预紧碟簧在油浆蒸汽发生器中的应用

李 敏

(东北石油大学机械科学与工程学院)

油浆蒸汽发生器是催化裂化装置中余热锅炉系统的主要能量交换设备，大庆炼化公司某厂的油浆蒸汽发生器自投入使用，换热器管板两侧成对法兰多次发生密封泄漏，被迫停车检修。拆卸检查发现换热器螺栓存在不同程度的松弛现象，从而导致了法兰密封失效，不仅造成生产效益下降，甚至可能引发安全事故。

1 油浆蒸汽发生器简介

大庆炼化公司某厂的油浆蒸汽发生器为管壳式换热器，管程介质为油浆，壳程介质为除氧水，规格为φ1600mm×5430mm，壳体材料16MnR，管板材料为锻钢16MnII，螺栓规格为M48(25CrMoVA)，垫片为波齿复合垫(NBG23-1600-5.0-6B)。油浆蒸汽发生器主要参数如下(管程/壳程)：

设计温度 385/285℃

实际温度 (280～332)/(180～248)℃

设计压力 1.78/5.00 MPa

实际压力 1.20/4.20 MPa

油浆蒸汽发生器属于浮头式换热器，其结构形式如图1所示。油浆蒸汽发生器利用管程介质高温油浆在管束内与壳程低温介质除氧水进行换热，以此降低油浆的温度从而达到下一工序对其温度的要求，同时低温介质除氧水经过换热器吸收了管程内高温油浆的热量，实现了热量的回收再利用。

2 换热器泄漏原因分析

换热器泄漏主要表现为以下几种情况：换热管与固定管板连接处因为焊接缺陷或应力腐蚀发生泄漏；换热器因流体诱导管束反复振动使折流板与换热管长时间撞击造成换热管泄漏；管板与换热管胀接接头处发生泄漏；固定管板存在裂纹泄漏；管板法兰密封发生泄漏[1]。本文主要探讨管板法兰密封失效机理。

研究表明，造成法兰密封失效的因素很多，如螺栓预紧力不足，法兰密封面和垫片存在缺陷，温度的变化及压力的波动等[2]。在对泄漏蒸汽发生器检修过程中未发现密封面和垫片存在缺陷问题，故判断造成蒸汽发生器泄漏是由螺栓预紧力不足或温度、压力变化引起的法兰密封泄漏。从操作条件上可知，该蒸汽发生器管程(油浆)与壳程(除氧水)温差相对较大，使蒸汽发生器不同部位产生不同的热胀冷缩，在温度波动工况下，螺栓容易发生塑性变形，导致螺栓预紧力松弛，当螺栓预紧力降到密封垫片所需最小密封压紧力以下时，法兰密封面将发生泄漏[3,4]。在操作过程中系统压力并不是恒定的，而是在一定范围内频繁波动，法兰在轴向力的作用下必定使螺栓不断伸缩来补偿压力变化造成的密封压紧力的变化。在压力持续变化状态下，螺栓疲劳强度将会下降，相应的补偿力也达不到密封垫片要求，从而造成法兰密封失效，蒸汽发生器泄漏[5]。综上所述，蒸汽发生器法兰密封失效与温度和压力反复波动密切相关。

3 预紧碟簧的应用

根据以上对法兰密封泄漏的分析可知，为确保油浆蒸汽发生器管板法兰的密封，对温度和压力波动造成的螺栓预紧力松弛及时补偿是至关重要的。针对螺栓预紧力松弛这一现状，在油浆蒸汽发生器螺栓法兰一侧或两侧安装预紧碟簧，如图2所示。预紧碟簧是由耐高温、高弹性模量的特殊材料冲制而成[6]，其结构参数如图3所示。预紧碟簧有足够的变形来补偿压力和温度波动而引起的预紧力改变，从而有效减少法兰密封失效的风险。

图2 预紧碟簧安装示意图

图3 预紧碟簧结构参数

预紧碟簧的变形量与预紧力关系为：

(1)

式中E——弹性模量；

F——预紧碟簧的变形量；

μ——泊松系数。

系数K的计算式中，C=D/d。式(1)中，E和μ取决于预紧碟簧材料和热处理工艺，K取决于预紧碟簧的结构形式。不同材料的预紧碟簧结构参数不同，其回复力和变形的关系也不相同。碟簧的初始负载计算公式如下：

(2)

预紧碟簧在安装时依据负载将碟簧压紧，并且预紧碟簧的行程和载荷成线性关系，载荷力随着行程位移的增加而增大，当行程达到最大值时，载荷力也达到峰值。所以这种结构的预紧碟簧可以保证在有效的行程范围内满足密封垫片的压紧力。

