Shell瀝青氣化超高壓廢熱鍋爐本體大法蘭泄漏原因分析及解決措施

陳平平，胡德豪，馬學(xué)琪，邱麗生

(福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建 泉州 362800)

圖1 焊唇密封結(jié)構(gòu)示意

某石化公司的POX裝置(Partial Oxidation)采用Shell瀝青氣化工藝生產(chǎn)合成氣和氫氣。在氣化爐的出口，設(shè)置有一超高壓廢熱鍋爐(簡(jiǎn)稱廢鍋)，用于將氣化反應(yīng)生成的高溫合成氣降溫，同時(shí)副產(chǎn)超高壓飽和蒸汽。該P(yáng)OX裝置是國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、單爐負(fù)荷最高的瀝青氣化裝置，其配套廢鍋也是國(guó)內(nèi)最大的。廢鍋制造商為德國(guó)某B公司。其工作原理為：將氣化爐過(guò)來(lái)的高溫高壓合成氣通過(guò)廢鍋的管束與廢鍋殼體中的水進(jìn)行換熱，從而產(chǎn)出超高壓飽和蒸汽；同時(shí)合成氣被冷卻降溫。廢鍋的殼體設(shè)計(jì)溫度350 ℃，正常操作溫度約329 ℃；設(shè)計(jì)壓力16.68 MPa，操作壓力12.8 MPa。殼體的大法蘭直徑3 272 mm，采用焊唇密封。整個(gè)密封主要由螺栓(本文案例采用雙頭螺柱，下同)承受由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力。法蘭采用32根φ145 mm×1 405 mm的雙頭螺柱進(jìn)行緊固，其密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該廢鍋?zhàn)?009年開(kāi)工投用以來(lái)，本體大法蘭多次出現(xiàn)焊縫泄漏，如圖2和圖3所示。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，只能緊急制作專用卡具，用高溫膠臨時(shí)帶壓封堵，維持生產(chǎn)運(yùn)行。隨著時(shí)間推移，泄漏量會(huì)逐步增大，最終不得不被迫停車。然而，即使停車后對(duì)廢鍋焊唇漏點(diǎn)及周邊進(jìn)行修復(fù)，且PT檢測(cè)Ⅰ級(jí)合格，再次投料、短暫運(yùn)行后還是會(huì)在原漏點(diǎn)周邊產(chǎn)生新的漏點(diǎn)。泄漏—堵漏—停車—修復(fù)—投料—泄漏，周而復(fù)始，嚴(yán)重影響裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。POX裝置是整個(gè)公司的公用工程島核心，擔(dān)負(fù)著公司大部分蒸汽與氫氣的外供任務(wù)。雖然氣化系列設(shè)計(jì)為2開(kāi)1備，但如果備用系列無(wú)法及時(shí)切入，而運(yùn)行系列又需停車，則將導(dǎo)致氣化單系列運(yùn)行工況出現(xiàn)。這將嚴(yán)重影響全廠煉油、化工裝置運(yùn)行，給公司造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此迫切需要找到焊唇密封失效的根本原因并徹底根除。

圖2 廢鍋本體大法蘭泄漏

圖3 廢鍋本體大法蘭焊唇密封泄漏

1 泄漏原因分析

針對(duì)超高壓廢鍋本體大法蘭出現(xiàn)的多次泄漏事件，車間組織生產(chǎn)、設(shè)備模塊進(jìn)行根本性原因分析，逐一排查。通過(guò)對(duì)法蘭焊唇密封失效原因進(jìn)行分析，確認(rèn)密封失效與3個(gè)因素有關(guān)，分別為唇形焊環(huán)裝配偏差大、焊縫存在缺陷和大法蘭螺栓預(yù)緊力不足，其中螺栓預(yù)緊力不足為主要因素。

