李 敏

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

油漿蒸汽發(fā)生器是催化裂化裝置中余熱鍋爐系統(tǒng)的主要能量交換設(shè)備，大慶煉化公司某廠的油漿蒸汽發(fā)生器自投入使用，換熱器管板兩側(cè)成對(duì)法蘭多次發(fā)生密封泄漏，被迫停車(chē)檢修。拆卸檢查發(fā)現(xiàn)換熱器螺栓存在不同程度的松弛現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了法蘭密封失效，不僅造成生產(chǎn)效益下降，甚至可能引發(fā)安全事故。

1 油漿蒸汽發(fā)生器簡(jiǎn)介

大慶煉化公司某廠的油漿蒸汽發(fā)生器為管殼式換熱器，管程介質(zhì)為油漿，殼程介質(zhì)為除氧水，規(guī)格為φ1600mm×5430mm，殼體材料16MnR，管板材料為鍛鋼16MnII，螺栓規(guī)格為M48(25CrMoVA)，墊片為波齒復(fù)合墊(NBG23-1600-5.0-6B)。油漿蒸汽發(fā)生器主要參數(shù)如下(管程/殼程)：

設(shè)計(jì)溫度 385/285℃

實(shí)際溫度 (280～332)/(180～248)℃

設(shè)計(jì)壓力 1.78/5.00 MPa

實(shí)際壓力 1.20/4.20 MPa

油漿蒸汽發(fā)生器屬于浮頭式換熱器，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。油漿蒸汽發(fā)生器利用管程介質(zhì)高溫油漿在管束內(nèi)與殼程低溫介質(zhì)除氧水進(jìn)行換熱，以此降低油漿的溫度從而達(dá)到下一工序?qū)ζ錅囟鹊囊螅瑫r(shí)低溫介質(zhì)除氧水經(jīng)過(guò)換熱器吸收了管程內(nèi)高溫油漿的熱量，實(shí)現(xiàn)了熱量的回收再利用。

2 換熱器泄漏原因分析

換熱器泄漏主要表現(xiàn)為以下幾種情況：換熱管與固定管板連接處因?yàn)楹附尤毕莼驊?yīng)力腐蝕發(fā)生泄漏；換熱器因流體誘導(dǎo)管束反復(fù)振動(dòng)使折流板與換熱管長(zhǎng)時(shí)間撞擊造成換熱管泄漏；管板與換熱管脹接接頭處發(fā)生泄漏；固定管板存在裂紋泄漏；管板法蘭密封發(fā)生泄漏[1]。本文主要探討管板法蘭密封失效機(jī)理。

研究表明，造成法蘭密封失效的因素很多，如螺栓預(yù)緊力不足，法蘭密封面和墊片存在缺陷，溫度的變化及壓力的波動(dòng)等[2]。在對(duì)泄漏蒸汽發(fā)生器檢修過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)密封面和墊片存在缺陷問(wèn)題，故判斷造成蒸汽發(fā)生器泄漏是由螺栓預(yù)緊力不足或溫度、壓力變化引起的法蘭密封泄漏。從操作條件上可知，該蒸汽發(fā)生器管程(油漿)與殼程(除氧水)溫差相對(duì)較大，使蒸汽發(fā)生器不同部位產(chǎn)生不同的熱脹冷縮，在溫度波動(dòng)工況下，螺栓容易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力松弛，當(dāng)螺栓預(yù)緊力降到密封墊片所需最小密封壓緊力以下時(shí)，法蘭密封面將發(fā)生泄漏[3,4]。在操作過(guò)程中系統(tǒng)壓力并不是恒定的，而是在一定范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)，法蘭在軸向力的作用下必定使螺栓不斷伸縮來(lái)補(bǔ)償壓力變化造成的密封壓緊力的變化。在壓力持續(xù)變化狀態(tài)下，螺栓疲勞強(qiáng)度將會(huì)下降，相應(yīng)的補(bǔ)償力也達(dá)不到密封墊片要求，從而造成法蘭密封失效，蒸汽發(fā)生器泄漏[5]。綜上所述，蒸汽發(fā)生器法蘭密封失效與溫度和壓力反復(fù)波動(dòng)密切相關(guān)。

