對國內(nèi)外目前使用的高壓換熱器的密封結(jié)構(gòu)、制造、檢修及經(jīng)濟合理性等方面進行分析比較,優(yōu)選了Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu),并應用于撫順石化分公司120萬t/a催化柴油加氫精制(改質(zhì))裝置5臺高壓換熱器中,保證了密封的可靠性,節(jié)省了投資。

　　隨著對油品質(zhì)量要求的提高,加氫精制及改質(zhì)技術(shù)被廣泛應用,各煉油廠不斷改進或新建加氫裝置,該裝置的操作介質(zhì)為高溫、高壓、易燃、易爆的油氣、氫氣和少量硫化氫,故對高壓換熱器的密封要求很嚴,高壓密封結(jié)構(gòu)的設計既要滿足密封性能又要便于制造、安裝和檢修。高壓換熱器密封設計主要是防止高溫高壓有腐蝕流體的內(nèi)泄和外漏,拆卸裝配容易,經(jīng)濟合理。其密封結(jié)構(gòu)特點:①為使墊片達到足夠的預緊密封比壓和操作密封比壓,保證密封性能而不致于將墊片壓潰,常采用金屬環(huán)墊片,墊片和密封面的接觸面盡量窄。②密封面應盡量靠近筒體內(nèi)壁處,以減小法蘭和主螺拴的尺寸,降低密封承壓件金屬質(zhì)量。③若操作介質(zhì)比較干凈,密封元件材料具備防腐性能,應避免采用大法蘭結(jié)構(gòu)。④結(jié)構(gòu)簡單。⑤采用自緊和半自緊式密封。⑥減少密封空間。

1、常見密封結(jié)構(gòu)分析與比較

　　國內(nèi)加氫精制裂化裝置中的高壓換熱器多采用臥式U型管換熱器,固定端管板采用可拆卸連接,管束可抽出進行清洗維修。這種型式的換熱器的密封性能好壞在于管、殼程筒體端與管板之間的密封結(jié)構(gòu)選擇是否合理。

1.1、八角金屬環(huán)墊片密封

　　這種密封結(jié)構(gòu)是將固定端管板夾在殼體法蘭和管箱法蘭之間,用八角形金屬環(huán)作為密封墊片,由螺栓緊固力預緊來完成密封。特點是結(jié)構(gòu)簡單,制造、安裝和檢修容易。但法蘭和螺栓尺寸很大,質(zhì)量大,造價高,易泄漏,已很少使用。

1.2、螺紋鎖緊環(huán)密封螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)

　　在高溫高壓換熱器的設計中應用較廣,其密封結(jié)構(gòu)見圖1。

　　擰緊外圈螺栓,通過頂柱、固定環(huán)和墊片壓板壓緊墊片,實現(xiàn)管程密封。擰緊內(nèi)法蘭螺栓,通過分程套筒和管板壓緊殼程墊片,實現(xiàn)殼程密封。在生產(chǎn)操作過程中,如發(fā)現(xiàn)殼程介質(zhì)向管程泄漏,可擰緊內(nèi)圈螺栓,通過頂柱、壓緊環(huán)、墊片壓板、內(nèi)套筒、內(nèi)法蘭、分程套筒和管板壓緊殼程墊片,實現(xiàn)殼程墊片在線輔助壓緊。這種密封結(jié)構(gòu)適合于管、殼程均為高壓的換熱器。但結(jié)構(gòu)復雜,螺紋鎖緊環(huán)的機加工精度高,制造難度大,造價高。承壓內(nèi)件(內(nèi)法蘭、螺栓等)在高溫高壓條件下容易變形及腐蝕,在發(fā)生內(nèi)泄時又要不斷地擰緊螺栓,加大密封壓力,使內(nèi)件受損較大,檢修時需要經(jīng)常更換。其特點是密封螺栓較小,密封可靠性高。

1.3、Ω環(huán)密封

　　Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)最早見于引進的高壓化肥裝置中的換熱器內(nèi)。近幾年由蘭州石油機械研究所開發(fā)的Ω環(huán)設計計算方法和制造加工技術(shù),已應用在高壓加氫換熱器的密封設計上。其結(jié)構(gòu)型式見圖2。