1.1 唇形焊環(huán)裝配偏差大

廢鍋本體大法蘭墊片裝配過(guò)程是先分別將上唇形焊環(huán)與廢鍋上筒體法蘭通過(guò)角焊縫焊接、下唇形焊環(huán)與廢鍋下筒體法蘭通過(guò)角焊縫焊接，然后再將廢鍋上下筒體法蘭對(duì)齊預(yù)緊，最終焊接2片唇形焊環(huán)唇口。

此過(guò)程難于保證墊片的安裝精度及防止焊接變形。由于墊片直徑為2 493 mm，尺寸較大，而厚度僅為15.5 mm，焊接應(yīng)力很容易引起墊片的變形，影響裝配質(zhì)量。因此在焊接角焊縫時(shí)，必須確保唇形焊環(huán)緊緊平貼在廢鍋筒體法蘭表面上，保證接觸面壓緊面積最大。同時(shí)，當(dāng)廢鍋上下筒體法蘭對(duì)齊后，2片唇形焊環(huán)也必須壓緊，不能有太大間隙。這3處接觸面雖然都不起密封作用，但有節(jié)流減壓的作用，在一定程度上緩解了高溫高壓介質(zhì)對(duì)角焊縫、唇口焊縫的直接沖擊，可延長(zhǎng)焊縫的使用壽命。

POX裝置廢鍋整體運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝，其法蘭焊唇密封的組裝由制造廠在國(guó)外完成，組裝全過(guò)程無(wú)從見(jiàn)證。其中1臺(tái)在開(kāi)工后不久即出現(xiàn)泄漏，有理由懷疑原廠家墊片裝配偏差大，造成焊縫被直接沖擊，導(dǎo)致其快速失效而發(fā)生泄漏。

1.2 焊縫存在缺陷

該法蘭的唇形焊環(huán)焊接存在3道焊縫，分別為2道唇形焊環(huán)與廢鍋筒體法蘭焊接的角焊縫和1道2片唇式焊環(huán)的唇口焊縫。焊縫品質(zhì)的好壞直接影響焊接密封的質(zhì)量和使用壽命。

唇形焊環(huán)與廢鍋筒體法蘭焊接的角焊縫，在廢鍋筒體法蘭完成組對(duì)前焊接，施工條件較好，不容易出現(xiàn)問(wèn)題。而2片唇式焊環(huán)的唇口焊縫，在廢鍋筒體法蘭部分螺栓預(yù)緊后焊接，焊接空間狹窄，不便操作，很容易出現(xiàn)問(wèn)題。由于這3道焊縫只能采用PT檢測(cè)，無(wú)法發(fā)現(xiàn)內(nèi)部焊接缺陷，故任何一道焊縫出現(xiàn)問(wèn)題，均可導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)泄漏。

1.3 大法蘭螺栓預(yù)緊力不足

大法蘭螺栓的作用主要是為了承受廢鍋工作時(shí)高內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力，而螺栓的預(yù)緊力分為最小預(yù)緊力和最大預(yù)緊力。最小預(yù)緊力是為工作時(shí)確保作用在墊片上的壓力不小于保證密封時(shí)由內(nèi)壓和其他附加載荷作用于墊片的壓力；最大預(yù)緊力與2個(gè)因素有關(guān)：一是確保螺栓的強(qiáng)度足夠，以便承受廢鍋殼體內(nèi)壓和其他載荷而不至于損壞；二是緊固時(shí)不會(huì)造成墊片損壞。大法蘭螺栓預(yù)緊力不足或過(guò)大，均會(huì)引起密封失效，從而導(dǎo)致廢鍋大法蘭出現(xiàn)泄漏【1-2】。

車間不定期檢測(cè)廢鍋大法蘭螺栓的預(yù)緊力。數(shù)據(jù)顯示，螺栓的預(yù)緊力在開(kāi)停工后呈下降趨勢(shì)，且32根螺栓下降幅度不同。特別是在多次開(kāi)停工后，部分螺栓的預(yù)緊力下降嚴(yán)重，小于最小預(yù)緊力。因此，有理由認(rèn)為，廢鍋大法蘭泄漏的主要原因是由于從來(lái)未對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊，長(zhǎng)期運(yùn)行后，螺栓發(fā)生松弛造成預(yù)緊力不足，使密封所需螺栓力小于最小預(yù)緊力，導(dǎo)致密封失效、發(fā)生泄漏。