3 預(yù)緊碟簧的應(yīng)用

根據(jù)以上對(duì)法蘭密封泄漏的分析可知，為確保油漿蒸汽發(fā)生器管板法蘭的密封，對(duì)溫度和壓力波動(dòng)造成的螺栓預(yù)緊力松弛及時(shí)補(bǔ)償是至關(guān)重要的。針對(duì)螺栓預(yù)緊力松弛這一現(xiàn)狀，在油漿蒸汽發(fā)生器螺栓法蘭一側(cè)或兩側(cè)安裝預(yù)緊碟簧，如圖2所示。預(yù)緊碟簧是由耐高溫、高彈性模量的特殊材料沖制而成[6]，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。預(yù)緊碟簧有足夠的變形來(lái)補(bǔ)償壓力和溫度波動(dòng)而引起的預(yù)緊力改變，從而有效減少法蘭密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 預(yù)緊碟簧安裝示意圖

圖3 預(yù)緊碟簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

預(yù)緊碟簧的變形量與預(yù)緊力關(guān)系為：

(1)

式中E——彈性模量；

F——預(yù)緊碟簧的變形量；

μ——泊松系數(shù)。

系數(shù)K的計(jì)算式中，C=D/d。式(1)中，E和μ取決于預(yù)緊碟簧材料和熱處理工藝，K取決于預(yù)緊碟簧的結(jié)構(gòu)形式。不同材料的預(yù)緊碟簧結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，其回復(fù)力和變形的關(guān)系也不相同。碟簧的初始負(fù)載計(jì)算公式如下：

(2)

預(yù)緊碟簧在安裝時(shí)依據(jù)負(fù)載將碟簧壓緊，并且預(yù)緊碟簧的行程和載荷成線性關(guān)系，載荷力隨著行程位移的增加而增大，當(dāng)行程達(dá)到最大值時(shí)，載荷力也達(dá)到峰值。所以這種結(jié)構(gòu)的預(yù)緊碟簧可以保證在有效的行程范圍內(nèi)滿(mǎn)足密封墊片的壓緊力。

當(dāng)螺栓螺母擰緊時(shí)，預(yù)緊碟簧吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)化為位能(勢(shì)能)儲(chǔ)存在碟簧中，并發(fā)生軸向位移形變(軸向被壓縮)，當(dāng)設(shè)備由于壓力、溫度變化或機(jī)械振動(dòng)等因素，導(dǎo)致螺栓的預(yù)緊力松弛時(shí)，預(yù)緊碟簧釋放位能(勢(shì)能)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，對(duì)螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，使螺栓的預(yù)緊力始終保持在密封墊片的壓緊力范圍內(nèi)[7]。預(yù)緊碟簧有負(fù)荷大、行程短、所需空間小及組合使用方便等優(yōu)點(diǎn)，能非常方便地使用在螺栓法蘭連接系統(tǒng)。

4 預(yù)緊碟簧的選用、應(yīng)用效果與注意事項(xiàng)

4.1預(yù)緊碟簧材料選擇

在螺栓法蘭系統(tǒng)中溫度變化、壓力變化與系統(tǒng)振動(dòng)幅度較大的情況下都需要應(yīng)用預(yù)緊碟簧來(lái)補(bǔ)償螺栓預(yù)緊力的松弛。石化設(shè)備中最常用693F和20813 兩類(lèi)碟簧，所應(yīng)用的工況各有不同，在應(yīng)用特殊工況條件下時(shí)，可使用特殊設(shè)計(jì)的鈦合金碟簧[8]。一般地，可依據(jù)螺栓材料選擇預(yù)緊碟簧的材料，693F類(lèi)碟簧的適用溫度在330℃以下，可使用在中強(qiáng)度螺栓(提供很高的補(bǔ)償力)和高強(qiáng)度螺栓(提供較低的補(bǔ)償力)上，適用于閥門(mén)、管線法蘭、泵及壓縮機(jī)等設(shè)備上。20813類(lèi)碟簧的適用溫度最高能達(dá)到600℃，應(yīng)用在高強(qiáng)度螺栓上可以提供很高的補(bǔ)償力，常用于換熱器、反應(yīng)器及壓力容器等大于330℃高溫部位。在實(shí)際應(yīng)用工況下，可以適當(dāng)選擇螺栓單側(cè)或雙側(cè)使用，當(dāng)單片碟簧的有效行程不足以補(bǔ)償螺栓松弛位移時(shí)，可采用在螺栓雙側(cè)安裝碟簧，使有效行程增加一倍，并能滿(mǎn)足絕大多數(shù)工況下的補(bǔ)償要求。對(duì)于特殊要求的工況，可以組合使用多片疊加方式[9]。

