壳体与保温套之间的夹套(防止换热器外表面温度过高)到达换热器底部浮头与保温套处折回,进入保温套内侧与管程介质进行充分换热后回到换热器顶部的壳程出口。
2　内漏原因分析
对于高压换热器的内漏,主要有以下几种情况:
(1)管束换热管与固定管板的结合处因为腐蚀或者焊接质量存在问题发生泄漏。
(2)换热管束当中的某一根或几根因为腐蚀或者存在其他缺陷而穿孔造成泄漏。
(3)固定管板存在裂纹造成泄漏。
(4)换热器浮头密封失效而泄漏。
(5)管板与大盖连接密封失效而泄漏。在换热器发生2次泄漏之后,将换热器芯子抽出进行试压并未发现有泄漏之处,即排出了前3种情况的存在,因此造成换热器泄漏的原因是换热器浮头密封失效和管板与大盖连接密封失效。
研究表明,密封失效往往与螺栓预紧力、密封面状态、使用工况、垫片等因素有关。在2次换热器发生泄漏后均对换热器密封面进行了检查,并未发现密封面存在问题。浮头和管板与大盖连接处垫片均为齿形复合垫(规格型号均为678/662 mm×4 mm, 0Cr18Ni9Ti),经检验合格,未发现垫片存在缺陷。因此,密封发生失效的因素是由于螺栓预紧力不够或者外界条件发生变化时螺栓没有对所发生的变化及时给以补偿。
经过分析作者认为有以下3个方面造成内漏:
(1)螺栓预紧力不够[1]。为保证密封系统紧密和安全可靠地长周期运行,垫片表面必须有足够的密封比压。过小的螺栓预紧力使受压后垫片表面的残余压紧应力达不到工作密封比压,从而导致密封面泄漏。
(2)温度变化。随着原料油(催化柴油)组分和进料量的变化,反应器出口温度波动,换热器的工作温度在不断变化。而在高温和温度波动的工况下, 螺栓容易产生热变形,导致垫片松弛,密封面发生泄漏。
(3)压力升降。在操作过程中系统压力并不是恒定不变的,而是在一定的范围内波动,特别是在装置处于非正常生产的情况下,压力波动幅度相当大, 有可能超出工作压力1~2 MPa,也有可能紧急泄压到2~3MPa。压力在波动过程中,势必造成螺栓的不断伸缩,以补偿压力升降导致的密封比压的变化。在压力不断变化过程中,螺栓的疲劳强度降低,相应的补偿压力达不到密封要求,最终造成密封失效,换热器内漏。
根据当时的操作记录显示,在2004年4月换热器内漏前由于炼油厂瓦斯系统管网压力的波动造成加热炉出口温度急剧下降,反应器出口温度相应下降, 最终导致换热器温度下降。在2004年8月换热器内漏前由于原料带水导致反应器大盖造成泄漏,车间决定降低原料进料量、降低系统压力后,对反应器大盖进行处理。由此可见,高压换热器的2次内漏均与操作波动密切相关。
3　预紧碟簧的应用
针对造成高压换热器泄漏的原因,采取如下措施:
(1)螺栓的选择[2]。为减少螺栓应力集中部位,在加工完毕后,对螺栓采取固溶等热处理措施,消除螺栓内部的残余应力,提高螺栓的抗疲劳强度。
(2)在回装浮头和大盖时,螺栓一定要均匀、对称拧紧,并且要有足够的预紧力。
(3)工艺操作平稳,尽可能减少温度和压力上的波动。
(4)在浮头和大盖螺栓两侧安装高温预紧碟簧, 使换热器浮头和大盖在温度、压力的频繁波动下,预紧碟簧有足够的变形来补偿因此而引起的预紧力的改变,防止螺栓和垫片失效。
碟簧[3]是采用特殊材质冲制而成的,可以在很小的变形下提供足够的预紧力载荷,从而有效地减少密封失效的风险,其外形如图2所示。其中D为外径, d为内径, D0为中性径(中性径是指碟簧截面翻转点所在圆的直径, D0=(D-d) /ln(D /d)), t为厚度, H0为单片碟簧的自由高度, h0为碟簧压平时变形量的计算值(H0-t)。

当它受到沿周边均匀分布的轴向力F时,内锥高度H0变小,相应地产生轴向变形λ。这种弹簧具有变刚度的特性,当D、D0和t一定时,随着内锥高度H0与簧片厚度t的比值不同,其特性曲线也不相同,如图3所示。当H0/t≈1·5时,曲线的中间部分接近于水平,即当H0/t=1·5左右时碟簧所受载荷基本恒定,也就是说依靠碟簧变形而产生的密封比压不因外界因素变化而变化。

当螺栓拧紧时,吸收机械能转化成位能(势能) 储存在碟簧中,当设备由于温度变化、压力变化或机械振动导致螺栓的预紧力松弛时,释放位能(势能)转化成机械能,对螺栓的预紧力进行补偿,使螺栓的预紧力始终保持在垫片密封所需要的预紧力范围之内。
4　使用效果及注意事项
在2004年8月的检修过程中,对受温度和压力变化较大的浮头和大盖螺栓一侧安装高温预紧碟簧。截至到2007年7月检修,经过一个周期的运转,没有出现因压力和温度波动等因素造成的高压换热器泄漏,表明高温预紧碟簧对高压换热器螺栓的温度、压力补偿效果明显,在防止螺栓和垫片失效方面起到了积极作用。
正确选用预紧碟簧对控制泄漏至关重要,只有碟簧工作在恒定载荷区域,即有效补偿区域,碟簧才能真正发挥其补偿作用。如果错误地选用压力过小的预紧碟簧,在螺栓预紧力松弛30%后,将无法提供密封所需的最小预紧力,效果等同于没有使用碟簧。如果错误地选用压力过大的预紧碟簧,将超过垫片材料的弹性极限产生永久变形,效果比不使用碟簧还差。
5　结束语
通过对高压换热器内漏原因的分析,找到了造成换热器内漏的原因,并通过安装高温预紧碟簧,解决了换热器的内漏问题,减少因换热器内漏带来的临时停工次数,节省了检修费用,为装置的长周期安全平稳运行提供了有利保障。

12585177 · 发表于 2015-11-6 20:58:50

采用美标预紧高温碟簧可以解决

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