2 解決措施

2.1 改進(jìn)組裝程序

唇形焊環(huán)尺寸較大，但很薄。在焊接時(shí)，墊片很容易因焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力而發(fā)生微量變形，影響裝配精度。為消除這一形變，在唇形焊環(huán)焊接之前，特別制作4個(gè)調(diào)節(jié)頂絲和32套墊片夾具，對(duì)墊片進(jìn)行調(diào)節(jié)和壓緊，使墊片在焊接過(guò)程中準(zhǔn)確、緊密貼合在廢鍋法蘭上。頂絲與夾具的布置如圖4所示，頂絲與夾具現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖5和圖6所示。

圖4 頂絲與夾具布置示意

圖5 上筒體頂絲與夾具安裝

圖6 下筒體頂絲與夾具安裝

墊片裝配步驟如下：首先以筒體法蘭的內(nèi)壁作基準(zhǔn)，初步輕擰頂絲，使其接觸到墊片；第二步安裝夾具，但不上緊，以便調(diào)節(jié)頂絲時(shí)墊片不被卡死；第三步則通過(guò)調(diào)節(jié)頂絲，同時(shí)測(cè)量墊片內(nèi)壁與4處定位鍵的距離，使4處定位鍵與內(nèi)環(huán)的距離一致，偏差為±0.05 mm；最后，通過(guò)頂絲將墊片位置調(diào)整好后，上緊夾具，使墊片與廢鍋筒體法蘭面壓緊。

2.2 改進(jìn)焊接工藝

廢鍋的筒體法蘭密封面材質(zhì)為Inconel625，唇形焊環(huán)為金屬唇口墊片，材質(zhì)為SA204 GR.A，厚度15.5 mm。通過(guò)對(duì)2個(gè)材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，并參考過(guò)去的焊接工藝，墊片與法蘭密封面角焊縫采用ERNiCrMo-3焊絲進(jìn)行焊接，而2片唇式墊片唇口的焊接則采用DMO-IG焊絲進(jìn)行焊接。

2.2.1 焊接工藝參數(shù)

針對(duì)墊片與法蘭密封面的角焊縫和2片唇口墊片的焊接制定的工藝參數(shù)分別如表1和表2所示。

2.2.2 焊接注意事項(xiàng)

焊接前，必須先用細(xì)砂紙將唇形焊環(huán)表面及廢鍋筒體法蘭面打磨1遍，確保表面的清潔與平整度。

為了防止焊接變形，唇形焊環(huán)的角焊縫和唇口焊縫焊接，采用2個(gè)焊工同時(shí)進(jìn)行對(duì)稱焊的方式(如圖7所示)，2人保持同樣的焊接速度及步調(diào)，沿順時(shí)針?lè)较蛲胶附?，焊接前先進(jìn)行定位焊。定位焊應(yīng)從整個(gè)內(nèi)圈開(kāi)始焊起，單次定位焊長(zhǎng)度約為40 mm，各段之間的間距約為120 mm。定位焊與終焊只能采用氬弧焊，氬氣純度99.99%。定位焊完成后進(jìn)行終焊。焊接完成后，進(jìn)行焊縫檢查及PT檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。檢查出來(lái)的缺陷進(jìn)行返修。只有當(dāng)不再有缺陷被檢查出來(lái)時(shí)，才能卸除夾具。

表1 角焊縫焊接工藝參數(shù)

表2 唇口焊縫焊接工藝參數(shù)

