基于ANSYS的高压换热器密封盘变形失效分析

2021-04-19孙宝财张正棠

化工机械 2021年1期

孙宝财张正棠肖雪

（1.甘肃省特种设备检验检测研究院；2.中国石油天然气股份有限公司玉门油田分公司）

目前，国内外在高压加氢装置中使用最广泛、最先进的热交换器有螺纹锁紧环式换热器、隔膜密封换热器和Ω环式换热器3种。这类换热器可在高温、高压及临氢等苛刻的操作条件下运行，操作介质是易燃、易爆且具有腐蚀性的气体或液体。 1959年，美国建造了第1台高压加氢装置。随着国内油田的相继发现，在1966年中国建成了第1套年产400t的高压加氢装置［1］。随后，国内相关学者做了很多开创性的工作［2，3］，并不断改进和优化高压加氢装置制造工艺［4～7］。

近年来，随着煤化工行业的兴起，对高压加氢换热器的检维修技术也提出了新的挑战，很多学者在这方面也做了许多研究［8～15］。但是直到现在，国内只有少数几家大型企业掌握制造大直径高压换热器的技术，显然不能满足国内石化行业的需求。限制很多企业生产高压换热器的主要原因是一些制造难点、密封面变形和腐蚀问题还没有得到解决，其中密封盘的变形是最重要的难点，因为密封盘是螺纹锁紧环式换热器和隔膜密封换热器中的关键密封元件，所以密封盘的制造水平在某种程度上是衡量是否完全掌握这两类换热器制造技术的标志。许多制造企业尝试在制造密封盘时采取防止变形的相关举措，但是最后检测都不合格，这是因为只在制造过程上一味模仿，而没有对制造细节进行详细的规划和把握。鉴于此，笔者将系统地简述密封盘的变形问题，提出密封盘加工工艺方面的一些防范措施，同时研究了密封盘失效的主要原因。

1 密封盘厚度计算

高-高压型螺纹锁紧环式换热器的密封盘是按压差设计的，首先进行密封盘厚度设计计算，在厚度满足设计要求的基础上建立三维几何模型，并进行变形仿真分析。

密封盘设计参数为：

密封盘材料 0Cr18Ni10T

管板垫片压紧力作用中心圆直径Dg1096mm

沿隔板槽一侧一排的换热管根数nl32

U形换热管根数nt708

密封盘设计压力（压差）pd5.3MPa

隔板两侧相邻两换热管中心距Sn78mm

换热管中心距St25mm

参照GB/T 151—2014 《热交换器》［16］、GB/T 150—2011《压力容器》［17］和文献［18］的设计计算方法求出：

2 密封盘加工技术

2.1 密封盘结构

密封盘本身的结构（图1）直观看较为简单，但要严格按照加工工艺加工出合格的零件并不容易，因密封盘平面结构复杂，弹性变形区最薄处厚度仅为5mm，故给密封盘结构加工带来极大困难，当切削加工温度升高时，在切削车刀进给瞬间由于温度升高引起的热变形无规律、无法掌握，容易造成弹性变形区域加工薄厚不均匀、整体平面度差或者整体变形严重而无法使用，给生产带来极大损失。在加工中所用的工装夹具、车床转速、进刀量和冷却方式都会对加工质量造成影响，因此在进行密封盘加工时应采用专用的工装夹具，及时调整车床转速、进刀量及冷却方式等，保证密封盘的加工质量，使密封盘的平面度和厚度满足公差要求、光洁度达到图样要求。

图1 密封盘结构示意图

2.2 密封盘加工工艺

密封盘是螺纹锁紧环式换热器和隔膜密封换热器的重要部件，该部件由于直径大且厚度薄，从结构上说属于大型薄盘类工件。材料通常为不锈钢，其优点是韧性高、含碳量低且膨胀系数高，正因为密封盘直径大、厚度薄的特点，在加工过程中很容易发生径向和法向的变形，甚至变形过大直至报废。因此，在加工过程中要严格控制每一个制造环节。

2.2.1 材料板厚选取

很多密封盘加工后质量不合格的其中一个原因是开始选取的加工材料板厚不合理，正常思维认为加工余量越大，加工时调整的机会越多，越容易加工出合格的零件。其实，结果恰好相反，材料越厚意味着加工周期也就越长，在加工过程中产生的热量也就越大，由于热量的持续增加，导致产生的热变形越不容易控制，其变形就无法控制。根据多年的制造经验并参照相关技术人员的试验验证结果，可以确定：当密封盘直径小于1 500mm时，厚度方向加工余量留7mm为宜；当密封盘直径大于1 500mm时，厚度方向加工余量留9mm为宜。

2.2.2 气候条件

密封盘的加工要充分考虑天气和地区因素，因为气温较高时加工切削热量大，容易导致密封盘变形。另外，冷却方式制定得不合理，工件同样会产生大的变形。

2.2.3 车刀的选取

在选用车刀时要合理考虑刀具的角度，经现场试验研究：一般前角选用28°左右、后角12°左右且刀具非常锋利的情况下，会使车刀切削力变得更小，摩擦产生的热量也会相应减少。

