高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)式換熱器設(shè)計(jì)改進(jìn)

王 勇

(1. 合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031； 2. 合肥通安工程機(jī)械設(shè)備監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230031)

石油煉化加氫裝置高壓換熱器的工作環(huán)境是300～450 ℃高溫、10～20 MPa高壓，內(nèi)部介質(zhì)是易燃、易爆的含氫、硫化氫和烴類等腐蝕性成分的原油【1】。最近，恒力石化剛上了2 000萬(wàn)t/a煉化一體化項(xiàng)目，浙江石化新上了國(guó)內(nèi)最大的4 000萬(wàn)t/a煉化一體化項(xiàng)目。加氫裝置高壓換熱器將隨其裝置同步大型化，采用大直徑高壓換熱器必將成為未來(lái)煉油行業(yè)的一種趨勢(shì)。

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器是加氫裝置高壓換熱器經(jīng)常采用的一種型式，與大型化裝置相配套時(shí)，其筒體直徑可選用1.8 m、2.0 m甚至更大的尺寸。它的優(yōu)點(diǎn)是密封性能可靠，內(nèi)漏、外漏可通過在線調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的內(nèi)、外圈壓緊螺栓消除，特別適用于高溫、高壓、大直徑、介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)的加氫換熱器。缺點(diǎn)是管箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜；螺紋鎖緊環(huán)裝拆不方便，需用專用工具；綜合成本高，需要不斷改進(jìn)。

1 螺紋鎖緊環(huán)式換熱器在運(yùn)行和檢修中的兩個(gè)重大問題

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的管板采用壓差設(shè)計(jì)，管、殼程在升、降壓時(shí)必須保持在設(shè)計(jì)壓差范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)壓差范圍的誤操作，就容易造成管板和密封元件損傷，導(dǎo)致管、殼程密封處泄漏(內(nèi)漏)和密封螺紋損傷。

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器在運(yùn)行和檢修過程中有5個(gè)常見問題【2】，主要包括：外漏，內(nèi)、外圈壓緊螺栓擰不出或擰斷，內(nèi)法蘭螺栓擰不出或擰斷，內(nèi)漏，螺紋鎖緊環(huán)裝拆時(shí)咬死。前3個(gè)問題很容易解決，文獻(xiàn)【2】對(duì)此有詳細(xì)介紹。

而內(nèi)漏問題不易觀察，需要監(jiān)測(cè)管程流出介質(zhì)的硫含量是否超標(biāo)才能確定。換熱器運(yùn)行初期發(fā)生內(nèi)漏可以通過緊固內(nèi)圈壓緊螺栓很快得到解決，但是內(nèi)漏發(fā)生兩三次后，通過緊固內(nèi)圈壓緊螺栓的方法基本已經(jīng)失效【3】，因此換熱器運(yùn)行中后期發(fā)生內(nèi)漏對(duì)生產(chǎn)影響就非常嚴(yán)重，需要進(jìn)行抽芯檢查才能發(fā)現(xiàn)和解決。螺紋鎖緊環(huán)裝拆時(shí)咬死這個(gè)問題不易解決【2】，若采用更換的方案則成本很高，所以這兩個(gè)問題是螺紋鎖緊環(huán)式換熱器在運(yùn)行和檢修中的兩個(gè)重大問題。下文分兩步對(duì)φ1 800 mm高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行介紹。改進(jìn)后的D形螺栓式換熱器設(shè)計(jì)更為合理。

2 第一步 工藝改進(jìn)——管、殼程介質(zhì)互換

參照某石化公司2 000萬(wàn)t/a煉化一體化項(xiàng)目二段第一加氫反應(yīng)器配套的φ1 800 mm高-高壓型單殼程螺紋鎖緊環(huán)式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)的介紹。該換熱器設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1 所示，工藝參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖1 φ1 800 mm高-高壓型單殼程螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的結(jié)構(gòu)

表1 φ1 800 mm高-高壓型單殼程螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的工藝參數(shù)

