高溫?fù)Q熱器密封面泄漏的治理

馬連剛

摘要：S Zorb裝置吸附進(jìn)料換熱器E8101CF由于密封面局部損傷變形經(jīng)常發(fā)生密封泄漏，通過采取重新加工法蘭密封面、墊片改造等措施，有效制止了密封面泄漏，保證了裝置的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行。

關(guān)鍵詞：S Zorb裝置、換熱器、密封、機械加工、墊片、預(yù)緊力

1. 概述

1.1 90萬噸/年催化汽油吸附脫硫（S Zorb）裝置吸附進(jìn)料換熱器E8101ABCDEF合計為六臺，分成兩組并聯(lián)，每組三臺串聯(lián)使用。裝置于2010年1月竣工，3月一次開車成功運行。從2011年6月份開始換熱器E8101CF兩臺多次發(fā)生泄漏，甚至引起著火，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。

1.2該六臺換熱器全部由齊魯石化機械廠生產(chǎn)，中石化四化建負(fù)責(zé)安裝。其中E8101ABDE運行條件要好于E8101CF，因此泄漏次數(shù)較少。換熱器E8101CF的型號為BFU1000-4.26-484-7.0/19-2/2I。

其它參數(shù)見下表：

由上表看出該換熱器操作溫度和壓力較高，尤其溫度，介質(zhì)汽油中含有催化劑、膠粉等雜質(zhì)，運行工況比較苛刻。

2. 原因分析

2.1因管束經(jīng)常被催化劑、膠粉堵塞需要對換熱器頻繁修理（一般3-6個月檢修一次），對法蘭密封面造成一定損壞。由于該換熱器屬于U形管結(jié)構(gòu)，為了滿足換熱要求，內(nèi)部管束的換熱管規(guī)格Φ19較多較細(xì)，介質(zhì)中的催化劑、膠粉等雜質(zhì)很容易在換熱管U行彎處造成堵塞。從2011年初裝置開工開始，每運行半年必須進(jìn)行一次管束清理，否則影響換熱效果增加裝置能耗。法蘭密封面磨損情況如下圖：

2.2 墊片尺寸、型式設(shè)計不合理，密封面偏窄。參照管殼式換熱器用纏繞墊片標(biāo)準(zhǔn)JBT4719-1992，該標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計溫度在-20℃到450℃之間，設(shè)計壓力在不大于6.4MPa的情況，查表得知PN4.0 DN1000的換熱器墊片，規(guī)格為φ1099*1049*1045mm，而我們現(xiàn)場原設(shè)計使用的是波齒復(fù)合墊，規(guī)格為φ1099*1059*1054mm，顯然墊片密封面寬度要少5mm，實際該換熱器殼程設(shè)計溫度達(dá)到470℃，對密封要求會更高。

2.3工藝操作波動的影響。隨著原料性質(zhì)、加工量等因素的變化，會造成換熱器操作溫度的波動，因熱脹冷縮不均勻，會進(jìn)一步加快密封處的泄漏。

3.采取措施

3.1 對損傷的密封面進(jìn)行修復(fù)。由上部照片看出，管束的管板兩側(cè)密封面磨損輕微，只需要對表面進(jìn)行清理即可，不需進(jìn)一步處理。換熱器封頭直接進(jìn)行機械加工，最難處理的是殼體密封面，殼體重、不容易移動，即使能移動也不好進(jìn)行定位加工。為了解決此項問題，引進(jìn)了一項新加工技術(shù)，由專業(yè)的施工單位到現(xiàn)場進(jìn)行測繪、施工。

現(xiàn)場施工主要步驟：首先，施工人員對現(xiàn)場環(huán)境熟悉，進(jìn)行設(shè)備安裝前的測量和數(shù)據(jù)計算;其次，現(xiàn)場設(shè)備安裝：將后支承放入法蘭內(nèi)部，調(diào)整支撐螺桿將后支承固定在法蘭內(nèi)部、使用換熱器殼體法蘭上的孔，用 M36 的螺桿固定前支承，并安裝前調(diào)節(jié)盤、再將鏜桿穿入鏜孔機并緊固，整體吊起安裝于前支承調(diào)心盤后支承上、最后調(diào)整定心盤和后支承，使設(shè)備主軸位于法蘭孔中心;然后，起動機器進(jìn)行車削加工，視具體情況也可以先局部補焊再加工;最后，機械加工完畢后用角磨機和砂紙進(jìn)行打磨，用百分表進(jìn)行檢測。驗收合格標(biāo)準(zhǔn)采用中國石化煉化工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 0700—2008《管殼式換熱器技術(shù)規(guī)定》中的內(nèi)容。要求密封面的平面度（相對任意一個平面的最大偏差）不應(yīng)超過0.8mm;密封表面的平均粗糙度不得超過6.3μm。整套工序下來由兩個專業(yè)人員施工即可，每臺換熱器（DN1000）從現(xiàn)場調(diào)試到完成需要大約三到四天時間，期間需要電工配合接臨時用電，一般不需要現(xiàn)場動火作業(yè)，所以很簡便易行。

