湿硫化氢环境中浮头螺柱选材方案的探讨

邵继东 , 程涛涛

(惠生工程(中国)有限公司 郑州分公司 , 河南 郑州 450018)

浮头式换热器主要由管箱、壳体、可抽管束、浮头盖等组成。在乙烯和炼油项目中,经常用在管/壳程需进行清洗、清理的场合,为便于管侧清理,浮头盖为可拆结构,但若此处密封失效,则会发生内部泄漏,且操作中不易察觉,所以需关注浮头盖自身密封结构的合理性。浮头法兰处的螺柱是和壳侧介质直接接触,因此在浮头螺柱选材时,就需要考虑其与壳侧介质的相容性。压力容器在湿硫化氢腐蚀环境中的选材,更多是关注板材、管材、锻件的选材以及制造方面要求,而对于螺柱等紧固件则没有要求。

某项目的一台浮头式换热器(DN1200),主要参数如表1所示。由于存在湿硫化氢腐蚀,壳程的主要受压元件采用抗湿硫化氢应力腐蚀环境的HIC钢材,同时在材料、制造、检验等方面进行要求,来保证设备的正常工作。

表1 浮头换热器主要参数

本文结合工程实例,通过案例进行初步试算对比,探讨碳素钢螺柱20、奥氏体不锈钢螺柱S32168、低合金高强螺柱35CrMoA在湿硫化氢环境中适用性,最后选取SA-193-B7M螺柱以确保浮头盖避免因腐蚀而造成的密封失效情况的发生。

1 浮头结构试算

浮头式换热器设计,关键是确定合理的浮头结构,如浮头法兰、外头盖、布管限定圆等合适的尺寸。由于壳程内浮头盖结构限制,浮头换热器通常应用在设备直径、设计温度和设计压力不高的场合。但此案例中设备直径、设计压力和设计温度均较高,为了解不同材料的螺柱在此设计参数下的可行性,分别进行了浮头结构的试算。

1.1 钩圈形式

钩圈采用GB/T151—2014中的B型。优点是管板插入钩圈较深,钩圈与浮头盖法兰间距离最大约10 mm,减小了螺栓的长度,提高了螺栓连接的刚性,且使浮头所占轴向空间较小,从而使管束的有效换热长度较大,目前在工程中应用范围最广。

1.2 垫片形式

此设备设计压力较高,且直径较大,为得到紧凑的浮头结构尺寸,需要在满足密封性要求情况下,尽量选择相对较低密封比压和垫片系数的垫片。这里选用柔性石墨金属波齿复合垫,该垫片有一定的压缩量和回弹量,且使用寿命长,不易散架,能很好地适应化工设备高参数情况下的腐蚀场合。同时该垫片相对于缠绕垫,密封比压降低明显,可以有效减少螺栓预紧力要求。

1.3 螺柱材料

试算中螺柱选材为:碳素钢20、奥氏体不锈钢S32168、低合金钢高强钢35CrMoA,基本上代表了国内常用的螺柱选材类型。三种材料在设计温度下的许用应力见表2。

表2 不同材料螺柱参数表

通过对比,暂将材料分为较低许用应力(20、S32168)和较高许用应力(35CrMoA)两种组别。

1.4 试算结果

对于较高应力组别35CrMoA螺柱,按照GB/T 151—2014中要求进行设计。此方案中外头盖直径按常规设计,即公称直径+100 mm,浮头法兰处仅需配置56个M27浮头螺柱即可。此时整个浮头盖以及外头盖结构紧凑,经济合理。对于低应力组别的20和S32168螺柱,由于许用应力较低,无法得到结构合理尺寸。大致分析如下:①为了满足浮头法兰密封所需的螺栓面积,需要增大螺栓直径或者螺栓个数。由于工艺换热面积限制,即布管限定圆不能太小,故对于此设备只能通过增大浮头法兰螺栓中心圆来提供更多的螺栓面积。②若增大浮头法兰螺栓中心圆,则法兰密封所需面积进一步增大,导致增加的螺柱面积一直达不到所需的螺柱面积。③由于螺栓中心圆增大,浮头法兰外径增大,同时外头盖直径增大,初步调试的外头盖直径较设备公称内径增大300 mm仍未得到合格的理论计算结果。④外头盖尺寸加大,同时还会导致外头盖侧法兰尺寸过大,导致密封困难,结构设计笨重甚至无法实现。

