螺紋鎖緊環(huán)式換熱器在渣油加氫裝置中的應(yīng)用

陳健

（中化泉州石化有限公司)

0 前言

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器是一種適用于高溫、高壓工況的熱交換設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煉廠加氫裝置中。該換熱器具有密封性能可靠、壓緊螺栓密封、換熱效率高以及可帶壓排除泄漏等優(yōu)點(diǎn)。某公司3.3 Mt/a渣油加氫處理裝置，采用CLG公司的固定床渣油加氫脫硫工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)處理常壓渣油、減壓渣油、減壓重蠟油、焦化輕蠟油、焦化重蠟油的混合原料，經(jīng)過(guò)催化加氫反應(yīng)，脫除硫、氮、金屬等雜質(zhì)，降低殘?zhí)?，為重油催化裂化裝置提供原料，同時(shí)生產(chǎn)部分柴油，并副產(chǎn)少量石腦油和干氣。

1 換熱流程和換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)

在該加氫裝置中，反應(yīng)流出物換熱流程如圖1所示。反應(yīng)產(chǎn)物/爐前進(jìn)料、反應(yīng)產(chǎn)物/二反入口混氫、熱高分氣/混氫用的換熱器均為螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，這些換熱器起著回收裝置反應(yīng)生成油氣熱量、降低加熱爐負(fù)荷、降低裝置能耗的作用。

該裝置中的反應(yīng)產(chǎn)物/爐前進(jìn)料換熱器的基本參數(shù)如表1所示。由表1可見，渣油加氫反應(yīng)產(chǎn)物/爐前進(jìn)料換熱器的管、殼程介質(zhì)壓力高，管殼程操作環(huán)境為臨氫、硫化氫高溫工況，該類工況可供選擇的受壓元件材料為鉻鉬鋼和奧氏體不銹鋼。

圖1 3.3 Mt/a渣油加氫裝置反應(yīng)產(chǎn)物換熱流程

表1 換熱器主要技術(shù)參數(shù)

2 螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 換熱器的結(jié)構(gòu)

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器為臥式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由管板、上下部拉桿、定距管、折流板、殼程分程隔板、支持板、換熱管束、防振桿、滑道、防沖桿、殼程密封墊片、殼程分程密封帶、殼體、密封、密封壓環(huán)、分程箱、分隔環(huán)、頂壓螺栓、半圓壓蓋、外密封墊圈、密封盤、壓蓋、承壓環(huán)、外壓圈、內(nèi)壓圈、內(nèi)外壓桿、內(nèi)外壓緊螺栓等組成。

主體密封有兩部分：一是管程側(cè)的密封，它通過(guò)緊固外圈壓緊螺栓—外壓桿—外壓圈—密封盤—外密封墊圈，逐漸傳遞壓緊力直至壓緊，從而保證設(shè)備的密封性；二是殼程側(cè)的密封，它通過(guò)緊固內(nèi)圈壓緊螺栓—內(nèi)壓桿—內(nèi)壓圈—壓環(huán)—頂壓螺栓—分合環(huán)—管箱內(nèi)筒—密封壓環(huán)Ⅰ—密封—密封壓環(huán)Ⅱ—管板—墊片，逐漸傳遞壓緊力直至壓緊，從而保證設(shè)備的密封性。

圖2 螺紋鎖緊環(huán)式換熱器

本文所述的換熱器是用于反應(yīng)產(chǎn)物/爐前進(jìn)料的換熱器，型號(hào)為DFU1500-21.36/18.63-584-5.7/25-4，換熱器管板設(shè)計(jì)壓差為4.5 MPa，單系列分A/B兩臺(tái)。反應(yīng)流出物走殼程，殼體由分程隔板分隔成兩殼程，介質(zhì)由殼程上部入口進(jìn)入殼程后，在殼程的上半部分繞經(jīng)一道道折流板后進(jìn)入U(xiǎn)形彎頭部分，然后流經(jīng)一道道折流板，最后由殼程下開口流出。由于殼程被分成兩部分，換熱效率增加，阻力降增大，且U形部分也起到了換熱的作用，不像單殼程換熱器那樣，U形部分為“死區(qū)”。螺紋鎖緊環(huán)式換熱器雙殼程的設(shè)計(jì)使得其換熱面積要大于同徑單殼程換熱器的換熱面積。管程為四管程，走反應(yīng)進(jìn)料，介質(zhì)由管程下斜入口進(jìn)入到分程箱，然后進(jìn)入到管程，途經(jīng)兩處U形管后由上管程流入上部1/4分程箱，由分程箱上部斜出口流出。

