基于ANSYS的高壓換熱器密封盤變形失效分析

孫寶財(cái) 張正棠 肖 雪

（1.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院；2.中國石油天然氣股份有限公司玉門油田分公司）

目前， 國內(nèi)外在高壓加氫裝置中使用最廣泛、 最先進(jìn)的熱交換器有螺紋鎖緊環(huán)式換熱器、隔膜密封換熱器和Ω環(huán)式換熱器3種。這類換熱器可在高溫、 高壓及臨氫等苛刻的操作條件下運(yùn)行，操作介質(zhì)是易燃、易爆且具有腐蝕性的氣體或液體。 1959年， 美國建造了第1臺高壓加氫裝置。 隨著國內(nèi)油田的相繼發(fā)現(xiàn)，在1966年中國建成了第1套年產(chǎn)400t的高壓加氫裝置［1］。 隨后，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者做了很多開創(chuàng)性的工作［2，3］，并不斷改進(jìn)和優(yōu)化高壓加氫裝置制造工藝［4～7］。

近年來，隨著煤化工行業(yè)的興起，對高壓加氫換熱器的檢維修技術(shù)也提出了新的挑戰(zhàn)，很多學(xué)者在這方面也做了許多研究［8～15］。 但是直到現(xiàn)在，國內(nèi)只有少數(shù)幾家大型企業(yè)掌握制造大直徑高壓換熱器的技術(shù)，顯然不能滿足國內(nèi)石化行業(yè)的需求。 限制很多企業(yè)生產(chǎn)高壓換熱器的主要原因是一些制造難點(diǎn)、密封面變形和腐蝕問題還沒有得到解決， 其中密封盤的變形是最重要的難點(diǎn)，因?yàn)槊芊獗P是螺紋鎖緊環(huán)式換熱器和隔膜密封換熱器中的關(guān)鍵密封元件，所以密封盤的制造水平在某種程度上是衡量是否完全掌握這兩類換熱器制造技術(shù)的標(biāo)志。 許多制造企業(yè)嘗試在制造密封盤時(shí)采取防止變形的相關(guān)舉措，但是最后檢測都不合格，這是因?yàn)橹辉谥圃爝^程上一味模仿， 而沒有對制造細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃和把握。鑒于此， 筆者將系統(tǒng)地簡述密封盤的變形問題，提出密封盤加工工藝方面的一些防范措施，同時(shí)研究了密封盤失效的主要原因。

1 密封盤厚度計(jì)算

高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的密封盤是按壓差設(shè)計(jì)的， 首先進(jìn)行密封盤厚度設(shè)計(jì)計(jì)算，在厚度滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上建立三維幾何模型，并進(jìn)行變形仿真分析。

密封盤設(shè)計(jì)參數(shù)為：

密封盤材料 0Cr18Ni10T

管板墊片壓緊力作用中心圓直徑Dg1096mm

沿隔板槽一側(cè)一排的換熱管根數(shù)nl32

U形換熱管根數(shù)nt708

密封盤設(shè)計(jì)壓力（壓差）pd5.3MPa

隔板兩側(cè)相鄰兩換熱管中心距Sn78mm

換熱管中心距St25mm

參照GB/T 151—2014 《熱交換器》［16］、GB/T 150—2011《壓力容器》［17］和文獻(xiàn)［18］的設(shè)計(jì)計(jì)算方法求出：

2 密封盤加工技術(shù)

2.1 密封盤結(jié)構(gòu)

密封盤本身的結(jié)構(gòu)（圖1）直觀看較為簡單，但要嚴(yán)格按照加工工藝加工出合格的零件并不容易，因密封盤平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彈性變形區(qū)最薄處厚度僅為5mm，故給密封盤結(jié)構(gòu)加工帶來極大困難，當(dāng)切削加工溫度升高時(shí)，在切削車刀進(jìn)給瞬間由于溫度升高引起的熱變形無規(guī)律、無法掌握， 容易造成彈性變形區(qū)域加工薄厚不均勻、整體平面度差或者整體變形嚴(yán)重而無法使用，給生產(chǎn)帶來極大損失。 在加工中所用的工裝夾具、車床轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量和冷卻方式都會對加工質(zhì)量造成影響，因此在進(jìn)行密封盤加工時(shí)應(yīng)采用專用的工裝夾具，及時(shí)調(diào)整車床轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量及冷卻方式等，保證密封盤的加工質(zhì)量，使密封盤的平面度和厚度滿足公差要求、光潔度達(dá)到圖樣要求。

