螺纹锁紧环换热器检修中遇到的主要问题及对策

　　检维修技术螺纹锁紧环换热器检修中遇到的主要问题及对策褛/*治（中国石化镇海炼油化工股份有限公司，浙江宁波315207）主要问题及采取的相应措施；给出了管程和壳程垫片螺栓预紧力的计算方法。

　　1概述在炼油厂使用的换热器结构形式较多，常用的是普通大法兰连接形式的换热器。随着装置的大型化，尤其是在加氢裂化、加氢脱硫等装置上用于高温高压并含有氢和硫化氢介质场合的换热器，首先要解决在如此苛刻条件下的密封问题。

　　为了解决密封问题，这种形式的换热器管、壳程法兰将变得很厚，其紧固螺栓也随之明显增大，给紧固、拆卸带来了很大困难，既不便于维修，又难以保证不漏，并且大大加了金属材料的耗量。所以，具有密封可靠、结构紧凑、维护简单而且又能及时解决运行中出现泄漏问题的螺纹锁紧环式换热器便应运而生，并广泛地应用在加氮裂化和加氢脱硫等装置中。

　　2螺纹锁紧环换热器的结构特点螺纹锁紧环换热器的密封结构早是由美国Chevron公司和日本千代田公司共同开发研究成功的，我国已有十几套加氢装置使用这种换热器。螺纹锁紧环换热器的管束多采用U形管式，它的结构的独到之处在于管箱部分。这种换热器可分为两类：H-H型和H-L型。H-H型适用于管程和壳程均为高压的场合；H-L型适用于壳程为低压而管程为高压的场合。本文重点介绍H-H型螺纹锁紧环换热器，其结构如图所示。

　　3螺纹锁紧环换热器的检修程序3.1拆除程序及注意事项准备工作。如放好专用升降台、拆去妨碍检修的物件或视情况进行中和清洗等等；在壳体和头盖组件上作好测量标记，并用深度游标卡尺测量螺纹锁紧环端面到管箱盖板端面的距离及螺纹锁紧环端面到壳体端面的距离，并认真记录；拆卸头盖组件上的螺栓；将盖夹具固定在头盖组件上，并检查是否稳固，再把平衡重装在相应位置上；拆卸螺纹锁紧环等头盖组件。注意在松开过程中，若发现紧力变大应及时检查，并调节专用升降台和换热器壳体的对中性；小心拆下内、外压环；拆下垫片压板。注意不要碰撞壳体螺纹；装上专用螺纹保护罩，取出管程密封垫片，并认真检查密封面；拆下内套筒和支撑圈；在内法兰组件和隔板箱端面上作好标记后，测量三合环到隔板箱端面的距离，并认真记录；用扭矩扳手拆下内法兰螺栓，并记录各个螺栓的残余力矩；拆下三合环、内法兰。注意在拆三合环时，应防止三合环的一部分坠落受损伤人；于北京石油化工学院机械工程系，获学士学位，助理工程师。

　　现在中国石化镇海炼油化工股份有限公司从事设备管理工作，已发表论文2篇。

　　抽出管束。抽芯时，应十分谨慎小心，密切注意各部间隙，并始终保持管束处在水平位置。当管束在通过螺纹保护罩时，要注意是否受阻，并必须保证管束滑板末端将要越过垫片槽时，整个管束即被吊起。注意管束和抽芯机起吊前，必须提前做好钢丝绳的安全分析；拆下壳程垫片，认真检查密封面；清洗。清洗部位应包括壳体内表面、壳体管箱段内表面、螺纹表面和垫片槽等各密封面及螺纹锁紧环、管束、隔板箱等各内件；对壳体堆焊层、管板堆焊层、各接管等部位进行各种无损检测；对垫片槽、管板密封面、垫片压板密封面等部位应认真进行检查；对螺纹锁紧环外螺纹和壳体内螺纹要认真检查。

　　3.2安装程序螺纹锁紧环换热器的安装步骤与其拆卸过程相反。

　　4检修中可能出现的主要问题和处理方法4.1内、外压紧螺栓拧不出或拧断管箱内件和管箱、壳体材质搭配不当，在高温作用下，导致各内件在轴向的变形量不一致，小的温差使螺栓与结合面之间磨损，出现凹坑，大的温差致使螺栓变形；螺纹摩擦副丝扣较长，加上所配丝扣是细牙螺纹，只要某一处出现变形或错位，或者在上紧不畅的情况下加大扭矩，使丝扣出现乱扣现象。

