化工装置换热器密封泄漏的处理

班旭峰

惠生工程（中国）有限公司 上海 201203

化工装置换热器密封泄漏的处理

班旭峰

惠生工程（中国）有限公司 上海 201203

以E1451设备密封泄漏处理为基础通过图谱对比论述如何选用适当的连接螺栓形式及密封材料、增加螺栓预紧力等以增强在高温、交变工况下设备、管线法兰连接的密封性能。

换热器 密封失效 螺栓失效 综合处理

在石油化工装置中由于换热设备密封发生泄露而造成停车事故的案例很多。燕山石化某厂高压聚乙烯装置中E1451热水系统加热器密封泄漏就是其中一例。本文就该起密封泄漏原因分析及处理撰文供同行参考。

1 换热器密封泄漏过程

在装置运行之初E1451设备运行正常，新装置开车2个月后设备管箱法兰底部与管板连接位置开始出现渗漏－水滴漏3～5滴/min（见图1）。当时的处理方式为在工况下进行热紧，但是效果不是很好。此后在多次小停车不倒空系统的情况下重新紧固整圈螺栓后情况暂时好转，但时隔不久渗漏情况进一步加剧。渗漏量和渗漏面积从外部观察有明显扩展的趋势，开始出现水汽由密封部位喷射而出情况。此时使用液压工具紧固螺栓已经不起作用。但作为高压装置的关键性设备无法独立切出进行维修，运行一年后泄漏已极为严重。设备密封位置水汽喷射速度加剧、泄漏量已经达到供给设备流量的5～10%，泄漏面积达到密封面积的40%，燕化公司不得不将整个66万t/a乙烯装置紧急停车3d供处理该台设备的渗漏问题。该设备为原北京石油化工工程公司设计，燕化机械厂制造。设备基本设计数据（见表1）。

在打开换热器管箱后，发现管板与换热器管箱连接侧密封部位有2道较明显的疵痕,其中－条疵痕深度达到2mm，以疵痕部位延伸向两侧多处密封部位有轻微点蚀情况。铁包石棉垫片已经被压失去弹性但外形保持完整。由于长时间水汽冲击在疵痕部位锈蚀情况已经较重。设备管箱密封部位（见图2）。

表1 E1451设备基本设计数据

2 造成设备密封失效的原因分析

2.1 密封材料失效的分析

E1451换热器属于比较典型的U型管式换热器，由于管箱垫片在经过多次预紧之后发生较明显的失效特点，所以首先对该部位密封类型的选用进行分析和校验。

管箱密封部位的密封面形式为凹凸面密封，密封垫片类型为金属包石棉垫片。金属包石棉垫片结构主要由两部分组成（见图3）。金属外壳部分常采用0.35mm左右的铁皮(马口铁)或合金钢(1Cr131Cr18Ni9Ti)及铝铜等材料构成，金属包石棉垫片的制作标准一般也是贴近石棉垫片的制作标准或依照特定密封面尺寸标定但宽度不宜过大，其截面形状主要以平垫片和波形垫片两种。由于石棉板的强度较低易松散或折断，垫片的制造质量对垫片使用的和密封性能的影响较大，该种垫片由于需要的预紧力较大所以一般应用于法兰口较大的设备口位置。该种垫片在安装过程中对法兰和安装要求较高，但由于石棉板压缩弹性小、补偿余地小密封性能不好，当铁包垫片放置位置不好时或把紧力矩不均时都有可能引起在设备运行过程中发生泄露，所以该种垫片有逐渐被缠绕垫片取代的趋势。

设备封头部位受力在操作工况和冷工况下存在差异，图4为设备封头法兰在常压和操作工况下受力情况分析图。

E1451采用该种垫片，结合其内部介质在操作过程温度较高工作状态下达到170℃以上，且在设备运行过程中由于流体切换频繁，密封材料受力情况变化幅度较大，铁包石棉垫片由于存在压缩弹性小和补偿余地小的特性，在首次安装之初由于预紧力值较大，操作状态下密封部位暂时满足设计要求，但在经历多次冷热切换后设备密封材料逐渐失效，由受力和密封薄弱点开始出现少量渗漏渐而增大以致密封失效。图5为连接副在预紧力作用下和操作状态下连接部件螺栓、密封垫片之间存在以下的变形和受力变化关系图谱。

由图5可以看出，在螺栓预紧后和在设备内部压力F作用前后，存在一个△λm密封部件弹性变化量，该值是在设备内部载荷作用于设备管箱封头致使螺栓被进一步拉长后产生的密封部件弹性补充变形。如果该值在热工况和设备内部作用力下补偿值不足就有可能形成密封间隙，在内部与设备外部存在加大的压差的情况下，内部高压介质就极容易穿透密封线造成设备密封失效。E1451设备管箱密封部位选用铁包石棉垫片在设备制造与现场试压阶段均未出现渗漏，而在设备运行之后密封失效逐渐增大即是由于在操作状态下和开停车工况频繁切换的过程中密封材料的△λm不能满足该工况要求所致。

