高溫防沖擊墊圈在加氫反應器上的應用研究

周紀武 張勇 羅玉湘

1. 中國石油化工股份有限公司金陵分公司 江蘇 南京 210000 2. 南京科赫科技有限公司 江蘇 南京 210000

1 研究背景

高溫加氫反應過程在石油煉制工業中，廣泛應用于加氫裂化及加氫精制。石油煉制過程通過加氫精制來脫除油品中存在的氧、硫、氮等雜質化合物，同時可以使油品中的烯烴達到飽和，提高芳烴的飽和度，可以極大的提升油品質量[1]。加氫反應還可用于煤化工的煤加氫液化過程，用來提高煤炭的利用率[2]。在有機化工中則將加氫反應過程用于制備各種有機化合物[3]。加氫過程的核心設備是高溫加氫反應器，加氫反應器需要在高溫、高壓下運行，溫度可達到480℃，壓力可達到25MPa[4]。由于加氫反應器運行條件苛刻，在加氫反應器的發展過程中，研究人員主要圍繞如何提升加氫反應器的安全性及穩定性展開研究。加氫反應器長期運行于高溫、高壓、易燃、易爆及強腐蝕性介質環境中，防止加氫反應器泄漏是其運行安全的重中之重。如加氫反應器內混合油氣發生泄漏，可能導致閃爆、著火、人員中毒、灼傷等風險，因此，加氫反應器的防泄漏密封至關重要[5-6]。

2 高溫加氫反應器泄漏分析

高溫加氫反應器進出口法蘭泄漏是加氫反應器發生泄漏的主要原因，在加氫反應器加料口位置，由于法蘭內外溫差較大，且各部位溫度不均，必然導致反應器上不同的部位產生不同程度的熱脹與冷縮。當螺栓溫度超過一定的限值后，螺栓應力急劇降低，降幅可超過50%。為了解決加氫反應器螺栓預緊力變化造成的泄露問題，需要確保螺栓的初始預緊力加熱脹冷縮或振動產生的預緊力變化不大于螺栓產生塑性變形的拉力。因此，加氫反應器預緊力的確定需要根據螺栓材質、直徑與介質壓力、溫度進行核算，才能確保螺栓預緊力有效又不超過螺栓的塑性變形拉力。另外，在溫度變化造成熱脹冷縮或發生振動沖擊時，需要對預緊力進行緩沖和補償，來確保螺栓預緊力的相對穩定，不因溫度變化或設備振動沖擊而改變。

3 高溫防沖擊墊圈防泄漏應用研究

高溫防沖擊墊圈是一種新型的密封產品，具有很強的應力補償作用，可對加氫反應設備溫度、壓力、振動造成的螺栓預緊力沖擊進行有效補償，防止加氫反應設備因長期高溫、高壓、頻繁振動等因素對螺栓預緊力的沖擊，使螺栓的預緊力始終保持在密封要求的有效范圍內[7]。防沖擊墊圈成圓錐形盤狀，使用方式較為靈活，可以單個或多個串并聯使用。防沖擊墊圈使用時，在上內緣和下外緣處承受螺栓沿軸向作用的載荷，被壓縮后產生彈性變形，以彈性變形儲存能量作為可變載荷。在螺栓載荷發生變化時，彈性變形自動轉化為密封所需要的軸向載荷，來降低墊片、填料使用中密封對載荷的需要。防沖擊墊圈可以通過改變防沖擊墊圈的外形尺寸、材料和加工工藝等，就可以得到不同承載能力、補償能力產品。因此，根據各種工況條件設計的防沖擊墊圈，雖然結構尺寸較小，但是可以承受很大的載荷，軸向空間緊湊，具有變剛度特性，通過改變內截錐高度與厚度的比值，可以得到不同應力特性曲線的防沖擊墊圈。

3.1 防沖擊墊圈載荷分析

為了簡化計算過程，該方法對以下兩個方面做了假定：（1）忽略徑向力的影響，在受到載荷作用時，沿防沖墊圈軸向的截面假定仍為矩形；（2）忽略接觸表面上摩擦力的影響，且假定材料為完全彈性。但是，在采用A-L方法對防沖擊墊圈載荷-變形進行理論計算時發現，防沖擊墊圈的變形量會過大且會時常處于臨界失穩狀態，這是由于A-L理論計算過程中忽略了上述兩點影響因素所致。圖1為高防沖擊墊圈的結構尺寸示意圖。

圖1 防沖擊墊圈尺寸示意圖

防沖擊墊圈的載荷-變形特性的分析計算，采用 A-L 方法，單個防沖擊墊圈載荷計算公式如式1所示：

P—單個防沖擊墊圈的載荷，N；

τ—防沖擊墊圈厚度，mm；

D—防沖擊墊圈彈簧外徑，mm；

d—防沖擊墊圈彈簧內徑，mm；

f—彈片碟形彈簧的變形量，mm；

ho—碟形彈簧壓平時變形量的計算，mm；

E—彈性模量，Mpa；

μ—泊松比，取0.3

K1，K4——計算系數。計算方法如式（2）和式（3）所示。

其中：C為防沖擊墊圈彈簧外徑與內徑的比值，C=D/d

3.2 高溫防沖擊墊圈有限元分析

螺栓緊固技術要求針對不同的螺栓規格、不同的螺栓材質要求不同的預緊力值，螺栓在不同的應用場合需要提供有效預緊補償也不相同。為解決防沖擊墊圈理論計算過程中存在的以上問題，獲得到更接近于實際的載荷-變形特性，本文對防沖擊墊圈運用有限元仿真軟件進行了分析，從而糾正了一部分理論誤差，降低了過大的理論變形量，使防沖擊墊圈少有臨界失穩變形的情況發生，從而提高防沖擊墊圈使用壽命，有效防止加氫裝置的泄漏。防沖擊墊圈的網格劃分如圖2所示，模型采用映射劃分方式，共計產生18660個單元，22376個節點。圖3為防沖擊墊圈的截面所受正應力有限元分析，超過了?0.2的上限值1650MPa。

法蘭連接，由于結構、材料等參量較多（結構形式、結構尺寸、材料性能等等），承受的載荷也相當復雜（螺栓預緊載荷、介質的壓力、系統的壓力波動、溫差應力、結構約束應力等），很難通過理論公式計算出較為準確的結果，通過有限元法根據換熱器的實際結構尺寸和運行工況，建立與實際相符的數學模型進行模擬分析計算，可對理論計算進行糾正。

4 結論

對加氫反應器泄漏法蘭的泄漏原因進行了分析，并通過理論計算及有限元仿真對用于加氫反應器法蘭密封的防沖擊墊圈載荷-變形特性進行了分析，得到如下結論：

1）理論計算得到了防沖擊墊圈接近于臨界失穩的變形量，其實際變形量遠小于臨界值，使得防沖擊墊圈的壽命延長，提高了法蘭的密封性能，同時提升了加氫裝置的運行安全性

2）通過有限元仿真分析可知，防沖擊墊圈在較小變形量的情況下就存儲了足夠的能量從而滿足了法蘭密封預緊力的要求，防止高溫、振動沖擊造成預緊力變化，引發法蘭泄漏問題。

3）防沖擊墊圈可用于加氫反應器的法蘭密封補償，增強加氫反應器運行的可靠性和安全性能。