需特別注意唇口處焊接，該焊縫對(duì)焊工要求較高，應(yīng)確保焊接過(guò)程中不會(huì)因施工空間狹小而出現(xiàn)焊接質(zhì)量缺陷，如圖8所示。焊接需在廢鍋上筒體法蘭回裝并對(duì)稱預(yù)緊8根螺栓后進(jìn)行。通過(guò)預(yù)緊螺栓，確保廢鍋內(nèi)部的唇形焊環(huán)間隙在0.15～0.20 mm之間，如圖9所示。

圖7 對(duì)唇形焊環(huán)角焊縫進(jìn)行對(duì)稱焊

圖8 對(duì)2片唇形焊環(huán)唇口進(jìn)行對(duì)稱焊

2.3 螺栓緊固

2.3.1 螺栓預(yù)緊力計(jì)算

螺栓預(yù)緊力的組成為：補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力F1、克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力F2以及設(shè)備工作時(shí)保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力F3。

圖9 墊片焊接圖示及墊片間隙示意

補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力可根據(jù)材料力學(xué)中拉伸力的計(jì)算公式得出：

(1)

式中：F1——補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力，kN；

ΔL——螺栓的伸長(zhǎng)量，mm；

E——螺栓材料的彈性模量，取200 GPa；

A1——拉伸螺栓的橫截面積，mm2；

L——螺栓的有效拉伸總長(zhǎng)度，mm。如圖10 所示，雙頭螺柱L=0.75L1+L2(L1是螺母厚度，5.75″，即L1=5.75×25.4=146 mm；L2是夾持長(zhǎng)度，近似等于2個(gè)螺母間夾持的法蘭厚度，L2=470+461+30=961 mm，故L=1070.5 mm)。

ΔL為螺栓受溫度影響的伸長(zhǎng)量。設(shè)安裝溫度25 ℃，工作溫度329 ℃，則溫差為304 ℃。金屬材料的平均線脹系數(shù)a為：

a=1×10-5mm/(mm·℃)

(2)

因?yàn)樵O(shè)備在升溫過(guò)程中法蘭同樣也會(huì)發(fā)生熱膨脹，從圖10中可以看出，螺柱受熱膨脹影響的長(zhǎng)度比法蘭面多出不到一個(gè)螺母的厚度。因此，受熱膨脹影響的有限長(zhǎng)度為0.75L1。

圖10 螺柱長(zhǎng)度示意

故溫差造成的螺栓伸長(zhǎng)量為：

ΔL=a×0.75L1×304

=1×10-5×(0.75×146)×304

=0.333 mm

螺栓橫截面積A1=14 827 mm2

因此扣除法蘭受熱膨脹因素，螺栓補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力為：

=922×103N=922 kN

克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力

(3)

式中：F2——克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力，kN;

D——密封墊片的內(nèi)徑,mm；

p——工作壓力，系試壓壓力和設(shè)計(jì)壓力中最大的值,MPa；

x——螺栓的數(shù)量。

設(shè)備運(yùn)行時(shí)保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力

(4)

式中：F3——設(shè)備運(yùn)行時(shí)保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力，kN;

m——墊片的系數(shù)，通常為密封墊制造商隨產(chǎn)品提供。由于該制造商未提供m值，計(jì)算時(shí)以金屬包覆墊取值,取m=3.75，最小預(yù)緊比壓60 MPa；

D中——密封墊片的中徑,mm；

W——密封墊片的寬度,mm。

=540 kN

因此，螺栓所需的總預(yù)緊力：

F=F1+F2+F3

=922+2 352+540

=3 814 kN

在實(shí)際拉伸時(shí)，由于螺栓的彈性變形特性，存在拉伸載荷損失，根據(jù)實(shí)際工況按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其損失系數(shù)為：

