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摘要：S Zorb装置吸附进料换热器E8101CF由于密封面局部损伤变形经常发生密封泄漏，通过采取重新加工法兰密封面、垫片改造等措施，有效制止了密封面泄漏，保证了装置的“安、稳、长、满、优”运行。
关键词：S Zorb装置、换热器、密封、机械加工、垫片、预紧力
1. 概述
1.1 90万吨/年催化汽油吸附脱硫（S Zorb）装置吸附进料换热器E8101ABCDEF合计为六台，分成两组并联，每组三台串联使用。装置于2010年1月竣工，3月一次开车成功运行。从2011年6月份开始换热器E8101CF两台多次发生泄漏，甚至引起着火，给安全生产带来极大隐患。
1.2该六台换热器全部由齐鲁石化机械厂生产，中石化四化建负责安装。其中E8101ABDE运行条件要好于E8101CF，因此泄漏次数较少。换热器E8101CF的型号为BFU1000-4.26-484-7.0/19-2/2I。
其它参数见下表：
由上表看出该换热器操作温度和压力较高，尤其温度，介质汽油中含有催化剂、胶粉等杂质，运行工况比较苛刻。
2. 原因分析
2.1因管束经常被催化剂、胶粉堵塞需要对换热器频繁修理（一般3-6个月检修一次），对法兰密封面造成一定损坏。由于该换热器属于U形管结构，为了满足换热要求，内部管束的换热管规格Φ19较多较细，介质中的催化剂、胶粉等杂质很容易在换热管U行弯处造成堵塞。从2011年初装置开工开始，每运行半年必须进行一次管束清理，否则影响换热效果增加装置能耗。法兰密封面磨损情況如下图：
2.2 垫片尺寸、型式设计不合理，密封面偏窄。参照管壳式换热器用缠绕垫片标准JBT4719-1992，该标准适用于设计温度在-20℃到450℃之间，设计压力在不大于6.4MPa的情况，查表得知PN4.0 DN1000的换热器垫片，规格为φ1099*1049*1045mm，而我们现场原设计使用的是波齿复合垫，规格为φ1099*1059*1054mm，显然垫片密封面宽度要少5mm，实际该换热器壳程设计温度达到470℃，对密封要求会更高。
2.3工艺操作波动的影响。随着原料性质、加工量等因素的变化，会造成换热器操作温度的波动，因热胀冷缩不均匀，会进一步加快密封处的泄漏。
3.采取措施
3.1 对损伤的密封面进行修复。由上部照片看出，管束的管板两侧密封面磨损轻微，只需要对表面进行清理即可，不需进一步处理。换热器封头直接进行机械加工，最难处理的是壳体密封面，壳体重、不容易移动，即使能移动也不好进行定位加工。为了解决此项问题，引进了一项新加工技术，由专业的施工单位到现场进行测绘、施工。
现场施工主要步骤：首先，施工人员对现场环境熟悉，进行设备安装前的测量和数据计算;其次，现场设备安装：将后支承放入法兰内部，调整支撑螺杆将后支承固定在法兰内部、使用换热器壳体法兰上的孔，用 M36 的螺杆固定前支承，并安装前调节盘、再将镗杆穿入镗孔机并紧固，整体吊起安装于前支承调心盘后支承上、最后调整定心盘和后支承，使设备主轴位于法兰孔中心;然后，起动机器进行车削加工，视具体情况也可以先局部补焊再加工;最后，机械加工完毕后用角磨机和砂纸进行打磨，用百分表进行检测。验收合格标准采用中国石化炼化工程建设标准Q/SH 0700—2008《管壳式换热器技术规定》中的内容。要求密封面的平面度（相对任意一个平面的最大偏差）不应超过0.8mm;密封表面的平均粗糙度不得超过6.3μm。整套工序下来由两个专业人员施工即可，每台换热器（DN1000）从现场调试到完成需要大约三到四天时间，期间需要电工配合接临时用电，一般不需要现场动火作业，所以很简便易行。
机械加工安装示意图如下：
加工现场设备图片如下：
