高温防冲击垫圈在加氢反应器上的应用研究

周纪武 张勇 罗玉湘

1. 中国石油化工股份有限公司金陵分公司 江苏 南京 210000 2. 南京科赫科技有限公司 江苏 南京 210000

1 研究背景

高温加氢反应过程在石油炼制工业中，广泛应用于加氢裂化及加氢精制。石油炼制过程通过加氢精制来脱除油品中存在的氧、硫、氮等杂质化合物，同时可以使油品中的烯烃达到饱和，提高芳烃的饱和度，可以极大的提升油品质量[1]。加氢反应还可用于煤化工的煤加氢液化过程，用来提高煤炭的利用率[2]。在有机化工中则将加氢反应过程用于制备各种有机化合物[3]。加氢过程的核心设备是高温加氢反应器，加氢反应器需要在高温、高压下运行，温度可达到480℃，压力可达到25MPa[4]。由于加氢反应器运行条件苛刻，在加氢反应器的发展过程中，研究人员主要围绕如何提升加氢反应器的安全性及稳定性展开研究。加氢反应器长期运行于高温、高压、易燃、易爆及强腐蚀性介质环境中，防止加氢反应器泄漏是其运行安全的重中之重。如加氢反应器内混合油气发生泄漏，可能导致闪爆、着火、人员中毒、灼伤等风险，因此，加氢反应器的防泄漏密封至关重要[5-6]。

2 高温加氢反应器泄漏分析

高温加氢反应器进出口法兰泄漏是加氢反应器发生泄漏的主要原因，在加氢反应器加料口位置，由于法兰内外温差较大，且各部位温度不均，必然导致反应器上不同的部位产生不同程度的热胀与冷缩。当螺栓温度超过一定的限值后，螺栓应力急剧降低，降幅可超过50%。为了解决加氢反应器螺栓预紧力变化造成的泄露问题，需要确保螺栓的初始预紧力加热胀冷缩或振动产生的预紧力变化不大于螺栓产生塑性变形的拉力。因此，加氢反应器预紧力的确定需要根据螺栓材质、直径与介质压力、温度进行核算，才能确保螺栓预紧力有效又不超过螺栓的塑性变形拉力。另外，在温度变化造成热胀冷缩或发生振动冲击时，需要对预紧力进行缓冲和补偿，来确保螺栓预紧力的相对稳定，不因温度变化或设备振动冲击而改变。

3 高温防冲击垫圈防泄漏应用研究

高温防冲击垫圈是一种新型的密封产品，具有很强的应力补偿作用，可对加氢反应设备温度、压力、振动造成的螺栓预紧力冲击进行有效补偿，防止加氢反应设备因长期高温、高压、频繁振动等因素对螺栓预紧力的冲击，使螺栓的预紧力始终保持在密封要求的有效范围内[7]。防冲击垫圈成圆锥形盘状，使用方式较为灵活，可以单个或多个串并联使用。防冲击垫圈使用时，在上内缘和下外缘处承受螺栓沿轴向作用的载荷，被压缩后产生弹性变形，以弹性变形储存能量作为可变载荷。在螺栓载荷发生变化时，弹性变形自动转化为密封所需要的轴向载荷，来降低垫片、填料使用中密封对载荷的需要。防冲击垫圈可以通过改变防冲击垫圈的外形尺寸、材料和加工工艺等，就可以得到不同承载能力、补偿能力产品。因此，根据各种工况条件设计的防冲击垫圈，虽然结构尺寸较小，但是可以承受很大的载荷，轴向空间紧凑，具有变刚度特性，通过改变内截锥高度与厚度的比值，可以得到不同应力特性曲线的防冲击垫圈。

3.1 防冲击垫圈载荷分析

为了简化计算过程，该方法对以下两个方面做了假定：（1）忽略径向力的影响，在受到载荷作用时，沿防冲垫圈轴向的截面假定仍为矩形；（2）忽略接触表面上摩擦力的影响，且假定材料为完全弹性。但是，在采用A-L方法对防冲击垫圈载荷-变形进行理论计算时发现，防冲击垫圈的变形量会过大且会时常处于临界失稳状态，这是由于A-L理论计算过程中忽略了上述两点影响因素所致。图1为高防冲击垫圈的结构尺寸示意图。

图1 防冲击垫圈尺寸示意图

防冲击垫圈的载荷-变形特性的分析计算，采用 A-L 方法，单个防冲击垫圈载荷计算公式如式1所示：

P—单个防冲击垫圈的载荷，N；

τ—防冲击垫圈厚度，mm；

D—防冲击垫圈弹簧外径，mm；

d—防冲击垫圈弹簧内径，mm；

f—弹片碟形弹簧的变形量，mm；

ho—碟形弹簧压平时变形量的计算，mm；

E—弹性模量，Mpa；

μ—泊松比，取0.3

K1，K4——计算系数。计算方法如式（2）和式（3）所示。

其中：C为防冲击垫圈弹簧外径与内径的比值，C=D/d

3.2 高温防冲击垫圈有限元分析

螺栓紧固技术要求针对不同的螺栓规格、不同的螺栓材质要求不同的预紧力值，螺栓在不同的应用场合需要提供有效预紧补偿也不相同。为解决防冲击垫圈理论计算过程中存在的以上问题，获得到更接近于实际的载荷-变形特性，本文对防冲击垫圈运用有限元仿真软件进行了分析，从而纠正了一部分理论误差，降低了过大的理论变形量，使防冲击垫圈少有临界失稳变形的情况发生，从而提高防冲击垫圈使用寿命，有效防止加氢装置的泄漏。防冲击垫圈的网格划分如图2所示，模型采用映射划分方式，共计产生18660个单元，22376个节点。图3为防冲击垫圈的截面所受正应力有限元分析，超过了∂0.2的上限值1650MPa。

法兰连接，由于结构、材料等参量较多（结构形式、结构尺寸、材料性能等等），承受的载荷也相当复杂（螺栓预紧载荷、介质的压力、系统的压力波动、温差应力、结构约束应力等），很难通过理论公式计算出较为准确的结果，通过有限元法根据换热器的实际结构尺寸和运行工况，建立与实际相符的数学模型进行模拟分析计算，可对理论计算进行纠正。

4 结论

对加氢反应器泄漏法兰的泄漏原因进行了分析，并通过理论计算及有限元仿真对用于加氢反应器法兰密封的防冲击垫圈载荷-变形特性进行了分析，得到如下结论：

1）理论计算得到了防冲击垫圈接近于临界失稳的变形量，其实际变形量远小于临界值，使得防冲击垫圈的寿命延长，提高了法兰的密封性能，同时提升了加氢装置的运行安全性

2）通过有限元仿真分析可知，防冲击垫圈在较小变形量的情况下就存储了足够的能量从而满足了法兰密封预紧力的要求，防止高温、振动冲击造成预紧力变化，引发法兰泄漏问题。

3）防冲击垫圈可用于加氢反应器的法兰密封补偿，增强加氢反应器运行的可靠性和安全性能。