2.2.4 胎具选择

密封盘加工前，首先对胎具进行找正。使用胎具外圆找正，测量板料的厚度，密封盘底部中心用木头加以支撑，这样在加工时起到减振作用，不容易产生振动，减小变形量。

焊接工艺胎具如图2所示，外径尺寸一般比密封盘外径小180mm左右，焊接时一般左右跳焊，间距100mm，保证胎具与密封盘同心，保持焊接高度6mm、长度50mm，避免焊接产生大的变形，影响密封盘加工。

图2 焊接工艺胎具

按照上述加工方法严格控制好加工误差，这样才能保证后期变形分析中不会受到加工误差的影响。

3 密封盘受力引起的变形分析

以高-高压型螺纹锁紧环为例，密封盘的主要作用是防止管箱内介质向外界泄漏，同时在调节内、外压紧螺栓进行管、壳程密封时起到传递力的作用。因此，密封盘两侧都会受到力的作用，为了研究密封盘受力引起的变形，往往需要对密封盘进行仿真分析。

3.1 基本假设

假设一，密封盘的径向方向为自由变形；假设二，温度引起的变形量可以忽略不计。

3.2 建模

在ANSYS-Designmodeler平台上建立密封盘三维几何模型，当画中间出现凸起的部分时采用蒙皮放样操作，然后通过symmetry操作建立密封盘的四分之一模型（图3），目的是为了节省计算时间。

3.3 边界条件设置和计算求解

压盖、螺纹锁紧环和内、外压紧螺栓对密封盘的力为均布载荷，设置为18MPa；管箱侧内压为17MPa。进行求解计算得出密封盘的总变形量如图4所示，密封盘厚度方向的变形量如图5所示，密封盘的应力云图如图6所示。

图3 密封盘三维几何模型

图4 密封盘总变形量

图5 密封盘厚度方向的变形量

图6 密封盘应力云图

由图4～6可见，密封盘在应力很大的情况下，总变形量和厚度方向的变形量都很大，密封盘作为一个精密部件，变形量超过误差要求将会产生泄漏。另外，换热器在正常运转过程中密封盘因受力引起的变形量也要严格控制。

以上分析都是在管板密封盘两侧压差在设计压差范围之内时的。当密封盘两侧压差超过设计压差时，进行极限设置：管程受压载荷为0MPa，壳程受压载荷为20.6MPa，求解计算得出密封盘整体变形量（图7）；管程受压载荷为18.2MPa，壳程受压载荷为0MPa，求解计算得出管板整体变形量（图8）。

图7 密封盘整体变形量

图8 管板整体变形量

由图7、8可见，管程压力最小、壳程达到最大操作压力时，密封盘整体变形向管程侧方向移动，最大变形量发生在密封盘中心处；壳程压力最小、管程达到最大操作压力时，密封盘整体变形向壳程侧方向移动，最大变形量发生在密封盘中心处。

4 密封盘运行过程中因变形引起的失效分析

上述对密封盘因受力而引起的变形进行了数值仿真模拟，由此可知，正常运行过程中受力将使密封盘有过大的变形，进而也就会造成密封盘的失效。目前还有一种可能，就是由于密封盘轻微变形但还没有达到失效，流体介质进入密封盘间造成密封盘表面开裂而失效，事实证明这类情况较多。

对于隔膜密封换热器和螺纹锁紧环式换热器来说都是高温、高压临氢的装置，里面的介质都是腐蚀性很强的介质，比如介质成分包含氢气、硫化氢、氨气及水蒸气等混合物，这些气体在密封盘表面不仅发生化学腐蚀，而且发生电化学腐蚀。如果介质中有氢气，还会发生物理腐蚀——氢气的分子直径非常小，能渗入到不锈钢中不断扩散，并且越积越多，最终在钢中产生内应力使钢产生微裂纹，裂纹会不断扩展，从而使密封盘失效。

如果介质中硫化氢气体和水蒸气同时存在的话，水蒸气会增强硫化氢的电离程度，同时水也会产生微弱的电离，电离出氢离子，氢离子和氢气一样会在钢中扩散，很容易聚集在一起形成氢气，促使密封盘产生微裂纹。氨气对很多金属都具有腐蚀性,氨气极易溶于水形成氨水，氨水发生电离使溶液呈碱性，这样氨水中就含有H2O、NH3、NH4+、OH-和少量H+。所以，氨气腐蚀金属的本质是较活泼的金属容易被氨水中的氢离子氧化，且在碱性条件下加速了这一氧化过程，同时一些较不活泼的过渡金属被氧化后会形成氨的配离子，从而加速了金属的氧化腐蚀［19，20］。究其本质而言，钢中的夹杂物是诱发材料腐蚀的萌生源，夹杂物的类型、尺寸、数量和分布会严重影响钢材的耐腐蚀性能［21］。