對國內外目前使用的高壓換熱器的密封結構、制造、檢修及經濟合理性等方面進行分析比較,優選了Ω環密封結構,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)裝置5臺高壓換熱器中,保證了密封的可靠性,節省了投資。

　　隨著對油品質量要求的提高,加氫精制及改質技術被廣泛應用,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,高壓密封結構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泄和外漏,拆卸裝配容易,經濟合理。其密封結構特點: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壁處,以減小法蘭和主螺拴的尺寸,降低密封承壓件金屬質量。③若操作介質比較干凈,密封元件材料具備防腐性能,應避免采用大法蘭結構。④結構簡單。⑤采用自緊和半自緊式密封。⑥減少密封空間。

1、常見密封結構分析與比較

　　國內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構選擇是否合理。

1.1、八角金屬環墊片密封

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

1.2、螺紋鎖緊環密封螺紋鎖緊環密封結構

　　在高溫高壓換熱器的設計中應用較廣,其密封結構見圖1。

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

1.3、Ω環密封

　　Ω環密封結構最早見于引進的高壓化肥裝置中的換熱器內。近幾年由蘭州石油機械研究所開發的Ω環設計計算方法和制造加工技術,已應用在高壓加氫換熱器的密封設計上。其結構型式見圖2。

　　Ω環作為承壓密封元件,其環殼部分直徑小,壁厚2～3 mm ,能承受很高的壓力,介質和環境完全隔絕,是1種無泄漏密封結構。Ω環由1對Ω形半環組焊而成,半環分別焊在法蘭和管板上,由于法蘭和管板的剛度較大,Ω環本身具有較好的軸向變形能力,不受溫度、壓力波動大和結構變形不一致的影響,其密封結構簡單,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環突出的優點是密封比壓為0 ,螺栓預緊力小,螺栓主要承受內壓引起的軸向力,因此螺栓直徑、法蘭厚度和質量均減小,造價降低。若換熱管結垢需清洗,則應沿Ω環頂部焊口切開,檢修完畢組對時再將環焊上。

2、經濟性比較

　　通過對前述3種密封結構優缺點的分析比較,我們在撫順石化120萬t/a催化柴油加氫精制(改質)裝置5臺加氫換熱器的設計中優選了Ω環密封結構。與八角墊密封結構相比較,兩者均結構簡單,每噸單價相同,但Ω環無泄漏,質量小,制造費用降低45萬元。與螺紋鎖緊環相比,螺紋環易發生內泄漏,Ω環不會發生內泄漏。采用Ω環的5臺換熱器平均每臺重36.5 t ,比采用螺紋環的換熱器輕6 t ,可節省投資約200萬元,占換熱器總投資的18%。

3、Ω環密封設計要求

3.1、防結焦

　　設計中應對整個換熱流程中的介質潔凈度和結焦性進行控制,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,通過優化換熱流程控制介質的換熱溫度,使混合原料油避開易結焦溫度范圍區域,減小結焦的可能。

3.2、鍛件要求

　　Ω環鍛件材質0Cr18Ni10Ti ,420℃的高溫屈服強度為σ012≥117 MPa ,化學成分及其它技術要求見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環半環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,在環上下各鉆一Φ3 mm小孔,排盡Ω環內的積水,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行Ω環密封結構加氫換熱器檢修規程。由于加氫裝置中的介質含有硫化物,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Ω環。所以必須防止在Ω環內的熱空氣冷卻凝結成水,形成連多硫酸應力腐蝕環境。防范措施為,組焊Ω環時在最底部預留5～10 mm不焊,待Ω環其余部分全部焊完后停留一段時間,使Ω環腔內空氣冷卻至室溫后再補焊預留段,避免空氣凝結成水分。氣密性試驗過程中用蒸氣皮帶加熱Ω環底部直至試驗完畢,使其溫度超過100℃將腔內的水汽化,無法生成連多硫酸。Ω環切割多次后可拆卸更換。

4、結語

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