3.2 对垫片尺寸进行校核。由《化工密封技术》可知：依靠垫片密封的场合，一般通过螺栓的预紧力，垫片与法兰逐步紧密接触，垫片产生弹性变形，随着载荷的增大，法兰、管板与垫片的间隙逐渐减小，介质通过间隙泄漏的阻力越来越大，泄漏量则越来越少，少到一定量时，就认为已经起到密封作用了。垫片越宽，介质从间隙流出的阻力越大，对密封越有利，但是由于设备结构和实现垫片密封比压等原因，垫片不可能过宽，而且较宽的垫片需要更高的预紧力。在允许的范围内，一定的预紧力，较窄的垫片更容易起到密封的作用。由于垫片自身的理化性质，受螺栓载荷作用压紧过度会使垫片产生塑性变形而失去密封性能，因此垫片有最小宽度要求，压力容器设计规范对此作出了相关的规定。
按照GB150-89《钢制压力容器》中公式（7-3）来校核垫片宽度：
Nmin=Ab[σ]b/（6.28DGy） 其中：
Ab -实际使用的螺栓总截面积，mm2;
[σ]b -常温下螺栓材料的许用应力，MPa;
DG -垫片压紧力作用下的中心圆直径，mm;
y -垫片比压力，MPa;
现场用垫片后来改为石墨缠绕垫，螺栓规格为M36*3*560，共40套，材质为25Cr2MoVA，螺母材质为35CrMoA。
查阅相关资料可得：
M36的螺栓最小根部直径为d=32.752mm;
因为Ab=nπr2， 而n=40，r=d/2=32.752/2=16.376mm，
所以Ab=nπr2 =40*16.376*16.376π=33682 mm2
[σ]b=245MPa; DG=1079mm（按照实际接触面计算）;y=69MPa;
代入上式，得Nmin=17.8mm。
结果表明垫片密封面宽度至少应该在17.8毫米以上，而原来选用的波齿复合垫片规格为φ1099*1059*1054，密封面宽度为20毫米，虽然已经满足标准要求，但还是略显偏窄。参照管壳式换热器用缠绕垫片标准JBT4719-1992， 同类垫片密封面宽度要求为25毫米，考虑操作压力、温度、性价比等因素，我们将原来的波齿垫片改为石墨缠绕垫，规格为φ1090*1030*1010，密封面宽度达到了30毫米，当然这也需要适当提高螺栓的预紧力，才能达到更好的密封效果。同时加宽内环尺寸，使垫片更加牢固不易损坏。
3.3适当提高换热器检修后的试验压力，原来的试验压力值定为3.0MPa，显然不能满足水压试验的压力规定，水压试验的压力值应该由下式确定：
PT=1.25P[σ]/ [σ]t;
式中：
PT表示水压试验压力，MPa;
P表示设计压力，试压可以用最大允许工作压力代替设计压力，MPa;
[σ]表示换热器元件材料在试验温度下材料的许用应力，MPa;
[σ]t表示换热器元件材料在设计温度下材料的许用应力，MPa。
通过分别计算和以往的经验，我们把管程与壳程水压试验的压力值提高到3.8MPa，并且要求对管程和壳程进行分别试压。
3.4加强平稳操作，减少操作波动，同时在管箱螺栓上增加碟簧，可以有效解决由于温差变化造成螺栓预紧力松弛的问题。同时要求换热器第一次投用后，对螺栓等紧固件再进行一遍热紧。
3.5运行好原料过滤器，保证过滤效果。减少催化剂等杂质携带，也就减少了管束内部结垢堵塞。管束不堵塞也就保证了换热效果，从而避免了重复检修，密封面的泄漏问题也得到了可靠保障。
4.取得效果
通过采取一系列的措施，尤其是在2012年7月末更换垫片和法兰密封面重新加工以后，换热器E8101F（E8101C为备用）运行情况稳定。运行至今已经半年多时间，密封面没有发生过泄漏。从换热器管程的出入口压降趋势上看，管束也没有出现明显堵塞。
5 结束语
该换热器运行工况较差，运行中需要加强监护。为安全起见，已经在其法兰密封面的外圆周上设有消防蒸汽盘管，一旦发生泄漏，可以进行蒸汽吹扫。为确保本质安全，建议在设备选型尤其壳体法兰材质上面还应该进一步升级，从根本上杜绝密封面损坏现象的发生。
