螺纹锁紧环式换热器在渣油加氢装置中的应用

陈健

（中化泉州石化有限公司)

0 前言

螺纹锁紧环式换热器是一种适用于高温、高压工况的热交换设备，广泛应用于炼厂加氢装置中。该换热器具有密封性能可靠、压紧螺栓密封、换热效率高以及可带压排除泄漏等优点。某公司3.3 Mt/a渣油加氢处理装置，采用CLG公司的固定床渣油加氢脱硫工艺技术，设计处理常压渣油、减压渣油、减压重蜡油、焦化轻蜡油、焦化重蜡油的混合原料，经过催化加氢反应，脱除硫、氮、金属等杂质，降低残炭，为重油催化裂化装置提供原料，同时生产部分柴油，并副产少量石脑油和干气。

1 换热流程和换热器的设计参数

在该加氢装置中，反应流出物换热流程如图1所示。反应产物/炉前进料、反应产物/二反入口混氢、热高分气/混氢用的换热器均为螺纹锁紧环式换热器，这些换热器起着回收装置反应生成油气热量、降低加热炉负荷、降低装置能耗的作用。

该装置中的反应产物/炉前进料换热器的基本参数如表1所示。由表1可见，渣油加氢反应产物/炉前进料换热器的管、壳程介质压力高，管壳程操作环境为临氢、硫化氢高温工况，该类工况可供选择的受压元件材料为铬钼钢和奥氏体不锈钢。

图1 3.3 Mt/a渣油加氢装置反应产物换热流程

表1 换热器主要技术参数

2 螺纹锁紧环式换热器的结构及特点

2.1 换热器的结构

螺纹锁紧环式换热器为卧式结构，如图2所示，由管板、上下部拉杆、定距管、折流板、壳程分程隔板、支持板、换热管束、防振杆、滑道、防冲杆、壳程密封垫片、壳程分程密封带、壳体、密封、密封压环、分程箱、分隔环、顶压螺栓、半圆压盖、外密封垫圈、密封盘、压盖、承压环、外压圈、内压圈、内外压杆、内外压紧螺栓等组成。

主体密封有两部分：一是管程侧的密封，它通过紧固外圈压紧螺栓—外压杆—外压圈—密封盘—外密封垫圈，逐渐传递压紧力直至压紧，从而保证设备的密封性；二是壳程侧的密封，它通过紧固内圈压紧螺栓—内压杆—内压圈—压环—顶压螺栓—分合环—管箱内筒—密封压环Ⅰ—密封—密封压环Ⅱ—管板—垫片，逐渐传递压紧力直至压紧，从而保证设备的密封性。

图2 螺纹锁紧环式换热器

本文所述的换热器是用于反应产物/炉前进料的换热器，型号为DFU1500-21.36/18.63-584-5.7/25-4，换热器管板设计压差为4.5 MPa，单系列分A/B两台。反应流出物走壳程，壳体由分程隔板分隔成两壳程，介质由壳程上部入口进入壳程后，在壳程的上半部分绕经一道道折流板后进入U形弯头部分，然后流经一道道折流板，最后由壳程下开口流出。由于壳程被分成两部分，换热效率增加，阻力降增大，且U形部分也起到了换热的作用，不像单壳程换热器那样，U形部分为“死区”。螺纹锁紧环式换热器双壳程的设计使得其换热面积要大于同径单壳程换热器的换热面积。管程为四管程，走反应进料，介质由管程下斜入口进入到分程箱，然后进入到管程，途经两处U形管后由上管程流入上部1/4分程箱，由分程箱上部斜出口流出。

2.2 换热器的优点

从换热器的结构可以看出其具有以下优点。

（1）密封性能可靠。通过螺纹锁紧环上的内、外圈压紧螺栓，间接施力，在不拆卸管箱内件的情况下来解决内部的密封问题。

（2）压紧螺栓密封。较之普通换热器的主螺栓，它只需提供密封垫片和密封面的最小密封比压，其螺栓的直径相对较小，便于紧固，容易发挥密封效果。

（3）换热效率高。壳体上无大法兰连接，壳体开口接管尽量靠近管板，可以充分发挥传热作用。采用双壳程结构，提高了有效温差和壳程流速，使传热系数和换热效率得以提高。

3 换热器的常见故障及原因分析

该换热器在运行过程中，常见的故障是内漏。内漏一般发生在壳程垫片、管板、U形管三个部位。产生故障的原因通常有下述几方面。

（1）螺栓预紧力不均匀。内法兰螺栓预紧力不均匀致使垫片受力不均匀，均布密封比压低于垫片所需的密封比压，导致泄漏。

（2）螺栓预紧力不够。垫片的密封是靠螺栓的预紧压力间接作用的，螺栓的预紧力不够，直接影响垫片的密封性。

（3）热膨胀不一致。管箱内隔板与管箱的材质不同，热膨胀量存在差异，两者变形不协调，对内圈螺栓、内隔筒及壳程侧垫片作用很大的压缩力，这种外力可能造成内圈螺栓弯曲变形和内隔筒微量压缩，一旦操作温度发生大的波动，造成密封比压低，就会导致泄漏。

