高温高压换热器运行故障分析及处理

高温高压换热器运行故障分析及处理 工石 油 化 PETROCHEMlCAL TECHNOLOGY2003年第32卷增刊 703 高温高压换热器运行故障分析及处理 周有石，张德华，姜红超 (扬子石油化工股份有限公司芳烃厂，江苏南京210048) [摘要]换热器EAl01属高温高压临氢设备，其密封性能的好坏，将直接影响到加氢裂化装置的安全运行。本文对首 次进行检修改造的EAl01在试用期间出现的管箱与盖板封头之问实心园垫片角焊缝密封处泄漏的原因进行了分 对螺栓的密封扭矩进行了计算，并提出了处理措施，对高温高压临氢设备国产化具有一定的借鉴意义。 [关键词]高析( 温高压临氢设备;角焊缝;密封分析;扭矩计算 051 5 [中图分类号]TQ [文献标识码]A EAl01为扬子芳烃加氢裂化装置新鲜进料与 加氢裂化反应器出料换热器的第一级，由意大利 NUOVOPIGNONE公司制造。换热器形式为立式， 阮一1u型管式，程数为2，结构尺寸为?1226 nllll×6398 暖褫髟 Film×83(5 mm，设计压力为18(4 ，设计温度为MPa 彩多夕杉„Z巧?Z杉??fZg幺女盯————,433?，设备简图见图1。 忒蕊蕊蕊蕊蕊滁 图2臂箱与盖板之间密封结构 置大修开车后即发现EAl01改造件的管箱与盖板 之间的实心圆垫片与管箱的角焊缝出现裂纹，产生 泄漏现象，严重影响了加氢裂化装置的高负荷安全 运行，因此，有必要对泄漏原因进行深入细致的分 析，杜绝此类现象的发生，为装置安全生产提供 保证。 1现场拆卸情况 在停车检修过程中，用YB 40000液压扳手拆 图1 EA—101换热器筒 图 下管箱与盖板的连接螺栓(24 M90)，拆卸时发现 该换热器的特点是介质l|缶氢、压力高、温度高、 液压扳手油压最大为20 MPa，最小为3,5 MPa。温差大、运行工况恶劣。在具有高温高压和腐蚀性 落下管箱盖板后，检查实心圆垫片的角焊缝的的条件下，换热器的密封问题是设备安全、经济、长 mm。焊角高度K实测为2,3 周期运行的关键所在。为此，该换热器管壳程之间 的密封采用n垫片密封结构， 2角焊缝泄漏原因分析 换热器管程与管箱盖 板之间的密封采用实心圆垫片密封焊结构，如图2 A387—22EAl01的管箱材质为ASTM 所示。 (12CrM0910)，内壁覆盖厚度为3 mm不锈钢堆焊 2001年7月，EAl01换热器由于管程与管箱盖 层，堆焊层材质为1(4551(0Crl8Ni9)。管箱盖板材 板之间的密封采用实心圆垫片的角焊缝出现泄漏等 A387 质为ASTM 22(12CrM0910)。 故障进行整台更换，现使用的是国内相关化工机械 厂的改造件。 作者简介]周有石(1967)。男，江苏省南京市人，大学，工程师(电 CONl。 话025—7782243，电邮youshizhou@163 新更换的设备在年月日加氢裂化装 200186 工石 油 化 704 PETRoCHEMICAL TECHNOLOGY2003年第32卷 箱盖螺栓时，发现液压扳手油压最大为20 MPa，最 管箱与管箱盖板密封采用金属平垫片+密封 小为3,5 MPa，其中最小油压远小于在操作状态下 焊，结构如图2所示。金属平垫片为实心圆结构，尺 1TtIll×11 mm。材质为ASTM A264，金 寸为?1260 单个螺栓能达到密封效果的最小油压，所以，这是造 属平垫片内壁覆盖厚度为3 mm不锈钢堆焊层，金 成泄漏的主要原因。 2(2角焊缝强度不够 属平垫片周围则覆盖厚度为10 mm不锈钢堆焊层， 堆焊层材质为 从EAl01B结构图上可以看出，管板垫片密1(4551(0Crl8Ni9)。角焊缝泄漏原 因分析如下。 焊角焊缝部位焊缝高度K要求为6 FIIrll(见图3)。 封 2(1螺栓紧力不足而在施工现场，管箱实心圆垫片的角焊缝的焊缝高 金属平垫片密封的机理为在一定的螺栓紧力 度K实测为2,3 miD(。强度等级明显偏低。 下，金属平垫片与法兰密封面压实贴合，金属平垫片 产生微量塑性变形，填满密封面之间的微观凹凸不 平之处，从而达到密封效果。影响金属平垫片密封 要素为法兰的强度、密封面的粗糙度垫片的硬度及 xl 湫 螺栓紧力，很显然，对于高温高压设备现场检修，控 、、 、， 制螺栓紧力较为关键。根据随EAl01进口设备带 ,、 ,、 来的UOP检修 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 书的规定，EA 101高压螺栓 MPa把紧时的螺栓拉伸器空气液压泵的油压为112 (该压力包括大约25,的松弛，再加上10,的安全 图3角焊缝结构衙图 裕度)，专用工具的液压面积为189(7 cm2，则螺栓 拉伸力为 EAl01管箱与管箱盖板密封采用金属平垫片 t 则螺Q=P×液压区域,负荷损失系数=166(6 +密封焊结构，决定了该角焊缝要以某种方式承受 着一定的载荷，这就决定了该角焊缝必须要具有足 栓的扭紧力矩为 N„m T=1,2 d Q tg(口+P)+Q，r=27811 够的强度，而角焊缝本身几何尺寸复杂，位于结构不 式中，d为螺纹中径86(1 mm;尘为螺纹升角= 连续部位，很容易产生根部未焊透现象，同时，又难arctgnt,nd=arctg 6,86(1×3(14=1(27。