機械加工安裝示意圖如下：

加工現(xiàn)場設(shè)備圖片如下：

3.2 對墊片尺寸進(jìn)行校核。由《化工密封技術(shù)》可知：依靠墊片密封的場合，一般通過螺栓的預(yù)緊力，墊片與法蘭逐步緊密接觸，墊片產(chǎn)生彈性變形，隨著載荷的增大，法蘭、管板與墊片的間隙逐漸減小，介質(zhì)通過間隙泄漏的阻力越來越大，泄漏量則越來越少，少到一定量時，就認(rèn)為已經(jīng)起到密封作用了。墊片越寬，介質(zhì)從間隙流出的阻力越大，對密封越有利，但是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)墊片密封比壓等原因，墊片不可能過寬，而且較寬的墊片需要更高的預(yù)緊力。在允許的范圍內(nèi)，一定的預(yù)緊力，較窄的墊片更容易起到密封的作用。由于墊片自身的理化性質(zhì)，受螺栓載荷作用壓緊過度會使墊片產(chǎn)生塑性變形而失去密封性能，因此墊片有最小寬度要求，壓力容器設(shè)計規(guī)范對此作出了相關(guān)的規(guī)定。

按照GB150-89《鋼制壓力容器》中公式（7-3）來校核墊片寬度：

Nmin=Ab[σ]b/（6.28DGy）

其中：

Ab -實際使用的螺栓總截面積，mm2;

[σ]b -常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa;

DG -墊片壓緊力作用下的中心圓直徑，mm;

y -墊片比壓力，MPa;

現(xiàn)場用墊片后來改為石墨纏繞墊，螺栓規(guī)格為M36*3*560，共40套，材質(zhì)為25Cr2MoVA，螺母材質(zhì)為35CrMoA。

查閱相關(guān)資料可得：

M36的螺栓最小根部直徑為d=32.752mm;

因為Ab=nπr2， 而n=40，r=d/2=32.752/2=16.376mm，

所以Ab=nπr2 =40*16.376*16.376π=33682 mm2

[σ]b=245MPa; DG=1079mm（按照實際接觸面計算）;y=69MPa;

代入上式，得Nmin=17.8mm。

結(jié)果表明墊片密封面寬度至少應(yīng)該在17.8毫米以上，而原來選用的波齒復(fù)合墊片規(guī)格為φ1099*1059*1054，密封面寬度為20毫米，雖然已經(jīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但還是略顯偏窄。參照管殼式換熱器用纏繞墊片標(biāo)準(zhǔn)JBT4719-1992， 同類墊片密封面寬度要求為25毫米，考慮操作壓力、溫度、性價比等因素，我們將原來的波齒墊片改為石墨纏繞墊，規(guī)格為φ1090*1030*1010，密封面寬度達(dá)到了30毫米，當(dāng)然這也需要適當(dāng)提高螺栓的預(yù)緊力，才能達(dá)到更好的密封效果。同時加寬內(nèi)環(huán)尺寸，使墊片更加牢固不易損壞。

3.3適當(dāng)提高換熱器檢修后的試驗壓力，原來的試驗壓力值定為3.0MPa，顯然不能滿足水壓試驗的壓力規(guī)定，水壓試驗的壓力值應(yīng)該由下式確定：

PT=1.25P[σ]/ [σ]t;

式中：

PT表示水壓試驗壓力，MPa;

P表示設(shè)計壓力，試壓可以用最大允許工作壓力代替設(shè)計壓力，MPa;

[σ]表示換熱器元件材料在試驗溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa;

[σ]t表示換熱器元件材料在設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa。

通過分別計算和以往的經(jīng)驗，我們把管程與殼程水壓試驗的壓力值提高到3.8MPa，并且要求對管程和殼程進(jìn)行分別試壓。

3.4加強平穩(wěn)操作，減少操作波動，同時在管箱螺栓上增加碟簧，可以有效解決由于溫差變化造成螺栓預(yù)緊力松弛的問題。同時要求換熱器第一次投用后，對螺栓等緊固件再進(jìn)行一遍熱緊。

3.5運行好原料過濾器，保證過濾效果。減少催化劑等雜質(zhì)攜帶，也就減少了管束內(nèi)部結(jié)垢堵塞。管束不堵塞也就保證了換熱效果，從而避免了重復(fù)檢修，密封面的泄漏問題也得到了可靠保障。

4.取得效果

通過采取一系列的措施，尤其是在2012年7月末更換墊片和法蘭密封面重新加工以后，換熱器E8101F（E8101C為備用）運行情況穩(wěn)定。運行至今已經(jīng)半年多時間，密封面沒有發(fā)生過泄漏。從換熱器管程的出入口壓降趨勢上看，管束也沒有出現(xiàn)明顯堵塞。

5 結(jié)束語

該換熱器運行工況較差，運行中需要加強監(jiān)護。為安全起見，已經(jīng)在其法蘭密封面的外圓周上設(shè)有消防蒸汽盤管，一旦發(fā)生泄漏，可以進(jìn)行蒸汽吹掃。為確保本質(zhì)安全，建議在設(shè)備選型尤其殼體法蘭材質(zhì)上面還應(yīng)該進(jìn)一步升級，從根本上杜絕密封面損壞現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]GB150-1998 ?鋼制壓力容器

[2]化工密封技術(shù)、化學(xué)工程出版社、1994