参考文献
[1]GB150-1998 钢制压力容器
[2]化工密封技术、化学工程出版社、1994
关键词：S Zorb装置、换热器、密封、机械加工、垫片、预紧力
1. 概述
1.1 90万吨/年催化汽油吸附脱硫（S Zorb）装置吸附进料换热器E8101ABCDEF合计为六台，分成两组并联，每组三台串联使用。装置于2010年1月竣工，3月一次开车成功运行。从2011年6月份开始换热器E8101CF两台多次发生泄漏，甚至引起着火，给安全生产带来极大隐患。
1.2该六台换热器全部由齐鲁石化机械厂生产，中石化四化建负责安装。其中E8101ABDE运行条件要好于E8101CF，因此泄漏次数较少。换热器E8101CF的型号为BFU1000-4.26-484-7.0/19-2/2I。
其它参数见下表：
由上表看出该换热器操作温度和压力较高，尤其温度，介质汽油中含有催化剂、胶粉等杂质，运行工况比较苛刻。
2. 原因分析
2.1因管束经常被催化剂、胶粉堵塞需要对换热器频繁修理（一般3-6个月检修一次），对法兰密封面造成一定损坏。由于该换热器属于U形管结构，为了满足换热要求，内部管束的换热管规格Φ19较多较细，介质中的催化剂、胶粉等杂质很容易在换热管U行弯处造成堵塞。从2011年初装置开工开始，每运行半年必须进行一次管束清理，否则影响换热效果增加装置能耗。法兰密封面磨损情況如下图：
2.2 垫片尺寸、型式设计不合理，密封面偏窄。参照管壳式换热器用缠绕垫片标准JBT4719-1992，该标准适用于设计温度在-20℃到450℃之间，设计压力在不大于6.4MPa的情况，查表得知PN4.0 DN1000的换热器垫片，规格为φ1099*1049*1045mm，而我们现场原设计使用的是波齿复合垫，规格为φ1099*1059*1054mm，显然垫片密封面宽度要少5mm，实际该换热器壳程设计温度达到470℃，对密封要求会更高。
2.3工艺操作波动的影响。随着原料性质、加工量等因素的变化，会造成换热器操作温度的波动，因热胀冷缩不均匀，会进一步加快密封处的泄漏。
3.采取措施
3.1 对损伤的密封面进行修复。由上部照片看出，管束的管板两侧密封面磨损轻微，只需要对表面进行清理即可，不需进一步处理。换热器封头直接进行机械加工，最难处理的是壳体密封面，壳体重、不容易移动，即使能移动也不好进行定位加工。为了解决此项问题，引进了一项新加工技术，由专业的施工单位到现场进行测绘、施工。
现场施工主要步骤：首先，施工人员对现场环境熟悉，进行设备安装前的测量和数据计算;其次，现场设备安装：将后支承放入法兰内部，调整支撑螺杆将后支承固定在法兰内部、使用换热器壳体法兰上的孔，用 M36 的螺杆固定前支承，并安装前调节盘、再将镗杆穿入镗孔机并紧固，整体吊起安装于前支承调心盘后支承上、最后调整定心盘和后支承，使设备主轴位于法兰孔中心;然后，起动机器进行车削加工，视具体情况也可以先局部补焊再加工;最后，机械加工完毕后用角磨机和砂纸进行打磨，用百分表进行检测。验收合格标准采用中国石化炼化工程建设标准Q/SH 0700—2008《管壳式换热器技术规定》中的内容。要求密封面的平面度（相对任意一个平面的最大偏差）不应超过0.8mm;密封表面的平均粗糙度不得超过6.3μm。整套工序下来由两个专业人员施工即可，每台换热器（DN1000）从现场调试到完成需要大约三到四天时间，期间需要电工配合接临时用电，一般不需要现场动火作业，所以很简便易行。
机械加工安装示意图如下：
加工现场设备图片如下：