;P为螺纹 于进行射线及超声波探伤，所以焊缝质量一般难以 4;， 摩擦角=arct91(155f=arct91(155×0(15=9(8 为当量摩擦半径=1,4×(螺母环形支撑面直保证。 +螺 径针对上述问题，在角焊缝焊接实施过程中，在第 栓孔直径)=1,4×(128+94)=55(5。所以，液压扳 一层焊缝焊接完成时，一定要进行着色检查，以确保 手油压为 角焊缝根部全部溶合焊透，在焊接时要注意层间要 MPa 5×27811,40000=21(9 P=31 清理干净，以防止产生夹杂及气孔等缺陷，同时，还 式中， N?m31(5 MPa为液压扳手的最大油压;40000 为要加强角焊缝的外观检查，以避免咬边、飞溅等缺陷 液压扳手的最大扭矩。产生。 参照《钢制压力容器》GBl50—98国家标准，EA 由于角焊缝一般受剪切破坏，而焊角高度不够 10l管箱封头法兰在操作状态需要的最小螺栓载 则尤其容易发生剪切破坏，因此，根据实际情况，参荷为: 照《钢制压力容器》GmS0 98标准，对EAl01的金 b m t 56 DG wP=F+FP=0(785 D,Pc+6(28 Pc=2035 属平垫片密封角焊缝不仅要控制焊角高度尺寸K，式中，D。:为垫片压紧力作用中心圆直径1210 mill; 同时还应该严格控制角焊缝的喉部尺寸n，确保a MPa;m为垫P，为计算压力取最高工作压力16(3 大于0(7 K以达到密封焊相应的强度要求。 片系数，对于不锈钢平板m取6(5;b为垫片有效 3现场处理情况 密封宽度，b。=垫片宽度,2=50,2>6(4，所以b= 2(53 b。1“=12(65 mm。 根据现场抢修的需要，采用局部补焊的方法，用 在操作状态下单个螺栓的最小载荷为Q= 手工重新焊接管箱盖板垫片角焊缝。第一道焊缝使 2035(56,24=85 t，则在操作状态下单个螺栓的最 用A302焊条手工电弧焊;其它焊缝使用A132焊条 MPa，在拆卸 手工电弧焊;第一道焊缝焊前预热100,120?，在 小油压为P=21(9,166(6×85=11(2 705 周有石等:高温高压换热器运行故障分析及处理增砷 实际焊接过程中加强外观检查，第一层及最后焊完 4结论 经着色检查合格。测量密封板角焊缝焊角高度K (1)国内相关制造厂已经具备了制造EAl01 为8 mm及喉部高度。为6 mm，合格。 根据现场条件，使用液压扳手对EA一1叭A,B 这样的高温高压临氢设备的能力。EAl01经现场 的 局部打磨，消除裂纹，重新焊接后运行至今，情况良 管壳程连接螺栓进行重新紧固，由于管箱联结螺 好就是有力的证明。 栓材质已由国外的21CrMov57,24CrM05改为国内 的25Cr2MoVA, 35CrMoA。因此，在实际把紧螺栓 (2)管箱与盖板之间的实心圆垫片与管箱的角 前，应对国产螺栓的强度进行校核。 焊缝焊接强度不足，达不到图纸设计要求，螺栓把紧 在螺栓预紧时，螺栓不但要承受由预紧力产生 力矩大小不均且总体偏小，这是造成装置开车 的拉伸应力的作用，而且还要承受由螺旋副间的摩 EAl01泄漏的主要原因。 擦阻力矩产生的扭转应力 (3)通过严格控制密封焊焊接工艺，加强外观 可以作用，根据第四强度理论， 及着色检查，是能够保证焊接质量的，另外，根据 求出螺栓所能承受的最大预紧拉伸载荷F 。 25Cr2MoVA材质螺柱的高温力学性能，在400? EA一101管箱密封焊结构，将角焊缝的焊脚高度K MPa，为防止在预紧过程 为6mm改为8 mtn，以保证K大于6 mm，达时的屈服极限6【)2为530 增强角焊缝强度的目的。 中各种不确定因素引起预紧扭矩的波动，应保证预 紧载荷不超过其屈服到了 0(8倍。M90×6的螺 (4)对于高温高压临氢设备密封面的紧固，一 极限的 定要严格控制住螺栓紧力，必要时要对螺栓强度进 栓螺纹小径dl为83(5 mm，螺纹中径d2为86(1 mrfl所以: 行校核。 8 785 60 2×0 F。m=0 d},{1十[tg(中+P)× 参考文献 t 2d2厂d1]2f”=190 77—99[1]戈晓岚工程 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 [M]南京:东南大学出版杜，1996 则在预紧时单个螺栓的最大极限油压为 210,247[2]机械设计手册[M]北京:化学工业出版社，1987 MPa 9,166(6×190=25 P=21 84,117[3]钢制压力容器[M]北京:中国标准出版社，1998 116因此，在实际把紧过程中，把液压扳手油压控制 [4]杨可帧机械设计基础[M]北京:高等教育出版社，t998 ,13l在22 MPa是安全可行的。螺栓复位时分三圈对称 [5]吴望周化工设备断裂失效分析[M]北京:中国化工学会教育把紧，第一圈10 MPa，第二圈为17 MPa，第三圈为 79,123工作委员会，1991 22MPa( (编辑李治泉)