圖1 密封盤結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 密封盤加工工藝

密封盤是螺紋鎖緊環(huán)式換熱器和隔膜密封換熱器的重要部件， 該部件由于直徑大且厚度薄，從結(jié)構(gòu)上說屬于大型薄盤類工件。 材料通常為不銹鋼，其優(yōu)點(diǎn)是韌性高、含碳量低且膨脹系數(shù)高，正因?yàn)槊芊獗P直徑大、厚度薄的特點(diǎn)，在加工過程中很容易發(fā)生徑向和法向的變形，甚至變形過大直至報(bào)廢。 因此，在加工過程中要嚴(yán)格控制每一個(gè)制造環(huán)節(jié)。

2.2.1 材料板厚選取

很多密封盤加工后質(zhì)量不合格的其中一個(gè)原因是開始選取的加工材料板厚不合理，正常思維認(rèn)為加工余量越大， 加工時(shí)調(diào)整的機(jī)會越多，越容易加工出合格的零件。 其實(shí)，結(jié)果恰好相反，材料越厚意味著加工周期也就越長，在加工過程中產(chǎn)生的熱量也就越大， 由于熱量的持續(xù)增加，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱變形越不容易控制，其變形就無法控制。根據(jù)多年的制造經(jīng)驗(yàn)并參照相關(guān)技術(shù)人員的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可以確定：當(dāng)密封盤直徑小于1 500mm時(shí)， 厚度方向加工余量留7mm為宜；當(dāng)密封盤直徑大于1 500mm時(shí)，厚度方向加工余量留9mm為宜。

2.2.2 氣候條件

密封盤的加工要充分考慮天氣和地區(qū)因素，因?yàn)闅鉁剌^高時(shí)加工切削熱量大，容易導(dǎo)致密封盤變形。 另外，冷卻方式制定得不合理，工件同樣會產(chǎn)生大的變形。

2.2.3 車刀的選取

在選用車刀時(shí)要合理考慮刀具的角度，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究：一般前角選用28°左右、后角12°左右且刀具非常鋒利的情況下，會使車刀切削力變得更小，摩擦產(chǎn)生的熱量也會相應(yīng)減少。

2.2.4 胎具選擇

密封盤加工前，首先對胎具進(jìn)行找正。 使用胎具外圓找正，測量板料的厚度，密封盤底部中心用木頭加以支撐， 這樣在加工時(shí)起到減振作用，不容易產(chǎn)生振動(dòng)，減小變形量。

焊接工藝胎具如圖2所示， 外徑尺寸一般比密封盤外徑小180mm左右， 焊接時(shí)一般左右跳焊，間距100mm，保證胎具與密封盤同心，保持焊接高度6mm、長度50mm，避免焊接產(chǎn)生大的變形，影響密封盤加工。

圖2 焊接工藝胎具

按照上述加工方法嚴(yán)格控制好加工誤差，這樣才能保證后期變形分析中不會受到加工誤差的影響。

3 密封盤受力引起的變形分析

以高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)為例， 密封盤的主要作用是防止管箱內(nèi)介質(zhì)向外界泄漏，同時(shí)在調(diào)節(jié)內(nèi)、外壓緊螺栓進(jìn)行管、殼程密封時(shí)起到傳遞力的作用。 因此，密封盤兩側(cè)都會受到力的作用，為了研究密封盤受力引起的變形，往往需要對密封盤進(jìn)行仿真分析。

3.1 基本假設(shè)

假設(shè)一， 密封盤的徑向方向?yàn)樽杂勺冃?；假設(shè)二，溫度引起的變形量可以忽略不計(jì)。

3.2 建模

在ANSYS-Designmodeler平臺上建立密封盤三維幾何模型，當(dāng)畫中間出現(xiàn)凸起的部分時(shí)采用蒙皮放樣操作， 然后通過symmetry操作建立密封盤的四分之一模型（圖3），目的是為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

3.3 邊界條件設(shè)置和計(jì)算求解

壓蓋、螺紋鎖緊環(huán)和內(nèi)、外壓緊螺栓對密封盤的力為均布載荷，設(shè)置為18MPa；管箱側(cè)內(nèi)壓為17MPa。 進(jìn)行求解計(jì)算得出密封盤的總變形量如圖4所示， 密封盤厚度方向的變形量如圖5所示，密封盤的應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖3 密封盤三維幾何模型