　　如果部分压紧螺栓在拧松的情况下拧断，这并不影响锁紧环和头盖的拆卸，可在头盖拆下后用机械加工处理；如果在螺栓断裂的时候螺栓还未拧松，只能在现场用枪钻和磁座钻把断裂螺栓取出。但在施工时不能破坏螺栓孔，且在安装前，所有螺孔都要重新攻丝。

　　4.2内法兰螺栓拧不出或拧断螺栓设计不合理，即螺栓头部没有顶柱，内法兰螺栓在各种轴向力的作用下，头部容易墩粗或弯曲；内法兰螺栓与内法兰、三合环材质搭配不好，在高温作用下变形咬死。

　　由于螺栓是通过三合环上的螺栓孔再拧在内法兰上的，所以必须要把埋在三合环孔内的螺栓头处理掉。可根据实际情况采取不同方法：把三合环孔内的断裂螺栓用钻机打掉，但由于内部空间狭小，工作难度较大，故应根据现场实际情况采用合适的作业方法及保护措施，并且要根据丝扣的损坏情况，进行堆焊或重新攻丝；用气割或等离子切割破坏三合环，从内缘把三合环割穿，再把螺栓割平，就可取出三合环和内法兰，但这需要更换三合环；将所有内法兰螺栓头部丝扣车小为缩径光杆，避免螺栓头部墩粗或弯曲。

　　4.3锁紧环螺纹拧不开或半路咬死部分外圈压紧螺栓无法拆卸，致使螺纹锁紧环不能自由旋出；螺纹丝扣较长，如某一部分有杂物或出现变形，就会出现卡涩现象；螺纹锁紧环直径大，偏重，专用拆卸工具现场操作较难，加上人为调节、测量误差，致使螺纹锁紧环与壳体在拆卸过程中不能一直保持较好的同心度和垂直度。

　　可在管箱壳体外包上电加热器加热使壳体膨胀，或在专用松紧杆上用千斤顶助力；当螺纹锁紧环旋出和旋进过程中发现有意外卡滞现象时，要及时查找原因，调整同心。可进行几次正反旋动，并加润滑油，以消除毛刺；如果卡滞越来越严重，在适当提高螺纹锁紧环外圈上的力还不能松动时，要重新加热壳体并在允许范围内适当提高加热温度，使壳体膨胀，再旋出；如果仍然不能旋出，可将锁紧环外圈上的力增加到1020t，直至旋出。

　　5管、壳程垫片螺栓预紧力的确定管、壳程垫片密封是整个螺纹锁紧环换热器检修的关键。由于管、壳程垫片都采用“W”基本形缠绕垫，在螺栓预紧力均匀地作用于垫片的前提下，加大螺栓预紧力，不仅能使垫片变形，而且能缩小垫片材料中的毛细管，操作时还能使垫片残留较大的密封比压，从而保证良好的密封状态。但如果螺栓力过大，造成垫片产生过大的塑性变形，则会使缠绕垫失去密封效果。因此，如何把握管、壳程垫片螺栓预紧力的数值，是检修的关键。

　　笔者以如下计算作为实际预紧力值（以镇海炼化加氢裂化装置E303为例）。

　　5.1壳程垫片预紧力的计算（1）内法兰螺栓预紧力的计算预紧时，螺栓载荷等于垫片所需预紧力：B――垫片计算密封宽度，mm；55mmB0――垫片有效密封宽度，cm；N――垫片实际宽度，N=1.9cm；Y――垫片的密封比压，7=68.9MPa.经计算预紧时的螺栓载荷=15260001.操作时，螺栓载荷等于管板两侧由差压引起的轴向力P，与垫片工作时的反力G（数值上等于操作时垫片密封所需的预紧力）之和：G――垫片工作时的反力，N；P――操作差压，P经计算操作时的螺栓载荷W2根据上述计算，W2大于，故取W2为螺栓的计算载荷。

　　那么，单个螺栓的预紧力：经计算单个螺栓的预紧力FzWJN，=在拧紧螺母时，需要克服螺纹副的螺纹力矩乃，由于螺栓头部设计成球面，单头螺栓六角头与锁紧环不接触。所以，螺栓头部的承压面力矩T3、螺母的承压面力矩T2和夹持力矩T4均可忽略不计，故拧紧力矩了等于螺纹力矩。在螺纹力矩的影响下，螺纹副间有圆周力Ft的作用，螺栓受到预紧力F. n――螺纹头数，《=1；d，――内法兰螺栓的中径，4 fx――摩擦系数=.经计算单个螺栓的拧紧力矩了=7\=552\从上述计算可知，只要内法兰每一个压紧螺栓的上紧力矩达到552Nm，便可保证壳程密封。但考虑到一些其他因素，在实际操作中为确保壳程的密封效果，好同时做以下几个方面的工作：拆卸时，在三合环、内法兰和隔板箱上做上三者原始相对角度位置标记；安装时，内法兰螺栓上紧力矩取计算值的1.1倍左右即为610Nm；安装时，在隔板箱上做顺时针方向且相隔45°的8个标记，认真测量三合环到隔板箱端面的距离，并在检修记录表上记录。