3.2 对垫片尺寸进行校核。由《化工密封技术》可知：依靠垫片密封的场合，一般通过螺栓的预紧力，垫片与法兰逐步紧密接触，垫片产生弹性变形，随着载荷的增大，法兰、管板与垫片的间隙逐渐减小，介质通过间隙泄漏的阻力越来越大，泄漏量则越来越少，少到一定量时，就认为已经起到密封作用了。垫片越宽，介质从间隙流出的阻力越大，对密封越有利，但是由于设备结构和实现垫片密封比压等原因，垫片不可能过宽，而且较宽的垫片需要更高的预紧力。在允许的范围内，一定的预紧力，较窄的垫片更容易起到密封的作用。由于垫片自身的理化性质，受螺栓载荷作用压紧过度会使垫片产生塑性变形而失去密封性能，因此垫片有最小宽度要求，压力容器设计规范对此作出了相关的规定。
按照GB150-89《钢制压力容器》中公式（7-3）来校核垫片宽度：
Nmin=Ab[σ]b/（6.28DGy）
Ab -实际使用的螺栓总截面积，mm2;
[σ]b -常温下螺栓材料的许用应力，MPa;
DG -垫片压紧力作用下的中心圆直径，mm;
y -垫片比压力，MPa;
现场用垫片后来改为石墨缠绕垫，螺栓规格为M36*3*560，共40套，材质为25Cr2MoVA，螺母材质为35CrMoA。
查阅相关资料可得：
M36的螺栓最小根部直径为d=32.752mm;
因为Ab=nπr2， 而n=40，r=d/2=32.752/2=16.376mm，
所以Ab=nπr2 =40*16.376*16.376π=33682 mm2
[σ]b=245MPa; DG=1079mm（按照实际接触面计算）;y=69MPa;
代入上式，得Nmin=17.8mm。
结果表明垫片密封面宽度至少应该在17.8毫米以上，而原来选用的波齿复合垫片规格为φ1099*1059*1054，密封面宽度为20毫米，虽然已经满足标准要求，但还是略显偏窄。参照管壳式换热器用缠绕垫片标准JBT4719-1992， 同类垫片密封面宽度要求为25毫米，考虑操作压力、温度、性价比等因素，我们将原来的波齿垫片改为石墨缠绕垫，规格为φ1090*1030*1010，密封面宽度达到了30毫米，当然这也需要适当提高螺栓的预紧力，才能达到更好的密封效果。同时加宽内环尺寸，使垫片更加牢固不易损坏。
3.3适当提高换热器检修后的试验压力，原来的试验压力值定为3.0MPa，显然不能满足水压试验的压力规定，水压试验的压力值应该由下式确定：
PT=1.25P[σ]/ [σ]t;
式中：
PT表示水压试验压力，MPa;
P表示设计压力，试压可以用最大允许工作压力代替设计压力，MPa;
[σ]表示换热器元件材料在试验温度下材料的许用应力，MPa;
[σ]t表示换热器元件材料在设计温度下材料的许用应力，MPa。
通过分别计算和以往的经验，我们把管程与壳程水压试验的压力值提高到3.8MPa，并且要求对管程和壳程进行分别试压。
3.4加强平稳操作，减少操作波动，同时在管箱螺栓上增加碟簧，可以有效解决由于温差变化造成螺栓预紧力松弛的问题。同时要求换热器第一次投用后，对螺栓等紧固件再进行一遍热紧。
3.5运行好原料过滤器，保证过滤效果。减少催化剂等杂质携带，也就减少了管束内部结垢堵塞。管束不堵塞也就保证了换热效果，从而避免了重复检修，密封面的泄漏问题也得到了可靠保障。
4.取得效果
通过采取一系列的措施，尤其是在2012年7月末更换垫片和法兰密封面重新加工以后，换热器E8101F（E8101C为备用）运行情况稳定。运行至今已经半年多时间，密封面没有发生过泄漏。从换热器管程的出入口压降趋势上看，管束也没有出现明显堵塞。
5 结束语
该换热器运行工况较差，运行中需要加强监护。为安全起见，已经在其法兰密封面的外圆周上设有消防蒸汽盘管，一旦发生泄漏，可以进行蒸汽吹扫。为确保本质安全，建议在设备选型尤其壳体法兰材质上面还应该进一步升级，从根本上杜绝密封面损坏现象的发生。
参考文献
[1]GB150-1998 钢制压力容器
[2]化工密封技术、化学工程出版社、1994