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加氢装置高压换热器密封的分析比较

点击:2205 日期:[ 2014-04-26 22:21:38 ]
                          加氢装置高压换热器密封的分析比较                                      陈南雄                      (扬子石油化工公司炼油厂, 江苏南京2l0000)      摘要:就加氢装置中高压换热器密封结构的3种型式:八角垫密封、螺纹锁紧环密封、I2形环密封的工作原理、结构特点、密封载荷、泄漏原因等方面进行了分析和比较,提出的问题和建议对加氢装置中高压换热器密封的设计和使用有较大帮助     关键词:加氢装置;高压换热器;密封     中图分类号:TB42 文献标识码:B 文章编号:1006—0316(2006)07—006l一04     由于加氢换热器内的介质为易燃易爆的含氢介质.而且操作温度、操作压力均较高,临氢、【太J部有温度差、膨胀不均匀.不允许有任何泄漏。这已成为生产、维护检修中的主要问题。密封性能直接影响加氢换热器的可靠性。因此密封结构成为加氢换热器结构没计最重要的环节。     扬子石化公司700 kt/a加氢精制装置采用的是螺纹锁紧环密封式换热器,500 kt/a加氢精制装置采用的是八角颦密封式换热器,2000 kt/a加氢裂化装置采用的是Q密封环式换热器。     1结构特点     1.1三套加氢装置高压换热器参数     八角垫密封式高压换热器、螺纹锁紧环换高压热器、Q形密封环型高压换热器参数见表1。     1.2八角垫密封式    它的结构与通常换热器密封无大差别.应用于高压场合的半自紧密封根据垫片形式主要有八角垫、椭圆垫等,加氢装置中应用最多的为八角结构。    (1)密封结构及特点    八角垫密封属于线接触密封,具有径 半自紧的特点,环垫的平均直径比环槽平均直径稍大,靠环垫与环槽的的I大J外斜面接触并压紧形成密封 、环垫与环槽的斜面角度一股为23。.见图1 环垫材料的最高硬度应在1 70 HBS以下,且比环槽零佴:f,j材料低HBS30~40.密封面粗糙度尺“为1.60~0,8m 】。高压换热器依靠螺栓拉 压紧八角垫来产生初始压力.保持密封,L大J此,法兰外圆直径、厚度、螺栓尺寸都很大。如500 kt/a加氢精制装置高压换热器的法兰直径1570 ITIITI.厚度297 mm.单套螺栓重量45.9 kg,螺栓总重量1.10 t。升压后.介质作用使八角垫径向扩张,垫与环槽的斜面更加帖紧产生自紧作用,但介质压力升高刚样使螺栓币u法兰变形.造成密封面的相对分离,压紧力减小 此.它对温度、压力的波动非常敏感。                            (2)密封载荷分析     升压后,法兰式换热器的螺栓载荷主要由两部分组成:一是流体静压力产生的轴向力使法兰分开,需克服此种端面载荷;二是为保证密封性,要在垫片或接触面上维持足够的压紧力,因此螺栓大,拧紧困难。当换热器内压、温度发生波动时,由于主螺栓很长,八角垫很小的变形都会使螺栓载荷发生明显的变化,直接影响着环垫的密封效果。因此,极容易产生泄漏,尤其在装置开停工时可能性更大。加氢高压换热器八角垫的材质一般采用不锈钢。对其密封载荷分析时,密封基本宽度为环宽的1/8。预紧比压约179 MPa,垫片系数为6.50左右。     1.3螺纹锁紧环密封式换热器     这种结构换热器最早是由美国雪弗龙(Chevron)公司和日本千代田公司共同研究开发成功的。它的独特点在于管箱部分,见图2。由于结构上的优点,近20年来在加氢裂化和加氢脱硫装置使用较多。当管壳程均为高压时采用H—H型,壳程为低压而管程为高压时,采用H—L型。图2为H— H型高压换热器的管箱结构图。                     (1)密封结构及特点     换热器的壳体和管箱锻成或焊为一体,由内压引起的轴向力通过管箱盖和螺纹由壳体本体承受。因此,加给密封垫片的比压小,所需要的螺栓预紧力小。它的特点是没有主法兰及主螺栓,压紧垫片的压力由装在螺纹承压环上的压紧螺栓专门提供·    设备内部的压力载荷发生波动时,不影响垫片密封,同时压紧垫片的螺栓受力是压缩方向的,更有利于弥补垫片回弹作用,因此密封可靠。在操作运转过程中,如果发现管程密封处泄漏或管壳程问串漏,利用露在端面的固定螺栓和辅助固定螺栓就很容易进行在线紧固作业,消除泄漏,免去了不必要的停工及经济损失。但这种结构较复杂,机加工件多,而且其公差与配合的要求也比较严格,大直径精度要求高的螺纹加工困难。     (2)密封载荷分析     它的结构形式,使得内压载荷与垫片载荷各自分开,流体静压力产生的轴向力通过螺纹锁紧环传到了管箱壳体上,螺栓只需供给垫片密封所需的压紧力,使垫片的压紧力得到保证。内压载荷与垫片载荷形成的总载荷由端部大螺纹承受,因此螺纹锁紧环是主要的受力元件,常采用大节距的梯形螺纹形式。它上面的大螺纹及相对应的简体上的大螺纹承担着全部载荷,而且载荷并非均匀地分布在每圈螺纹上,前三圈最大,局部应力峰值可高达250MPa,因此对于螺纹的加工精度尤为重要。