2 浮头螺柱选材分析

2.1 腐蚀考虑

GB/T151—2014中规定:“换热管、钩圈、浮头螺栓和纵向隔板一般不考虑腐蚀裕量”,浮头螺柱维持一个装置检修周期后根据需要可以更换,因此可不考虑腐蚀裕量。标准中所述的腐蚀裕量是由均匀腐蚀造成的,一般可根据腐蚀速率乘以设计使用年限或根据工程实际使用经验确定。所以在常规的工程设计中,不需要考虑浮头螺柱在壳程介质作用下的腐蚀裕量是合理的。忽视螺柱材料与壳程介质相容性问题(例如应力腐蚀)是不合理的。

湿硫化氢应力环境会造成碳钢和低合金钢设备产生应力腐蚀破裂。因环境差异会产生不同的应力腐蚀开裂现象,如氢致开裂(HIC)、硫化物应力开裂(SSC)、氢鼓泡(HB)和应力导向氢致开裂(SOHIC)等。工程设计中,应根据实际需要和工程可实施性,采取针对性预防应力腐蚀破坏的具体措施。

2.2 材料要求

如果不对螺柱材料性能指标进行要求,处于湿硫化氢腐蚀环境中的螺柱则很可能发生脆性断裂。因此,需要对螺栓材料的使用状态、硬度值、断后伸长率、冲击吸收能量等方面作出要求。在湿硫化氢环境下,根据SH/T3193—2017中要求碳素钢和低合金钢的断后伸长率≥25%,特点见表3。

表3 三种类型螺柱材料的适用性

由于上述国内三种类型材料无法同时兼顾材料强度及抗湿硫化氢的要求,为保证浮头螺柱的可靠性,螺柱考虑采用国外相关标准中材料。亦或与上游专业沟通,更改换热器形式为U形管换热器或管/壳程介质进行调换。

3 设计方案确定

3.1 螺柱材料确定

ASME材料中有专门用于湿硫化氢场合的螺柱SA-193-B7M,材料B7M是B7的改型,可以防止湿硫化氢应力腐蚀螺柱的破裂,在工程中使用广泛。B7M 相比于B7降低碳、锰含量的下限,提高了最低回火温度,降低了强度的指标。

B7M材料在设计温度230 ℃时,许用应力为137.9 MPa,其许用应力介于35CrMoA(194.2 MPa)和S32168(92.4 MPa)之间,且比S32168许用应力高了49%。由于B7M与35CrMoA两者化学组分相近,且许用应力也相对较高,是此案例中代替35CrMoA的最佳选材方案。螺母采用与SA-193-B7M螺柱配套的SA-194-2HM螺母,其抗湿硫化氢应力腐蚀,系基于2H螺母进行改良,回火温度高,表面硬度降低。

3.2 方案确定

采用SA-193-B7M螺柱,重新进行设计,设计方案如图1所示。

图1 浮头螺柱采用SA-193-B7M的设计方案

由于设备压力较高,公称直径较大,外头盖直径比设备公称内径增大200 mm,浮头螺柱采用48-M36。虽然外头盖尺寸相比于图1中方案大了一些,但整体结构仍比较紧凑。更为重要的是,此方案既满足了工艺换热性能,同时也满足设备强度和抗湿硫化氢性能,从设计源头保证设备质量安全。

4 结论

①对于浮头式换热器,壳程处于湿硫化氢腐蚀环境时,需要考虑螺柱材料与壳程介质相容性,选择合适材料。②设备的设计压力、温度及公称直径较大时,螺柱选材方面需考虑较高的许用应力,才能得到合理的浮头结构,若选用碳素钢20以及奥氏体不锈钢螺柱,可能无法满足设计要求。③对于壳程为湿硫化氢环境的浮头式换热器,当国内浮头螺柱材料无法满足工程设计需要时,可采用国外牌号材料方案。本文实例已在工程中成功应用,至今运行良好,可为工程设计提供参考。