当螺栓螺母拧紧时，预紧碟簧吸收机械能转化为位能(势能)储存在碟簧中，并发生轴向位移形变(轴向被压缩)，当设备由于压力、温度变化或机械振动等因素，导致螺栓的预紧力松弛时，预紧碟簧释放位能(势能)转化为机械能，对螺栓的预紧力进行相应补偿，使螺栓的预紧力始终保持在密封垫片的压紧力范围内[7]。预紧碟簧有负荷大、行程短、所需空间小及组合使用方便等优点，能非常方便地使用在螺栓法兰连接系统。

4 预紧碟簧的选用、应用效果与注意事项

4.1预紧碟簧材料选择

在螺栓法兰系统中温度变化、压力变化与系统振动幅度较大的情况下都需要应用预紧碟簧来补偿螺栓预紧力的松弛。石化设备中最常用693F和20813 两类碟簧，所应用的工况各有不同，在应用特殊工况条件下时，可使用特殊设计的钛合金碟簧[8]。一般地，可依据螺栓材料选择预紧碟簧的材料，693F类碟簧的适用温度在330℃以下，可使用在中强度螺栓(提供很高的补偿力)和高强度螺栓(提供较低的补偿力)上，适用于阀门、管线法兰、泵及压缩机等设备上。20813类碟簧的适用温度最高能达到600℃，应用在高强度螺栓上可以提供很高的补偿力，常用于换热器、反应器及压力容器等大于330℃高温部位。在实际应用工况下，可以适当选择螺栓单侧或双侧使用，当单片碟簧的有效行程不足以补偿螺栓松弛位移时，可采用在螺栓双侧安装碟簧，使有效行程增加一倍，并能满足绝大多数工况下的补偿要求。对于特殊要求的工况，可以组合使用多片叠加方式[9]。

4.2使用效果与注意问题

在检修过程中，由于油浆温度可达330℃，并且管板法兰连接处螺栓预紧力受温度和压力的变化影响较大，因此在螺栓一侧安装693F预紧碟簧，至今应用效果良好，未发现因温度、压力的变化等因素造成蒸汽发生器泄漏的现象。正确选用预紧碟簧对控制密封泄漏是至关重要的，碟簧只有工作在有效的补偿区域内，才能完全发挥其补偿预紧力的作用。要严格根据介质的使用条件和预紧力要求选用碟簧，如果错误的选用预紧力过低的碟簧，当螺栓预紧力松弛后，将无法提供密封所需要的临界预紧力，可能导致泄漏。若选用预紧力过高的碟簧，施加负载超过螺栓或垫片的承载能力，则可能会超过垫片的弹性极限应力产生永久变形，使用效果反而更差。

5 结束语

通过分析得出由温度和压力波动而导致的螺栓预紧力松弛是管板法兰密封泄漏的主要原因，通过安装预紧碟簧补偿螺栓预紧力松弛，从而解决油浆蒸汽发生器泄漏问题。预紧碟簧具有结构简单、安装方便、补偿特性强及安全可靠等特点，能够有效改善法兰密封泄漏问题，降低检修成本，确保装置的安全运行。

[1] 陆怡，张锁龙.换热器泄漏成因调查[J].化工装备技术，2005，26(3)：59～61.

[2] 李敏，杜娟，沈宜辉.螺栓法兰接头紧固密封的研究展望[J].化工机械，2011，38(5)：513～515.

[3] 时黎霞，张明乐，邢万坤，等.油浆蒸发器密封失效分析及解决办法[J].流体机械，2004，32(2)：35～36.

[4] Vinod V，Mourya R K，Sreedhar B K ，et al.Behaviour of Steam Generator Bolted Flange Joints at Elevated Temperatures[J].Annals of Nuclear Energy，2013，51：307～310.

[5] 程学君，李应力，满艳茹，等.预紧碟簧在加氢高压换热器上的应用[J].润滑与密封，2009，34(6)：111～113.

[6] GB/T 1972-2005，碟形弹簧[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2005.

[7] 廖湘宇.新型高温密封的核心方法——预紧碟簧[J].机械工程师，2010，(11): 148～149.

[8] 王志坤，张昕，宋运通，等.预紧碟簧在炼油装置的应用[J].润滑与密封， 2006，(2)：184～186.

[9] 王晓波.碟形弹簧的力学性能研究[D].郑州：郑州大学, 2007.