　　（2）内圈压紧螺栓上紧力的计算在检修安装中，内圈压紧螺栓一般是不上紧的，采取的做法是将内圈压紧螺栓先顶紧内压环后，再退半扣。在运行过程中若发现有内漏现象时，则通过上紧内圈压紧螺栓，使压紧力作用到壳程垫片上，从而达到密封效果。

　　在操作时，一旦发现内漏，此时内圈压紧螺栓压力W3等于管、壳程内压产生的轴向力P，P2与壳程垫片工作时的反力G（数值上等于垫片操作时密封所需的总压紧力）三者之和：一管程内压产生的轴向力，N；一管程设计压力，P'内压环的面积，mm2；内压环的外径，D.889mm；内压环的内径，Di经计算操作时螺栓的载荷W3那么，单个螺栓的预紧力：一内法兰螺栓的数量，iv2经计算单个螺栓的预紧力6 =1250721.那么，拧紧力矩：从上述计算可知，内圈压紧螺栓的上紧力肯定要大于壳程垫片在初始密封时由内法兰螺栓所加的预紧力，因为内圈压紧螺栓所提供的压紧力在克服由内压产生的轴向力之后，剩余的压紧力作用在壳程垫片上的比压还要略大于由内法兰蜾栓所施加的初始密封比压值。

　　在实际施工中，为了消除内漏，一般是将内圈压紧螺栓的上紧力按比内法兰嫌栓的预紧力大10、20、…的比例递增，直到消除内漏为止。

　　但要注意：该压紧力递增的幅度不应过大，以免压紧力过大将垫片压至与槽一样高。

　　S.2管程垫片预紧力的计算管程垫片预紧力的计算过程与5. 1中“内法兰螺栓预紧力计算”基本相同，只不过有部分参数及在计算操作时螺栓载荷中的有所差异，在计算外圈压紧螺栓的预紧力时，按长，排烟温度逐渐增加，到2004年排烟温度已增长为1951：，热效率与开工初期相比降低了1以上，这与该炉在设计时没有吹灰系统有关。因此，建议该炉在今后运行中增设吹灰系统。尽管如此，该转化炉与其他转化炉相比，氧含量低3左右，热效率高2左右，这与设计时取消了下尾管直接相关。

　　6运行中的问题及其处理6.1转化炉余热锅炉蒸发段手孔外漏转化炉余热锅炉蒸发段手孔设计为内紧式密封。由于蒸发段温度、压力较篼，在实际运行中，进料量的调整或发汽量的变化势必造成该手孔螺栓的膨胀量和垫片的膨胀量不同，引起泄漏。泄漏处为高温篼压的蒸汽，危险性极大，此种结构形式的密封无法采用带压堵漏技术，必须停工处理，将造成以氢气为原料装置的停工。因此，将此处密封改为法兰式密封，一旦密封失效，首先采用垫紧，然后再采用带压堵漏，即可解决泄漏问题。

　　6.216Mn炉管段更换该转化炉在运行中出现HP40Nb炉管段与16Mn炉管段间的焊口开裂现象，影响了装置的长周期平稳运行，开裂情况如所示。

　　我们认为开裂的原因有两条：一是HP4Nb与16Mn直接组焊时，16Mn中的碳会向HP40Nb迁移，造成16Mn脱碳，在运行中致使16Mn侧焊缝开裂。二是HP40Nb与16Mn这两种材质相差较大，且16Mn与镍基焊条的焊接很容易出现焊接质量问题。

　　转化管开裂情况目前，国内缺乏这方面的焊接经验与焊接工艺控制数据。为避免类似开裂再次发生，在2004年5月设备大检修时对16Mn炉管段进行了彻底更换，将16Mn材质的管段更换为ASTMA312TP321材质，即用TP321炉管作为过渡段。因为HP40Nb与TP321都为奥氏体钢，在焊接上属于同种钢焊接；而TP321与16MnR之间，已有成功的焊接经验可遵循。

　　7结论该转化炉在设计技术上是成熟可靠的，在实际生产中，在全国尚属首例使用。经过两年多的使用证明，虽然暴露出一定的问题，但它能够满足生产需要，为加氢精制装置提供了充足的氢源，且操作方便，在制造、安装时节省了投资。