圖4 密封盤總變形量

圖5 密封盤厚度方向的變形量

圖6 密封盤應(yīng)力云圖

由圖4～6可見，密封盤在應(yīng)力很大的情況下，總變形量和厚度方向的變形量都很大，密封盤作為一個(gè)精密部件，變形量超過誤差要求將會產(chǎn)生泄漏。 另外，換熱器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中密封盤因受力引起的變形量也要嚴(yán)格控制。

以上分析都是在管板密封盤兩側(cè)壓差在設(shè)計(jì)壓差范圍之內(nèi)時(shí)的。 當(dāng)密封盤兩側(cè)壓差超過設(shè)計(jì)壓差時(shí)，進(jìn)行極限設(shè)置：管程受壓載荷為0MPa，殼程受壓載荷為20.6MPa， 求解計(jì)算得出密封盤整體變形量（圖7）；管程受壓載荷為18.2MPa，殼程受壓載荷為0MPa，求解計(jì)算得出管板整體變形量（圖8）。

圖7 密封盤整體變形量

圖8 管板整體變形量

由圖7、8可見，管程壓力最小、殼程達(dá)到最大操作壓力時(shí)， 密封盤整體變形向管程側(cè)方向移動(dòng)，最大變形量發(fā)生在密封盤中心處；殼程壓力最小、管程達(dá)到最大操作壓力時(shí)，密封盤整體變形向殼程側(cè)方向移動(dòng)，最大變形量發(fā)生在密封盤中心處。

4 密封盤運(yùn)行過程中因變形引起的失效分析

上述對密封盤因受力而引起的變形進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，由此可知，正常運(yùn)行過程中受力將使密封盤有過大的變形，進(jìn)而也就會造成密封盤的失效。 目前還有一種可能，就是由于密封盤輕微變形但還沒有達(dá)到失效，流體介質(zhì)進(jìn)入密封盤間造成密封盤表面開裂而失效，事實(shí)證明這類情況較多。

對于隔膜密封換熱器和螺紋鎖緊環(huán)式換熱器來說都是高溫、高壓臨氫的裝置，里面的介質(zhì)都是腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)， 比如介質(zhì)成分包含氫氣、硫化氫、氨氣及水蒸氣等混合物，這些氣體在密封盤表面不僅發(fā)生化學(xué)腐蝕，而且發(fā)生電化學(xué)腐蝕。 如果介質(zhì)中有氫氣， 還會發(fā)生物理腐蝕——?dú)錃獾姆肿又睆椒浅Ｐ?，能滲入到不銹鋼中不斷擴(kuò)散，并且越積越多，最終在鋼中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力使鋼產(chǎn)生微裂紋，裂紋會不斷擴(kuò)展，從而使密封盤失效。

如果介質(zhì)中硫化氫氣體和水蒸氣同時(shí)存在的話，水蒸氣會增強(qiáng)硫化氫的電離程度，同時(shí)水也會產(chǎn)生微弱的電離，電離出氫離子，氫離子和氫氣一樣會在鋼中擴(kuò)散，很容易聚集在一起形成氫氣，促使密封盤產(chǎn)生微裂紋。 氨氣對很多金屬都具有腐蝕性,氨氣極易溶于水形成氨水，氨水發(fā)生電離使溶液呈堿性， 這樣氨水中就含有H2O、NH3、NH4+、OH-和少量H+。 所以，氨氣腐蝕金屬的本質(zhì)是較活潑的金屬容易被氨水中的氫離子氧化，且在堿性條件下加速了這一氧化過程，同時(shí)一些較不活潑的過渡金屬被氧化后會形成氨的配離子，從而加速了金屬的氧化腐蝕［19，20］。究其本質(zhì)而言， 鋼中的夾雜物是誘發(fā)材料腐蝕的萌生源，夾雜物的類型、尺寸、數(shù)量和分布會嚴(yán)重影響鋼材的耐腐蝕性能［21］。

5 結(jié)論

5.1 密封盤在加工工藝合理的前提下，前期主要失效是因?yàn)槊芊獗P在運(yùn)行過程中受力而引起小變形，流體介質(zhì)通過密封盤變形縫隙進(jìn)入密封盤之間造成了腐蝕。 因此，主要失效形式是密封盤發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)等腐蝕產(chǎn)生的微裂紋而造成的失效。

5.2 密封盤在加工工藝合理的前提下，因受力過大引起密封盤變形而泄漏。