表2 φ1 800 mm高-高壓型單殼程螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1中的螺紋鎖緊環(huán)式換熱器在工藝流程中設(shè)置在二段第一加氫反應(yīng)器的下游，管程熱流體介質(zhì)是高溫加氫反應(yīng)器的反應(yīng)產(chǎn)物，殼程冷流體介質(zhì)一般為反應(yīng)進(jìn)料(原料油)。原料油變成反應(yīng)產(chǎn)物的一系列過程均受流動(dòng)阻力的影響，反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生了大于1.0 MPa的壓力降，使得換熱器管程反應(yīng)產(chǎn)物的壓力低于殼程反應(yīng)進(jìn)料的壓力，由此形成的壓力差產(chǎn)生的軸向力直接作用在管板上。由于殼程的壓力高，該軸向力F軸1方向是由殼程指向管程的(見圖2)，屬于使管、殼程之間密封分開的力。

圖2 改進(jìn)前后換熱器管板軸向力變化示意

2.1 改進(jìn)前緊固管殼、程密封所需的螺栓載荷【4-5】

改進(jìn)前緊固管、殼程密封所需的螺栓載荷W1由管板處墊片密封所需的最小壓緊力FG和管殼間壓差引起的軸向力F軸1組成。

1) 管板處墊片密封所需的最小壓緊力FG

FG=2πbDG1mPd=1.416 MN

(1)

式中：b——墊片有效密封寬度，mm；

DG1——管殼程墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；

m——墊片系數(shù)；

Pd——管殼程壓力差，MPa。

2) 管殼間壓差引起的軸向力F軸1

(2)

3) 改進(jìn)前緊固管、殼程密封所需的螺栓載荷W1

W1=FG+F軸1=12.601 MN

(3)

在換熱器運(yùn)行過程中，由于溫度波動(dòng)、 壓力變化和內(nèi)部緊固螺栓的疲勞， 造成緊固管殼、程密封的螺栓緊固力減小， 當(dāng)緊固力小于密封所需的螺栓載荷W1時(shí)， 就會(huì)造成管、殼程密封泄漏(內(nèi)漏)。

2.2 改進(jìn)后管、殼程壓力差自緊密封力【4-5】

2) 管殼間壓差引起的軸向力F軸2與F軸1數(shù)值相同，方向相反。

(4)

改進(jìn)后管、殼程密封就可以主要依靠管殼程的壓力差自緊密封。但為了保證管殼程之間密封在換熱器升、降壓時(shí)超過壓差范圍或出現(xiàn)誤操作時(shí)不發(fā)生泄漏，還是要用內(nèi)法蘭螺栓加固管殼程之間的密封。

2.3 管、殼程介質(zhì)互換在工藝上的可行性

換熱器的冷、熱兩種流體適宜走管程還是殼程，主要依據(jù)【6】?jī)煞N流體的工作壓力和溫度、可以利用的壓力降、結(jié)構(gòu)和腐蝕特性，以及所需設(shè)備材料的選擇等方面。

首先，由表1可知，管程和殼程兩種流體的工作壓力和溫度相差不太。一般加氫反應(yīng)器配套的高溫高壓換熱器的工作壓力和溫度相差都不大。

其次，管程壓力降【6】包括因摩擦阻力引起的直管壓力降,回彎壓力降和進(jìn)、出口管嘴壓力降3部分。殼程壓力降【6】包括殼程管束壓力降，導(dǎo)流筒或?qū)Я靼鍓毫岛瓦M(jìn)、出口管嘴壓力降3部分。本案例中的φ1 800 mm高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)式換熱器通過工藝計(jì)算得出，管、殼程介質(zhì)互換后的壓力降在合理壓力降范圍內(nèi)。

第三，高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)式換熱器屬于U形管換熱器，可用于殼程結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，也可用于管程易腐蝕的場(chǎng)合【6】?？紤]管、殼程介質(zhì)互換后對(duì)換熱管與管板角焊縫的影響，可以在殼程水壓試驗(yàn)后增加氨檢漏試驗(yàn)，甚至靈敏度更高的氦檢漏試驗(yàn)。