所以设备垫片选用不当是造成密封失效的一个主要原因。

2.2 连接螺栓的失效分析

E1451设备管箱连接螺栓选用35CrMoA材料，螺柱规格为M36×450-A，共计40套螺栓。由于在设备操作过程中螺栓有多次把紧过程，在停车后采用游标卡尺检查螺栓的长度发现部分螺栓的实际长度比原螺栓的定做加工长度增长5～8mm，已发生较为明显的塑性变形。并且螺栓表面存在较为明显的高温氧化情况。

分析螺栓使用材质为35CrMoA。该材质中由于加入了铬、钼合金元素后可以提高钢的再结晶温度和组织的稳定性，以达到提高到钢材的高温强度适用于温度在450℃和非腐蚀性介质的部位的高压用钢。选择该种材质的螺栓说明设计已经考虑到了螺栓在使用工况下的热稳定性和热强性。设备部分螺栓发生塑性变形由于螺栓材料热稳定性和热强性不足的原因可以被排除，但在热工况下局部把紧螺栓力矩过大，造成螺栓发生朔性变形可能性尚存在。所以校核螺栓最大的预紧力矩值以确定螺栓预紧力矩是否过大而发生朔性变形或产生疲劳失效。

分析E1451设备管箱螺栓在泄漏严重的情况下部分螺栓的最大拧紧力矩值曾达到4000N.m，校核该值是否超出螺栓允许力距值。与法兰连接垫片受力情况相同，螺栓和垫片及连接法兰之间的变形存在图5所示的受力与变形关系，以热水加热器管程最高工作压力为计算依据值，经函数计算可得在该状态下螺栓最终所承受的拉伸力为：

螺栓的残余预紧力远大于0，在冷态下该预紧力矩值是满足密封要求的，也说明连接法兰之间密封垫片仍然存在弹性变形。

但当设备密封泄漏量逐渐增大的时候局部螺栓把紧力距值曾达到4000N.M时，在该预紧力距值下由以上计算公式螺栓在工况下的内部拉力可能达到；

该值虽然已经接近螺栓允许的安全拉伸力但并未超过螺栓材质对应强度允许的拉伸力，螺栓发生塑性变形的主要原因就可能归责螺栓受热后热稳定性和热强性影响及承受不稳定的交变应力。查阅工程机械材料手册得知35CrMoA在温度和受力变化频繁情况下疲劳极限值约为430Mpa。以该值作为为核算依据，计算M36螺栓应当承受的最大内部螺栓拉伸力为：

在E1451设备发生泄漏时最大螺栓加力把紧值Q=580.8KN＞Q-1+c=427.5KN

因此，螺栓预紧力矩值过大极有是可能是造成封头部分螺栓发生疲劳失效以致造成螺栓最终发生塑性变形的制因。

3 E1451设备密封泄漏的具体处理

综合以上分析，在采用氩气保护焊以材质较软的铜焊丝为补焊材料补焊管板疵痕并以刮刀和平锉刀修磨密封面后，主要以改良密封连接性能为主要处理方向。

3.1 通过改换密封垫片类型改善连接密封性能

由于设计原选择的密封垫片等级较低不能适用高温频变工况，所以改选金属缠绕垫片代替原使用的铁包石棉垫片。在相同的工况和受力情况下金属缠绕垫片的相对刚度值要比铁包石棉垫片的相对刚度小很多，螺栓和密封垫片的受力变形变化情况在改换金属缠绕垫片后有明显改善。图6为采用金属缠绕垫片和采用普通铁包石棉垫片连接幅受力及变形对比图。

如图6所示，选用不同的垫片在使用相同的螺栓预紧力、相同的设备内力作用和工况经常切换的情况下所发生的螺栓内力变化△F2(金属垫片)＜ △F1(铁包石棉垫片)，相应地，△λ2＜△λ1,在相同的螺栓预紧力和设备内部操作情况小较小的螺栓受力变化对应较小的螺栓长度变化，由此也将对应较小的密封垫片补偿变形。可见在E1451设备内部工况切换频繁温度变化频繁的实际工作状态下选用金属缠绕垫片比采用铁包石棉垫片更加合理。

由密封垫片使用手册中查取在保证密封面类型相同的情况下选用可以适用较高温度工况的石墨填充金属缠绕垫替代原有的铁包石棉垫片以增强在交变、高温工况下密封的可靠性。

改变螺栓刚度和改善连接螺栓受力情况以增强连接密封性能。

3.1.1 分析螺栓刚度变化图谱及变形关系函数提出解决办法

由图7可知，连接幅的受力与变形关系图可见在减小螺栓刚度值后ΔF2＜ΔF1且Q2＜Q1，螺栓在交变工况下受力情况有明显的改善，受力变化幅度和操作状态下的受力范围都有所减小。并且由已知描述螺栓及垫片变形量与受力的函数，可以分析得出在降低螺栓刚度的情况下亦可减小交变工况下螺栓的应力幅减少疲劳失效的几率。

