預緊碟簧在油漿蒸汽發生器中的應用

李 敏

(東北石油大學機械科學與工程學院)

油漿蒸汽發生器是催化裂化裝置中余熱鍋爐系統的主要能量交換設備，大慶煉化公司某廠的油漿蒸汽發生器自投入使用，換熱器管板兩側成對法蘭多次發生密封泄漏，被迫停車檢修。拆卸檢查發現換熱器螺栓存在不同程度的松弛現象，從而導致了法蘭密封失效，不僅造成生產效益下降，甚至可能引發安全事故。

1 油漿蒸汽發生器簡介

大慶煉化公司某廠的油漿蒸汽發生器為管殼式換熱器，管程介質為油漿，殼程介質為除氧水，規格為φ1600mm×5430mm，殼體材料16MnR，管板材料為鍛鋼16MnII，螺栓規格為M48(25CrMoVA)，墊片為波齒復合墊(NBG23-1600-5.0-6B)。油漿蒸汽發生器主要參數如下(管程/殼程)：

設計溫度 385/285℃

實際溫度 (280～332)/(180～248)℃

設計壓力 1.78/5.00 MPa

實際壓力 1.20/4.20 MPa

油漿蒸汽發生器屬于浮頭式換熱器，其結構形式如圖1所示。油漿蒸汽發生器利用管程介質高溫油漿在管束內與殼程低溫介質除氧水進行換熱，以此降低油漿的溫度從而達到下一工序對其溫度的要求，同時低溫介質除氧水經過換熱器吸收了管程內高溫油漿的熱量，實現了熱量的回收再利用。

2 換熱器泄漏原因分析

換熱器泄漏主要表現為以下幾種情況：換熱管與固定管板連接處因為焊接缺陷或應力腐蝕發生泄漏；換熱器因流體誘導管束反復振動使折流板與換熱管長時間撞擊造成換熱管泄漏；管板與換熱管脹接接頭處發生泄漏；固定管板存在裂紋泄漏；管板法蘭密封發生泄漏[1]。本文主要探討管板法蘭密封失效機理。

研究表明，造成法蘭密封失效的因素很多，如螺栓預緊力不足，法蘭密封面和墊片存在缺陷，溫度的變化及壓力的波動等[2]。在對泄漏蒸汽發生器檢修過程中未發現密封面和墊片存在缺陷問題，故判斷造成蒸汽發生器泄漏是由螺栓預緊力不足或溫度、壓力變化引起的法蘭密封泄漏。從操作條件上可知，該蒸汽發生器管程(油漿)與殼程(除氧水)溫差相對較大，使蒸汽發生器不同部位產生不同的熱脹冷縮，在溫度波動工況下，螺栓容易發生塑性變形，導致螺栓預緊力松弛，當螺栓預緊力降到密封墊片所需最小密封壓緊力以下時，法蘭密封面將發生泄漏[3,4]。在操作過程中系統壓力并不是恒定的，而是在一定范圍內頻繁波動，法蘭在軸向力的作用下必定使螺栓不斷伸縮來補償壓力變化造成的密封壓緊力的變化。在壓力持續變化狀態下，螺栓疲勞強度將會下降，相應的補償力也達不到密封墊片要求，從而造成法蘭密封失效，蒸汽發生器泄漏[5]。綜上所述，蒸汽發生器法蘭密封失效與溫度和壓力反復波動密切相關。

3 預緊碟簧的應用

根據以上對法蘭密封泄漏的分析可知，為確保油漿蒸汽發生器管板法蘭的密封，對溫度和壓力波動造成的螺栓預緊力松弛及時補償是至關重要的。針對螺栓預緊力松弛這一現狀，在油漿蒸汽發生器螺栓法蘭一側或兩側安裝預緊碟簧，如圖2所示。預緊碟簧是由耐高溫、高彈性模量的特殊材料沖制而成[6]，其結構參數如圖3所示。預緊碟簧有足夠的變形來補償壓力和溫度波動而引起的預緊力改變，從而有效減少法蘭密封失效的風險。