最后，由表1可知，管程和殼程兩種流體是易燃、易爆的含氫與硫化氫等多種腐蝕性成分的介質(zhì)，管、殼程內(nèi)表面均堆焊TP.309L+TP.347，具有很好的防腐性能，因此,管、殼程介質(zhì)互換后防腐蝕性能可以滿足要求。其他螺紋鎖緊環(huán)式換熱器如果原管、殼程內(nèi)表面未堆焊或堆焊達(dá)不到要求，管、殼程介質(zhì)互換后可以采取提升堆焊材料等級(jí)的方法或使用對(duì)應(yīng)的不銹鋼材料來(lái)滿足防腐要求。

綜上所述，本文案例中管、殼程介質(zhì)進(jìn)行互換在工藝上是可行性的。同樣的，對(duì)于加氫反應(yīng)器配套的大多數(shù)的高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)式換熱器來(lái)說，管、殼程介質(zhì)互換在工藝上均是可行的。

3 管箱端部處結(jié)構(gòu)改進(jìn)

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的管箱端部主要依靠梯形主螺紋連接(螺紋鎖緊環(huán)外螺紋旋入管程筒體內(nèi)螺紋進(jìn)行連接)受力。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、密封性能好；缺點(diǎn)是主螺紋機(jī)加工量大且加工精度要求高，螺紋鎖緊環(huán)旋入、旋出時(shí)易咬死且裝拆均需專用工具，管箱部分占換熱器的質(zhì)量比過大等。

針對(duì)上述問題，將該換熱器的管箱端部采用D形螺栓【7】代替原梯形主螺紋連接，并將原螺紋鎖緊環(huán)與管箱蓋板合并為一平頂蓋，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。此時(shí)原梯形主螺紋上所受的載荷由D形螺栓組來(lái)承擔(dān)，原換熱器的殼程和管程內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)保持一致，受力情況也一樣。

1—管箱筒體；2—D形螺栓；3—平頂蓋；4—D形定位銷

D形螺栓是將普通螺栓沿軸向一側(cè)削去約1/4圓弧長(zhǎng)形成的，如圖4所示。D形螺栓沿周向均勻分布并跨接在筒體端部與平頂蓋間騎縫處(如圖4右側(cè)雙點(diǎn)劃線所示)的螺紋孔中。這些螺紋孔的中心不在騎縫上，而是根據(jù)D形螺栓軸線所在位置的不同分為兩小類：一是D形螺栓軸線位于管箱筒體端部上， 呈“偏心”狀態(tài)，其中3/4螺紋孔位于管箱筒體端部上，另1/4位于平頂蓋上；二是D形螺栓軸線位于平頂蓋上， 呈“偏心”狀態(tài)，其中3/4螺紋孔位于平頂蓋上，另1/4位于管箱筒體端部上。這種結(jié)構(gòu)依靠D形螺栓的縱切面來(lái)承受軸向力，因而有效承受力面積大。D形螺栓主要承受剪切力。

圖4 D形螺栓力學(xué)模型及結(jié)構(gòu)示意

D形螺栓式換熱器在安裝平頂蓋組件之前的裝配過程與原螺紋鎖緊環(huán)式換熱器相同。安裝平頂蓋之前，D形螺栓可完全旋入并被完全包含在管箱筒體端部和平頂蓋的螺紋孔中，平頂蓋可在管箱內(nèi)自由進(jìn)出；當(dāng)平頂蓋進(jìn)入管箱筒體端部并由2～3個(gè)D形定位銷及臺(tái)階平面進(jìn)行周向和軸向定位、使平頂蓋和管箱筒體端部的螺紋孔對(duì)位后，只需將D形螺栓逐個(gè)旋轉(zhuǎn)180°，便可實(shí)現(xiàn)平頂蓋和管箱端部法蘭的完全連接。另外，考慮到D形螺栓螺紋跨在平蓋和管箱筒體端部，機(jī)加工困難，可以將平蓋和管箱筒體端部點(diǎn)焊固定，形成一個(gè)整體后再劃線機(jī)加工D形螺栓螺紋。螺紋機(jī)加工后，先將沿圓周方向均勻?qū)ΨQ的4個(gè)螺栓旋入定位，方便后期D形螺栓旋入。

