二段轉化爐廢熱鍋爐手孔法蘭泄漏原因分析及在線處理

胡澤君

（重慶建峰化工股份有限公司化肥分公司，重慶 408601）

二段轉化爐廢熱鍋爐手孔法蘭泄漏原因分析及在線處理

胡澤君

（重慶建峰化工股份有限公司化肥分公司，重慶 408601）

介紹合成氨裝置二段轉化爐廢熱鍋爐手孔法蘭泄漏情況，分析泄漏原因，采用夾具注膠的方式進行了不停車帶壓堵漏，取得較好效果。

手孔法蘭；在線處理；泄漏；高溫高壓焊接

1 概述

重慶建峰化工股份有限公司化肥裝置采用美國布朗合成氨工藝，設計生產能力為1 000 t／d。其中，二段轉化爐廢熱鍋爐是列管式換熱器，柔性管板上共有404根換熱管和一根φ273 mm的旁路管與管板連接，旁路管出口有一個擋板控制廢熱鍋爐的出口工藝氣溫度。入口管板上有75mm的耐火砼保護管板避免被高溫工藝氣燒壞，換熱管的進口端有保護套管，避免管板處溫差太大。該設備主要作用是：通過廢熱鍋爐換熱產生高壓蒸汽，并經汽包進行汽液分離后，進入蒸汽過熱器與工藝氣進一步換熱，最后將合格的工藝氣和蒸汽送往后端。其原理是：在二段轉化爐頂部加入空氣，燃料氣和空氣在上部錐體處燃燒，產生熱量；來自一段轉化爐的工藝氣，在轉化管內催化劑的作用下，發生蒸汽轉化反應；離開二段轉化爐的工藝氣甲烷含量降至1.65%，出口溫度達到869℃，進入廢熱鍋爐的管程，與殼程的水換熱，產生12.8 MPa（表壓）的高壓蒸汽；工藝氣溫度降到479℃后進入蒸汽過熱器進一步降溫；廢熱鍋爐殼程331℃的鍋爐給水轉化為331℃的蒸汽，通過3根上升管進入汽包進行汽液分離，水通過3根下降管回到廢熱鍋爐，蒸汽進入蒸汽過熱器過熱。通過對廢熱鍋爐內部的旁路閥調節，保證工藝氣以388℃進入高溫變換爐，出口的蒸汽溫度為384℃進入一段轉化爐對流段進一步加熱。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程簡圖

100H01—一段轉化爐；100R01—二段轉化爐；TI124—二段轉化爐出口工藝氣溫度；100E08—轉變廢熱鍋爐；TZ125—轉變廢熱鍋爐擋板蝶閥；TI262—轉變廢熱鍋爐出口工藝氣溫度；100E09—蒸汽過熱器；100R02—高溫變換爐；100V07—汽包；SS—高壓蒸汽

2 問題的產生

合成氨裝置二段轉化爐廢熱鍋爐于2007年更新改造，投入運行至今已有7 a。2014年5月8日，發現廢熱鍋爐手孔法蘭有蒸汽冒出，當即進行緊固處理，消除泄漏。2014年5月12日7∶00該處又出現泄漏，通過緊固處理效果不明顯，仍然有微漏。該處的鍋爐水介質見表1，如果多次帶壓緊螺栓極易發生螺栓斷裂事故，造成大量高壓鍋爐水噴出，嚴重威脅人身及設備安全[1]，不但造成一段轉化爐等設備的嚴重損壞，還將造成全線停車，損失慘重。因此，尋求一個既科學又安全的處理措施已迫在眉睫。

表1 工藝參數及法蘭材質規格

3 泄漏產生的原因分析

導致法蘭泄漏的原因可能有多種，包括密封墊材質、結構，連接面是否光潔，螺栓預緊力等。根據廢熱鍋爐手孔法蘭經緊固螺栓能減少泄漏，說明其主要的原因還是螺栓預緊力的影響。據英國海上操作者協會（UKOOA）的統計數據報告[2]，81%的法蘭泄漏是由于不正確的螺栓預緊力造成的。

在使用傳統緊固方式進行緊固時，諸如呆扳手、敲擊扳手等工具，由于力臂的存在，作用力會對螺栓形成側向偏載（見圖2），使螺栓螺母之間的摩擦力增大且無法預知，損失的扭矩也無法確定，加之螺紋嚙合部分及螺栓螺母與被連接件之間的表面摩擦會增大扭矩的損失，從而無法做到精確的螺栓載荷。

圖2 呆扳手類工具存在側向偏載

力矩M＝F×L側向偏載F’＝F作用力F力臂長度L綜合分析，螺栓預緊力不足可能是廢熱鍋爐手孔法蘭發生泄漏的主要原因。

4 處理措施

4.1 方法選擇

該處泄漏部分的處理，有以下3種方法可供選擇：①直接用敲擊緊固泄漏部分，但易造成螺栓斷裂，進而擴展為事故；②停車處理，更換密封墊及螺栓，如此會造成重大經濟損失；③采用夾具堵漏。