4.2使用效果與注意問(wèn)題

在檢修過(guò)程中，由于油漿溫度可達(dá)330℃，并且管板法蘭連接處螺栓預(yù)緊力受溫度和壓力的變化影響較大，因此在螺栓一側(cè)安裝693F預(yù)緊碟簧，至今應(yīng)用效果良好，未發(fā)現(xiàn)因溫度、壓力的變化等因素造成蒸汽發(fā)生器泄漏的現(xiàn)象。正確選用預(yù)緊碟簧對(duì)控制密封泄漏是至關(guān)重要的，碟簧只有工作在有效的補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)，才能完全發(fā)揮其補(bǔ)償預(yù)緊力的作用。要嚴(yán)格根據(jù)介質(zhì)的使用條件和預(yù)緊力要求選用碟簧，如果錯(cuò)誤的選用預(yù)緊力過(guò)低的碟簧，當(dāng)螺栓預(yù)緊力松弛后，將無(wú)法提供密封所需要的臨界預(yù)緊力，可能導(dǎo)致泄漏。若選用預(yù)緊力過(guò)高的碟簧，施加負(fù)載超過(guò)螺栓或墊片的承載能力，則可能會(huì)超過(guò)墊片的彈性極限應(yīng)力產(chǎn)生永久變形，使用效果反而更差。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析得出由溫度和壓力波動(dòng)而導(dǎo)致的螺栓預(yù)緊力松弛是管板法蘭密封泄漏的主要原因，通過(guò)安裝預(yù)緊碟簧補(bǔ)償螺栓預(yù)緊力松弛，從而解決油漿蒸汽發(fā)生器泄漏問(wèn)題。預(yù)緊碟簧具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、補(bǔ)償特性強(qiáng)及安全可靠等特點(diǎn)，能夠有效改善法蘭密封泄漏問(wèn)題，降低檢修成本，確保裝置的安全運(yùn)行。

[1] 陸怡，張鎖龍.換熱器泄漏成因調(diào)查[J].化工裝備技術(shù)，2005，26(3)：59～61.

[2] 李敏，杜娟，沈宜輝.螺栓法蘭接頭緊固密封的研究展望[J].化工機(jī)械，2011，38(5)：513～515.

[3] 時(shí)黎霞，張明樂(lè)，邢萬(wàn)坤，等.油漿蒸發(fā)器密封失效分析及解決辦法[J].流體機(jī)械，2004，32(2)：35～36.

[4] Vinod V，Mourya R K，Sreedhar B K ，et al.Behaviour of Steam Generator Bolted Flange Joints at Elevated Temperatures[J].Annals of Nuclear Energy，2013，51：307～310.

[5] 程學(xué)君，李應(yīng)力，滿(mǎn)艷茹，等.預(yù)緊碟簧在加氫高壓換熱器上的應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封，2009，34(6)：111～113.

[6] GB/T 1972-2005，碟形彈簧[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2005.

[7] 廖湘宇.新型高溫密封的核心方法——預(yù)緊碟簧[J].機(jī)械工程師，2010，(11): 148～149.

[8] 王志坤，張昕，宋運(yùn)通，等.預(yù)緊碟簧在煉油裝置的應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封， 2006，(2)：184～186.

[9] 王曉波.碟形彈簧的力學(xué)性能研究[D].鄭州：鄭州大學(xué), 2007.