D形螺栓式換熱器在清洗或檢修需要拆卸時(shí)，僅需在拆卸完內(nèi)、外圈壓緊螺栓組之后將所有D形螺栓反向旋轉(zhuǎn)180°，便能將平頂蓋從管箱筒體端部拆卸出來(lái)，而且D形螺栓可以始終留在管箱筒體端部和平頂蓋的螺紋孔中，不必旋出。

在相同設(shè)計(jì)條件下，根據(jù)文獻(xiàn)【8】第二章和第三章的設(shè)計(jì)公式以及GB/T 150.1～150.4—2011、GB/T 151—2014標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)公式，計(jì)算得到D形螺栓式換熱器與螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的具體設(shè)計(jì)參數(shù)，如表3所示(僅列出結(jié)構(gòu)的不同部分)。

表3 D形螺栓式換熱器與螺紋鎖緊環(huán)式換熱器設(shè)計(jì)比較

4 改進(jìn)的D形螺栓式換熱器

經(jīng)過上述兩步設(shè)計(jì)改進(jìn)得到的D形螺栓式換熱器 ，不僅總質(zhì)量減小、成本降低， 而且首次同時(shí)解決了內(nèi)漏和螺紋鎖緊環(huán)裝拆時(shí)咬死這兩個(gè)重大問題。

D形螺栓式換熱器特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是： 首先，完美繼承原螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的密封性能可靠且可在線調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)， 可用于高溫、高壓、大直徑、介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)的加氫換熱器； 其次， 管、殼程介質(zhì)互換使管程工作壓力大于殼程，利用壓力差進(jìn)行自緊密封使得內(nèi)漏大大降低； 第三，用一組D形螺栓代替原梯形主螺紋連接， 去掉螺紋鎖緊環(huán)， 使管箱結(jié)構(gòu)更加緊湊，管箱端部質(zhì)量減小25%～30%， 螺紋加工和管箱制造工作量大大減少； 最后，D形螺栓的旋轉(zhuǎn)只需采用一般的小型扳手，不再需要專用工具， 裝拆方便很多。原螺紋鎖緊環(huán)換熱器和改進(jìn)的D形螺栓式換熱器參數(shù)比較見表4。

表4 原螺紋鎖緊環(huán)換熱器和改進(jìn)的D形螺栓式換熱器參數(shù)比較

5 結(jié)論

分兩步對(duì)某石化公司2 000萬(wàn)t/a煉化一體化項(xiàng)目的二段第一加氫反應(yīng)器配套的φ1 800 mm高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)， 第一步進(jìn)行工藝改進(jìn)，將管、 殼程介質(zhì)互換， 利用管殼程壓力差自緊密封解決內(nèi)漏問題； 第二步采用 D形螺栓代替主螺紋連接， 使管箱端部質(zhì)量減小約25%～30%。經(jīng)過這兩步設(shè)計(jì)改進(jìn)得到了一種改進(jìn)的D形螺栓式換熱器， 它繼承原螺紋鎖緊環(huán)式換熱器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也解決了內(nèi)漏和螺紋鎖緊環(huán)裝拆時(shí)咬死這兩個(gè)重大問題， 更加適用于大型化、 介質(zhì)腐蝕強(qiáng)的加氫裝置高壓換熱器。因此， 改進(jìn)的D形螺栓式換熱器在進(jìn)一步研究和試驗(yàn)后， 可望在高溫高壓換熱器中得到廣泛應(yīng)用。