2.2 換熱器的優(yōu)點(diǎn)

從換熱器的結(jié)構(gòu)可以看出其具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）密封性能可靠。通過(guò)螺紋鎖緊環(huán)上的內(nèi)、外圈壓緊螺栓，間接施力，在不拆卸管箱內(nèi)件的情況下來(lái)解決內(nèi)部的密封問(wèn)題。

（2）壓緊螺栓密封。較之普通換熱器的主螺栓，它只需提供密封墊片和密封面的最小密封比壓，其螺栓的直徑相對(duì)較小，便于緊固，容易發(fā)揮密封效果。

（3）換熱效率高。殼體上無(wú)大法蘭連接，殼體開口接管盡量靠近管板，可以充分發(fā)揮傳熱作用。采用雙殼程結(jié)構(gòu)，提高了有效溫差和殼程流速，使傳熱系數(shù)和換熱效率得以提高。

3 換熱器的常見故障及原因分析

該換熱器在運(yùn)行過(guò)程中，常見的故障是內(nèi)漏。內(nèi)漏一般發(fā)生在殼程墊片、管板、U形管三個(gè)部位。產(chǎn)生故障的原因通常有下述幾方面。

（1）螺栓預(yù)緊力不均勻。內(nèi)法蘭螺栓預(yù)緊力不均勻致使墊片受力不均勻，均布密封比壓低于墊片所需的密封比壓，導(dǎo)致泄漏。

（2）螺栓預(yù)緊力不夠。墊片的密封是靠螺栓的預(yù)緊壓力間接作用的，螺栓的預(yù)緊力不夠，直接影響墊片的密封性。

（3）熱膨脹不一致。管箱內(nèi)隔板與管箱的材質(zhì)不同，熱膨脹量存在差異，兩者變形不協(xié)調(diào)，對(duì)內(nèi)圈螺栓、內(nèi)隔筒及殼程側(cè)墊片作用很大的壓縮力，這種外力可能造成內(nèi)圈螺栓彎曲變形和內(nèi)隔筒微量壓縮，一旦操作溫度發(fā)生大的波動(dòng)，造成密封比壓低，就會(huì)導(dǎo)致泄漏。

（4）密封墊片回彈不足。墊片回彈能力是一個(gè)重要指標(biāo)，回彈能力強(qiáng)的墊片能彌補(bǔ)墊片作用力因溫度而發(fā)生的變化，從而避免泄漏。

（5）不同心、不垂直。管束和管殼材質(zhì)不同，熱膨脹系數(shù)也不同，這就會(huì)造成高溫運(yùn)行時(shí)徑向膨脹不一致，致使管束與管殼軸線不同心；管板也因脹管頭而造成密封面變形，致使管板密封面與管束軸線不垂直。這種不同心、不垂直的問(wèn)題也會(huì)造成墊片受力不均勻，導(dǎo)致泄漏。

（6）操作引起的溫度和壓力波動(dòng)。溫度和壓力發(fā)生波動(dòng)，也會(huì)造成管程溫度突然下降、內(nèi)隔筒冷縮、補(bǔ)償墊片回彈不足和殼程側(cè)墊片密封比壓不足等問(wèn)題，從而導(dǎo)致管殼程內(nèi)漏。