具体减小螺栓刚度的措施常见的有以下几种方法：

（1）适当的加长连接螺栓的长度；

（2）将螺栓形状由原先的全丝通长柱状螺栓改换成带有缩颈的腰状螺杆螺栓（见图8）；

（3）将连接螺栓改为带有空心部位的螺栓形式如图8；

（4）在连接螺母下面安装弹性垫片起到降低螺栓刚度的作用（见图 9)。

3.1.2 选择降低螺栓刚度的可行性方法

由于设备法兰螺栓孔的直径已经加工成型，主法兰间距已经确定。所以通过加长螺栓受力长度降低螺栓刚度的办法显然不可行；

选择腰状螺栓在一定程度上会影响到螺栓的强度。并且如果腰状螺栓在变径位置如果加工精度不足，极有可能形成应力集中，在使用过程中发生突然断裂等不可预测事故。所以该种降低螺栓刚度的方法在E1451设备密封处理上是不可取的；

如果采用空心螺栓必将增大螺栓直径或改选用高等级材质，势必要求重新加工设备法兰螺栓孔和定做连接螺栓，对于成品法兰来说重新将设备运出厂区上大型钻床显而易见缺乏经济型，会造成原来使用的螺栓全部作废；

在以上方案的实施均存在一定困难的情况下，选择在利用原可用螺栓和新补充部分螺栓的基础上，在螺帽下部增加如图10所示的由美国艾志制作的蝶形垫片，以此来减小螺栓的刚度，达到在交变工况下降低螺栓应力幅，以求在较长的使用时间内螺栓不会发生疲劳失效。

所以在改进E1451设备密封情况的问题上选择利用在螺母下部加装特制的蝶形垫片，以起到降低连接螺栓刚度的目的。

3.1.3 增加螺栓预紧力增强连接可靠性的分析

由图7可知，用相同的预紧力情况下减小螺栓刚度会导致在操作状态下螺栓残余预紧力的减小，如果该值减小过大满足不了平衡密封内外压差的要求将会导致密封失效造成泄漏。

由图11可见，增加冷态下螺栓的预紧力Qp，在冷态和操作工况下的变力幅△F2也可以达到降低的效果，并且在操作工况下的螺栓残余预紧力Qp’也会比增加螺栓预紧力之前有所增加，可以确保密封垫片的变形压力满足设备密封的要求。

4 E1451密封泄漏综合处理

4.1 E1451综合性密封改良方案

综合以上分析处理方法选择，在处理E1451设备泄漏的问题上选择以上处理方法的任何一种都存在局限性和不完整性，所以我们选择了综合性的处理方案：

（1）改变原先使用的铁包石棉垫片为石墨填充金属缠绕垫片；

（2）更换6套已经发生朔性变形的螺栓；

（3）在每套螺栓螺帽下面加一组由美国艾志公司制造的特殊金属蝶形垫片；

（4）增加螺栓预紧力矩值由原先的2100N.m增加到3000N.m;

（5）为了保证螺栓紧固力的均匀性螺栓采用液压力矩扳手分4次均匀把紧。

依据密封垫片相对刚度值校核增加螺栓预紧力、改变密封材料、增加弹性垫片后密封的改良情况。

4.2 对连接密封改良措施进行校核及对比

以热水加热器管程最高工作压力为计算依据值核算法兰部位螺栓受力情况：

在改用金属缠绕垫片后，相对刚度值为0.2～0.3,在此选择该值为0.3。

经工况核算在该状态下螺栓最终所承受的拉伸力为：

螺栓的残余预紧力远大于0，说明连接法兰之间仍然存在弹性变形，密封仍然起作用，并且螺栓的最大受力在螺栓材料允许的疲劳极限范围内。如图12所示（虚线为改良前实线为改良后）。

对应相同的设备内部推力不通的垫片对应不同的相对刚度，金属垫片的相对刚度远小于铁包石棉垫片的相对刚度，应变ΔF2＜ΔF1、Δλm减小、螺栓残余预紧力得到维持加强，螺栓和密封材料受温度和变力影响的因素减小。

5 结论

通过以上的分析和综合处理E1451设备的泄漏被成功解决，据悉该台设备自处理完毕到目前运行一切正常。由此推断在化工装置中无论管道、设备内部正压连接密封法兰部位采用适当刚度值的密封材料，选用适当增大的螺栓预紧力，合理经济、有效的降低螺栓刚度的办法是保证连接密封有效、可靠的有效手段和方法。

1《机械原理》第七版 郑文纬 吴克坚 高等教育出版社.

2《GB150-1998钢制压力容器》国家技术监督局.

3《密封》徐静暻 冶金工业出版社.

4《机械设计手册》机械工业出版社.

5吴培英.金属工艺学[M].高等教育出版社第三版.

TE682

B

1672-9323（2012）02-0071-04

2011-12-23）