圖2 預緊碟簧安裝示意圖

圖3 預緊碟簧結構參數

預緊碟簧的變形量與預緊力關系為：

(1)

式中E——彈性模量；

F——預緊碟簧的變形量；

μ——泊松系數。

系數K的計算式中，C=D/d。式(1)中，E和μ取決于預緊碟簧材料和熱處理工藝，K取決于預緊碟簧的結構形式。不同材料的預緊碟簧結構參數不同，其回復力和變形的關系也不相同。碟簧的初始負載計算公式如下：

(2)

預緊碟簧在安裝時依據負載將碟簧壓緊，并且預緊碟簧的行程和載荷成線性關系，載荷力隨著行程位移的增加而增大，當行程達到最大值時，載荷力也達到峰值。所以這種結構的預緊碟簧可以保證在有效的行程范圍內滿足密封墊片的壓緊力。

當螺栓螺母擰緊時，預緊碟簧吸收機械能轉化為位能(勢能)儲存在碟簧中，并發生軸向位移形變(軸向被壓縮)，當設備由于壓力、溫度變化或機械振動等因素，導致螺栓的預緊力松弛時，預緊碟簧釋放位能(勢能)轉化為機械能，對螺栓的預緊力進行相應補償，使螺栓的預緊力始終保持在密封墊片的壓緊力范圍內[7]。預緊碟簧有負荷大、行程短、所需空間小及組合使用方便等優點，能非常方便地使用在螺栓法蘭連接系統。

4 預緊碟簧的選用、應用效果與注意事項

4.1預緊碟簧材料選擇

在螺栓法蘭系統中溫度變化、壓力變化與系統振動幅度較大的情況下都需要應用預緊碟簧來補償螺栓預緊力的松弛。石化設備中最常用693F和20813 兩類碟簧，所應用的工況各有不同，在應用特殊工況條件下時，可使用特殊設計的鈦合金碟簧[8]。一般地，可依據螺栓材料選擇預緊碟簧的材料，693F類碟簧的適用溫度在330℃以下，可使用在中強度螺栓(提供很高的補償力)和高強度螺栓(提供較低的補償力)上，適用于閥門、管線法蘭、泵及壓縮機等設備上。20813類碟簧的適用溫度最高能達到600℃，應用在高強度螺栓上可以提供很高的補償力，常用于換熱器、反應器及壓力容器等大于330℃高溫部位。在實際應用工況下，可以適當選擇螺栓單側或雙側使用，當單片碟簧的有效行程不足以補償螺栓松弛位移時，可采用在螺栓雙側安裝碟簧，使有效行程增加一倍，并能滿足絕大多數工況下的補償要求。對于特殊要求的工況，可以組合使用多片疊加方式[9]。

4.2使用效果與注意問題

在檢修過程中，由于油漿溫度可達330℃，并且管板法蘭連接處螺栓預緊力受溫度和壓力的變化影響較大，因此在螺栓一側安裝693F預緊碟簧，至今應用效果良好，未發現因溫度、壓力的變化等因素造成蒸汽發生器泄漏的現象。正確選用預緊碟簧對控制密封泄漏是至關重要的，碟簧只有工作在有效的補償區域內，才能完全發揮其補償預緊力的作用。要嚴格根據介質的使用條件和預緊力要求選用碟簧，如果錯誤的選用預緊力過低的碟簧，當螺栓預緊力松弛后，將無法提供密封所需要的臨界預緊力，可能導致泄漏。若選用預緊力過高的碟簧，施加負載超過螺栓或墊片的承載能力，則可能會超過墊片的彈性極限應力產生永久變形，使用效果反而更差。

5 結束語

通過分析得出由溫度和壓力波動而導致的螺栓預緊力松弛是管板法蘭密封泄漏的主要原因，通過安裝預緊碟簧補償螺栓預緊力松弛，從而解決油漿蒸汽發生器泄漏問題。預緊碟簧具有結構簡單、安裝方便、補償特性強及安全可靠等特點，能夠有效改善法蘭密封泄漏問題，降低檢修成本，確保裝置的安全運行。

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