案例一。某3.6 Mt/a煤柴油加氫裝置，反應(yīng)進(jìn)料油依次經(jīng)過(guò)精制反應(yīng)器和裂化反應(yīng)器后，反應(yīng)產(chǎn)物與高壓反應(yīng)進(jìn)料換熱。兩臺(tái)螺紋鎖緊環(huán)式換熱器串聯(lián)，反應(yīng)產(chǎn)物走管程，進(jìn)料油走殼程。反應(yīng)器床層飛溫，床層溫度上升至860℃且冷氫開最大量仍無(wú)法控制，系統(tǒng)緊急泄壓后裝置停工。再次開工后，化驗(yàn)分餾塔底油及熱低分流出油，發(fā)現(xiàn)硫、氮含量均超標(biāo)；化驗(yàn)精制反應(yīng)器流出物，硫、氮含量合格；內(nèi)操觀察反應(yīng)流出物所經(jīng)第一臺(tái)換熱器，管程出入口溫差比正常略小。因此，我們判斷兩臺(tái)換熱器出現(xiàn)了內(nèi)漏，其中第一臺(tái)較嚴(yán)重。出現(xiàn)內(nèi)漏后系統(tǒng)泄壓停工，在現(xiàn)場(chǎng)用力矩扳手對(duì)換熱器內(nèi)圈螺栓進(jìn)行兩次預(yù)緊，然后再次開工并進(jìn)行化驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。后停工大檢修，由于內(nèi)圈螺栓預(yù)緊力矩過(guò)大，加之苛刻的運(yùn)行工況，螺栓失效。

案例二。某4.0 Mt/a蠟油加氫裂化裝置，反應(yīng)產(chǎn)物/反應(yīng)進(jìn)料換熱器用的是螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，反應(yīng)進(jìn)料走殼程，反應(yīng)產(chǎn)物走管程。開工過(guò)程中，殼程進(jìn)低氮油，準(zhǔn)備進(jìn)反應(yīng)器潤(rùn)濕催化劑。進(jìn)油15 min后發(fā)現(xiàn)熱高分已有液位生成 （進(jìn)油后最快半小時(shí)流出反應(yīng)器），判斷換熱器內(nèi)漏后料液進(jìn)入到熱高分。出現(xiàn)內(nèi)漏故障后，在現(xiàn)場(chǎng)用力矩扳手對(duì)換熱器內(nèi)圈螺栓進(jìn)行緊固。觀察熱高分液位，判斷內(nèi)漏已基本消除。再次開工后升至正常溫度，通過(guò)化驗(yàn)熱高分處反應(yīng)生成料，判斷該換熱器內(nèi)漏已消除。

4 結(jié)束語(yǔ)

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器在運(yùn)行中可隨時(shí)上緊壓緊墊片的螺栓，以便在帶壓情況下及時(shí)排除泄漏。這種換熱器實(shí)現(xiàn)了密封力與內(nèi)壓力由不同的零部件來(lái)承擔(dān)，給現(xiàn)場(chǎng)操作帶來(lái)了靈活性。渣油加氫裝置在啟動(dòng)和正常生產(chǎn)過(guò)程中，該換熱器常由于首次預(yù)緊力不夠、管殼程溫差過(guò)大以及溫度和壓力波動(dòng)過(guò)大造成內(nèi)漏。因此，為使換熱器穩(wěn)定運(yùn)行，減少或避免泄漏故障，在操作、維護(hù)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）開工過(guò)程中，升溫、升壓要緩慢，使換熱器管、殼程受熱均勻。

（2）開工過(guò)程中，如出現(xiàn)內(nèi)漏，可安排專業(yè)人員用力矩扳手緊固鎖緊環(huán)螺栓，注意螺栓應(yīng)嚴(yán)格對(duì)稱、均勻、分次小量上緊，上緊過(guò)程中要注意觀察排漏情況。在保證排除泄漏的情況下，盡量不要將螺栓緊到較大的力矩，以免螺栓失效。

（3）開工過(guò)程中，特別是首次開工時(shí)，換熱器可能會(huì)發(fā)生泄漏。這時(shí)，一方面要上緊內(nèi)、外圈螺栓，另一方面也要等待工藝流體升至正常溫度，這樣換熱器各部件受熱均勻、墊片承受的均布密封比壓正常后，墊片也會(huì)恢復(fù)到其密封狀態(tài)。

（4）事故狀態(tài)下反應(yīng)系統(tǒng)緊急泄壓，對(duì)螺紋鎖緊環(huán)式換熱器有嚴(yán)重的影響，待再次恢復(fù)系統(tǒng)壓力或開工時(shí)，一定要重點(diǎn)檢查換熱器的內(nèi)漏情況。

（5）正常生產(chǎn)過(guò)程中，操作人員要精心操作，保持平穩(wěn)，盡量減小換熱器管程和殼程溫度、壓力的波動(dòng)。巡檢時(shí)，要仔細(xì)檢查換熱器測(cè)漏信號(hào)口。