（4）密封垫片回弹不足。垫片回弹能力是一个重要指标，回弹能力强的垫片能弥补垫片作用力因温度而发生的变化，从而避免泄漏。

（5）不同心、不垂直。管束和管壳材质不同，热膨胀系数也不同，这就会造成高温运行时径向膨胀不一致，致使管束与管壳轴线不同心；管板也因胀管头而造成密封面变形，致使管板密封面与管束轴线不垂直。这种不同心、不垂直的问题也会造成垫片受力不均匀，导致泄漏。

（6）操作引起的温度和压力波动。温度和压力发生波动，也会造成管程温度突然下降、内隔筒冷缩、补偿垫片回弹不足和壳程侧垫片密封比压不足等问题，从而导致管壳程内漏。

案例一。某3.6 Mt/a煤柴油加氢装置，反应进料油依次经过精制反应器和裂化反应器后，反应产物与高压反应进料换热。两台螺纹锁紧环式换热器串联，反应产物走管程，进料油走壳程。反应器床层飞温，床层温度上升至860℃且冷氢开最大量仍无法控制，系统紧急泄压后装置停工。再次开工后，化验分馏塔底油及热低分流出油，发现硫、氮含量均超标；化验精制反应器流出物，硫、氮含量合格；内操观察反应流出物所经第一台换热器，管程出入口温差比正常略小。因此，我们判断两台换热器出现了内漏，其中第一台较严重。出现内漏后系统泄压停工，在现场用力矩扳手对换热器内圈螺栓进行两次预紧，然后再次开工并进行化验，各项指标均达标。后停工大检修，由于内圈螺栓预紧力矩过大，加之苛刻的运行工况，螺栓失效。

案例二。某4.0 Mt/a蜡油加氢裂化装置，反应产物/反应进料换热器用的是螺纹锁紧环式换热器，反应进料走壳程，反应产物走管程。开工过程中，壳程进低氮油，准备进反应器润湿催化剂。进油15 min后发现热高分已有液位生成 （进油后最快半小时流出反应器），判断换热器内漏后料液进入到热高分。出现内漏故障后，在现场用力矩扳手对换热器内圈螺栓进行紧固。观察热高分液位，判断内漏已基本消除。再次开工后升至正常温度，通过化验热高分处反应生成料，判断该换热器内漏已消除。

4 结束语

螺纹锁紧环式换热器在运行中可随时上紧压紧垫片的螺栓，以便在带压情况下及时排除泄漏。这种换热器实现了密封力与内压力由不同的零部件来承担，给现场操作带来了灵活性。渣油加氢装置在启动和正常生产过程中，该换热器常由于首次预紧力不够、管壳程温差过大以及温度和压力波动过大造成内漏。因此，为使换热器稳定运行，减少或避免泄漏故障，在操作、维护中应注意以下几点：

（1）开工过程中，升温、升压要缓慢，使换热器管、壳程受热均匀。

（2）开工过程中，如出现内漏，可安排专业人员用力矩扳手紧固锁紧环螺栓，注意螺栓应严格对称、均匀、分次小量上紧，上紧过程中要注意观察排漏情况。在保证排除泄漏的情况下，尽量不要将螺栓紧到较大的力矩，以免螺栓失效。

（3）开工过程中，特别是首次开工时，换热器可能会发生泄漏。这时，一方面要上紧内、外圈螺栓，另一方面也要等待工艺流体升至正常温度，这样换热器各部件受热均匀、垫片承受的均布密封比压正常后，垫片也会恢复到其密封状态。

（4）事故状态下反应系统紧急泄压，对螺纹锁紧环式换热器有严重的影响，待再次恢复系统压力或开工时，一定要重点检查换热器的内漏情况。

（5）正常生产过程中，操作人员要精心操作，保持平稳，尽量减小换热器管程和壳程温度、压力的波动。巡检时，要仔细检查换热器测漏信号口。