大螺纹的加工需要有数控机床来保证。要进行全面的检查及详细测试。     内套筒传递压紧力,使管板垫片被压紧,另一个作用使管程的进出口隔开。垫片压板压紧垫片起密封作用,同时传递螺纹承压环上的压紧力;内、外固定螺栓传递螺栓压紧力,起压缩弹簧作用,对垫片起回弹补偿作用。螺纹锁紧环与压盖一起承受全部内压载荷及垫片压紧力。开口环与内部固定螺栓一起给管板的垫片第一次压紧力。     1.4 Q形环密封式高压换热器     n形环密封是一种新型半可拆式密封结构,最早见于引进高压化肥装置。其密封由螺栓、法兰、垫片及n环的密封焊来实现的。由于n形环具有较好的轴向变形能力(形状像膨胀节的一个波)及密封焊本身的特点,常被用在温度、压力较高且有较大波动,介质为易燃易爆,密封性能要求较高的场合。国内加氢装置在20世纪90年代初开始应用该密封形式。它的零件少,设备法兰、主螺栓尺寸小,钢材耗量少。     (1)密封结构及特点     如图3所示,加工成对称的各半形n形密封圈,先各自焊在法兰密封面上和管板密封面上,安装时,2个法兰对中后,用几个螺栓先固定,将2个密封圈组对焊成n形。再用大螺栓压紧法兰。另外在密封圈的周向设几个平衡孔,将介质引入n环腔内。因此,密封压力部分由n环腔体的膨胀来消除。这种结构有较大回弹补偿,当主螺栓被拉伸较长时,超出弹性变形而不能补偿时,弧形的n环可以伸缩,且伸缩值很大,有很大的补偿能力。                       (2)密封载荷分析     在操作工况下,由n形密封圈膨胀消除部分液体内压产生的轴向力载荷,大螺栓承受余下部分的轴向力载荷和压紧垫片的载荷。因此,同八角垫密封结构相比较,螺栓载荷和直径可以大大减小。因此,n密封圈是最重要的受力元件,它不仅承受由内压引起的周向薄膜应力、径向薄膜应力和径向弯曲应力,而且承受轴向力引起的径向薄膜应力、径向弯曲应力。在环体和n密封圈的结合处,由于有结构变化而存在局部应力(二次应力)。所以在设计时应对n密封圈进行有限元应力分析。此外,由于工作介质的温度和压力经常波动,n密封圈将承受交变载荷的作用,应进行疲劳寿命核算。表2为三种高压换热器密封的性能比较。     2密封泄漏的原因分析     2.1八角垫密封换热器     螺栓上压紧力不足以保持密封比压,是八角垫式密封换热器泄漏的主要原因。八角垫表面粗糙度及法兰密封面的光洁度如果低于设计要求,使得法兰如密封面与垫片有可能达不到足够贴合的要求,假再加上螺栓上紧力低于设计要求,将增加泄漏的可能性。另外一个影响因素是密封槽及八角垫的同心度。当直径较大时,同心度不够理想,也增加了泄漏的可能性。                      2.2螺纹锁紧环式换热器     螺纹锁紧环式换热器内部有4道密封环节:     (1)专用隔板从中间分成2个半圆筒,其中1个半圆筒用半圆盖封闭,使管箱的进出口完全隔开。装配时必须保证半圆盖的周边螺栓压紧均匀;     (2)为了防止专用隔板、内法兰的环形间隙产生短路,在进口上设置密封机构,依靠填料压圈压紧密封带来维持密封;     (3)管、壳程之间的密封靠压紧管板两侧的垫片来保证。预紧时,依靠开口环和内部固定螺栓给管板垫片预紧力。操作时,一旦发生内漏,依靠旋紧管箱压盖固定螺栓,通过固定环、密封盘、内套筒、内法兰、专用隔板,把力传递到管板,压紧垫片,保持密封;     (4)依靠压紧外泄漏垫圈来保证防止介质的外泄。当介质外漏时,通过上紧螺纹锁紧环固定螺栓,通过承压环、密封盘,把力传递到外密封垫圈上。温度及压力的频繁波动也是影响泄漏的因素。     2.3 Q形环式高压换热器     Q形环式换热器的管板与管箱法兰、壳体法兰的密封采用n环密封机构,由于其连接形式的特殊保证了密封的可靠性。但是如果发生换热器泄漏,必是Q环损坏,出现裂纹或穿孔。出现这种情况时装置必须紧急停车。     造成Q环密封失效的原因主要有两点:     (1)接质量差,焊缝内部有缺陷;两个半形n环有错边,壁厚不均匀导致应力不均匀;     (2)螺栓上紧力不足。由于工作温度、压力的变化和金属材料的蠕变,螺栓有可能产生“松弛”,当螺栓拉力如果低于内压引起的轴向力时,两个半形n环间的间隙增大,在n环顶焊缝处产生很大的弯曲应力,导致密封圈损坏而产生泄漏。     3 结束语     (1)高压密封比中低压密封设备的密封要困难得多。在密封原理和结构上有较大区别。上述三种密封原理、结构、加工制造、成本、设备维护等方面来看各有利弊,应综合考虑。    (2)在加氢高压换热器的密封型式选择时,可以依据压力等级、壳体直径来选择。压力为6—9MPa,壳体直径小于1000 mm的密封,一般采用八角垫密封的形式;压力大于9 MPa时采用螺纹锁紧环式密封,而n密封环式适用于7—20 MPa高压换热器,且超高压时该密封优势明显。      参考文献:     【1】王志文.化工容器设计【M】.北京:化学工业出版社,]993,5.        【2】徐灏.密封fM1.北京:冶金工业出版社.1999,3.
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