　　Ω環(huán)作為承壓密封元件,其環(huán)殼部分直徑小,壁厚2～3 mm ,能承受很高的壓力,介質(zhì)和環(huán)境完全隔絕,是1種無泄漏密封結(jié)構(gòu)。Ω環(huán)由1對Ω形半環(huán)組焊而成,半環(huán)分別焊在法蘭和管板上,由于法蘭和管板的剛度較大,Ω環(huán)本身具有較好的軸向變形能力,不受溫度、壓力波動大和結(jié)構(gòu)變形不一致的影響,其密封結(jié)構(gòu)簡單,制造及拆裝方便,密封效果好,解決了其它類型墊片可能出現(xiàn)的密封面失效問題,也不會因密封面變形錯位而導致泄漏。適用壓力為7～32 MPa。Ω環(huán)突出的優(yōu)點是密封比壓為0 ,螺栓預緊力小,螺栓主要承受內(nèi)壓引起的軸向力,因此螺栓直徑、法蘭厚度和質(zhì)量均減小,造價降低。若換熱管結(jié)垢需清洗,則應沿Ω環(huán)頂部焊口切開,檢修完畢組對時再將環(huán)焊上。

2、經(jīng)濟性比較

　　通過對前述3種密封結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點的分析比較,我們在撫順石化120萬t/a催化柴油加氫精制(改質(zhì))裝置5臺加氫換熱器的設計中優(yōu)選了Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)。與八角墊密封結(jié)構(gòu)相比較,兩者均結(jié)構(gòu)簡單,每噸單價相同,但Ω環(huán)無泄漏,質(zhì)量小,制造費用降低45萬元。與螺紋鎖緊環(huán)相比,螺紋環(huán)易發(fā)生內(nèi)泄漏,Ω環(huán)不會發(fā)生內(nèi)泄漏。采用Ω環(huán)的5臺換熱器平均每臺重36.5 t ,比采用螺紋環(huán)的換熱器輕6 t ,可節(jié)省投資約200萬元,占換熱器總投資的18%。

3、Ω環(huán)密封設計要求

3.1、防結(jié)焦

　　設計中應對整個換熱流程中的介質(zhì)潔凈度和結(jié)焦性進行控制,在原料泵前加2級管道過濾器,原料泵后加自動沖洗過濾器,通過優(yōu)化換熱流程控制介質(zhì)的換熱溫度,使混合原料油避開易結(jié)焦溫度范圍區(qū)域,減小結(jié)焦的可能。

3.2、鍛件要求

　　Ω環(huán)鍛件材質(zhì)0Cr18Ni10Ti ,420℃的高溫屈服強度為σ012≥117 MPa ,化學成分及其它技術(shù)要求見JB 4728—2000《壓力容器用不銹鋼鍛件》,驗收級別為Ⅲ級。鍛件應按GB 43315—84《不銹鋼硫酸2硫酸銅腐蝕試驗方法》進行抗晶間腐蝕試驗。

3.3、制造

　　Ω環(huán)鍛件粗加工后,按JB 4730—94進行射線檢查,Ⅱ級為合格。在設備法蘭和管板熱處理及機加工完成以后再將Ω半環(huán)分別焊在法蘭密封面和管板上,至少分2次施焊,且焊腳高度不小于6 mm。焊接接頭按JB 4730第四篇進行滲透檢測,Ⅰ級為合格。Ω環(huán)半環(huán)之間的焊接接頭要打磨坡口并分二層施焊,焊后滲透檢測,Ⅰ級為合格。換熱器水壓試驗合格后,在環(huán)上下各鉆一Φ3 mm小孔,排盡Ω環(huán)內(nèi)的積水,并徹底吹干,然后將Φ3 mm孔焊死,焊完做滲透檢查。

3.4、檢修拆裝

　　檢修拆裝時應嚴格執(zhí)行Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)加氫換熱器檢修規(guī)程。由于加氫裝置中的介質(zhì)含有硫化物,在開停工時,殘留的硫化物遇水或氧反應會生成連多硫酸,因此,在切割Ω環(huán)前必須進行堿洗,堿洗后不得用水清洗,用壓縮空氣吹干,使表面保留堿膜。若反應器不卸料,則反應殘余物在氣密試驗過程中流經(jīng)Ω環(huán)。所以必須防止在Ω環(huán)內(nèi)的熱空氣冷卻凝結(jié)成水,形成連多硫酸應力腐蝕環(huán)境。防范措施為,組焊Ω環(huán)時在最底部預留5～10 mm不焊,待Ω環(huán)其余部分全部焊完后停留一段時間,使Ω環(huán)腔內(nèi)空氣冷卻至室溫后再補焊預留段,避免空氣凝結(jié)成水分。氣密性試驗過程中用蒸氣皮帶加熱Ω環(huán)底部直至試驗完畢,使其溫度超過100℃將腔內(nèi)的水汽化,無法生成連多硫酸。Ω環(huán)切割多次后可拆卸更換。

4、結(jié)語

　　高壓換熱器是加氫裝置中的主要設備,采用Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu),可保證換熱器使用時無泄漏,安全可靠,也使結(jié)構(gòu)簡單,降低設備造價。目前,這5臺換熱器已投入使用,效果良好。