LLF=1+D1/L2=1.13

式中：LLF——損失系數(shù)；

D1——螺紋直徑，mm；

L2——夾持長(zhǎng)度。

故實(shí)際拉伸器滿足預(yù)緊力需要提供的拉伸載荷為：

F拉=3 814×1.13=4 309 kN

2.3.2 螺栓緊固參數(shù)及方法

廢鍋大法蘭共有32根螺栓，緊固方案選擇25%覆蓋拉伸，因此需采用8個(gè)拉伸器同時(shí)拉伸(25%覆蓋拉伸=每4個(gè)螺栓需要1個(gè)拉伸器) 。首先給螺栓按圖示編好序號(hào)(如圖11所示)，按照8根螺栓一組的方式，編成4組。第1組為1號(hào)、5號(hào)、9號(hào)、13號(hào)、17號(hào)、21號(hào)、25號(hào)、29號(hào)螺栓；第2組為2號(hào)、6號(hào)、10號(hào)、14號(hào)、18號(hào)、22號(hào)、26號(hào)、30號(hào)螺栓；第3組為3號(hào)、7號(hào)、11號(hào)、15號(hào)、19號(hào)、23號(hào)、27號(hào)、31號(hào)螺栓；第4組為4號(hào)、8號(hào)、12號(hào)、16號(hào)、20號(hào)、24號(hào)、28號(hào)、32號(hào)螺栓。

由于采用的是25%的拉伸器覆蓋率緊固方案，故在4步拉伸緊固過(guò)程中，先緊固的螺栓會(huì)在后續(xù)步驟緊固完成后出現(xiàn)松動(dòng)的“翹板”效應(yīng)，造成預(yù)緊力部分損失【3】，如圖12所示。為了最終達(dá)到殘余預(yù)緊力均勻的目的，先緊固的螺栓載荷必須比后緊固的螺栓載荷稍大。

圖11 25%覆蓋率緊固及現(xiàn)場(chǎng)施工示意

圖12 螺栓載荷變化趨勢(shì)

圖12中，先緊固時(shí)的泵壓力A大于后緊固時(shí)的泵壓力B。最終在緊固完成后，所有螺栓因?yàn)椴煌潭鹊妮d荷損失，殘余預(yù)緊力都均勻趨于要求的預(yù)緊力值附近。同時(shí)，采用“泵壓力A”和“泵壓力B”緊固時(shí)，每組需打壓3次，并且每次打壓都需間隔相同的時(shí)間，以便確保密封墊和螺栓充分變形，達(dá)到更好的緊固效果。4次緊固時(shí)的載荷計(jì)算如表3所示。

表3 4次緊固時(shí)的載荷

所以根據(jù)上述理論及計(jì)算，各個(gè)螺栓實(shí)際的的殘余預(yù)緊力都在3 814 kN左右，而所用拉伸器的最大輸出載荷為5 540 kN，約有4%的裕量，足夠保證螺栓的正常拆卸。另一方面，在預(yù)緊力為3 814 kN時(shí)，螺栓的應(yīng)力約為254 MPa，未超過(guò)50%的螺栓屈服強(qiáng)度，緊固后螺栓在安全彈性形變范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生塑形變形產(chǎn)生的螺紋卡死等情況。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)超高壓廢熱鍋爐多次出現(xiàn)本體大法蘭泄漏事件的問(wèn)題，對(duì)法蘭焊唇密封失效原因進(jìn)行了徹底分析，確認(rèn)密封失效與3個(gè)因素有關(guān)，分別是唇形焊環(huán)裝配偏差大、焊縫存在缺陷和大法蘭螺栓預(yù)緊力不足，其中螺栓預(yù)緊力不足為主要因素。2015年年底，在廢鍋更換盤管時(shí)同步更換了焊唇密封，并通過(guò)改進(jìn)焊唇密封組裝程序和焊接工藝、定期組織預(yù)緊螺栓等技術(shù)措施，徹底解決了問(wèn)題，也證明了之前的分析判斷。該問(wèn)題的徹底解決，不僅確保了裝置的長(zhǎng)周期、可靠運(yùn)行，為Shell瀝青氣化技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)有力支撐，更為中國(guó)石化探索清潔能源之路提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。