對比3種方法，能做到既安全又經濟的唯有第三種方法切實可行。

4.2 處理過程

4.2.1 現場勘測

法蘭外圓和螺栓有一定腐蝕但不影響夾具的正常的安裝，為了設計、制作合適的夾具，對現場情況進行了實地勘測，結果見表2。

表2 現場勘測情況

4.2.2 夾具的強度校核

根據現場所測的尺寸，按照GB／T 26468－2011《承壓設備帶壓密封夾具設計規范》[3]中的5.3夾具設計準則：5.3.1承受注劑壓力和泄漏介質壓力的夾具所用金屬材料和厚度應滿足剛度條件，使用中不應出現塑性變形；5.3.2夾具的連接部位的結構應滿足強度條件，使用中不應發生斷裂；5.3.3選擇夾具結構型式時，不應在注劑密封操作時，使泄漏缺陷部位產生新的附加力。

依據GB／T 26468－20118中第8條[3]關于夾具計算的要求，相關計算如下：

式中 p—系統壓力修正值，MPa；

p L—系統壓力，MPa。

式中 S—法蘭夾具的厚度，mm；

D—泄漏法蘭外徑，mm；

—使用溫度下的許用應力，利用差值法求得311℃時Q245R（GB713）δ60鋼板的許用應力為111 MPa；

φ—焊接接頭系數，取0.7。

式中 t—法蘭夾具耳板的厚度，mm；

C—兩法蘭中間間隙，現場法蘭中間間隙測繪為23 mm；

L1—耳板連接螺栓孔到夾具邊緣距離，為便于連接螺栓的安裝取20mm；

L—耳板長度，根據耳板螺栓定為120 mm。

式中 d—連接螺栓直徑，mm；

Ck—剛度和預緊系數，取1.5；n—螺栓套數，取4套較可靠。

夾具及耳板的選材均為12Cr Mo VR。根據計算結果得出，夾具厚度為51.7mm，而設計所需的鋼板厚度60 mm，符合要求；連接耳板厚度為27.1mm，為方便加工取值40 mm；連接螺栓用30Cr MoA（8.8級以上），計算直徑26.3mm，沒有此規格且不能小于原連接螺栓M36 mm，在此處取值M36 mm。

依據計算結果和泄漏的腐蝕介質而定的剖分式夾具厚度，經過強度校核設計的夾具符合要求。

4.2.3 堵漏過程

（1）在正式安裝夾具前，先要測試注膠時的沿程阻力。連接好油泵、油管、注劑槍、注劑接頭與夾具相連通，加入密封劑后開始加壓注入；當密封劑在夾具上的注劑孔出現后停止打壓，看表針回程后的停止位置，記下讀數，即原始的沿程阻力值。密封堵漏時注入夾具內壓力的最大值是沿程阻力＋系統內壓力＋（5～7）MPa（5～7 MPa是修正值）。

（2）夾具（圖3）全部加工完成后，進入現場先進行夾具試安裝，檢查是否符合密封堵漏安裝要求。然后拆下夾具在填料槽內安裝好密封填料，將夾具安裝到泄漏法蘭上，緊固夾具耳板上的連接螺栓，使夾具上的密封線與法蘭外徑、端面緊密貼合，并安裝好注劑接頭。

（3）安裝注膠槍，連接好油管和油泵，選用HG－2A密封膠注入到夾具內腔與法蘭的空隙中。注密封劑前，找到泄漏點最大處，在對面開始注入密封劑。

圖3 100E8手孔夾具圖

（4）以此為中心點，左右交叉進行注入，并嚴格控制好注入密封劑時的壓力，切實在夾具內將密封劑均勻的注滿。

（5）在最后收口封堵前，應停止半小時以上，前期注入的密封劑進行固化、熱縮，再通過前面注過密封劑的接口注入密封，到壓力達到規定的上限為止，最后一次性封堵。

現場在線帶壓堵漏后手孔法蘭效果見圖4。

圖4 帶壓堵漏效果

5 效果

二段轉化爐廢熱鍋爐手孔法蘭經過在線處理后，避免了螺栓斷裂事故，達到了消漏的目的，開創了高溫高壓法蘭成功堵漏的先河，確保了系統安、穩運行。

[1]沈松泉，黃振仁，顧竟成.壓力管道安全技術[M].南京：東南大學出版社，2000：165－188.

[2]顧伯勤.螺栓法蘭連接系統泄漏率計算[J].石油化工設備，1999（3）：2－5.

[3]GB／T 26468—2011，承壓設備帶壓密封夾具設計規范[S].

Analysis of the causes of the leakage and online processing two reformer waste heat boiler hand hole flange

Hu Ze-jun
（Chongqing Jian-feng chemical fertilizer Co.，Ltd.，Chongqing 408601，China）

The synthetic ammonia device two-stage transformation of waste heat boiler hand hole flange leakage，analyzes the reason for leakage，the fixture and injecting the parking pressure seal，effect is good.

hand hole flange；On-line processing；On-line processing；high temperature and high pressure welding

TK228

B

1003-6490（2015）03-014-03

2015－01－11

胡澤君（1970－），男，重慶綦江人，本科學歷，高級工程師，2014年畢業于大連理工大學機械設計及制造自動化專業，現在重慶建峰化工股份有限公司化肥分公司運行一部從事合成氨設備管理工作。E-mail：huzejun816＠163.com。