浮头法兰厚度的计算.doc

对浮头法兰厚度设计计算的一些看法 2009年08月07日10:34 中国换热器网 生意社08月07日讯 贺玲中国石化集团洛阳石油化工工程公司(河南省洛阳市471003)一、前言 长输管线沿线各站使用的浮头式换热器经常发生刺漏，马5中转站安装投运的两台BES700型浮头式换热器投运不到8个月，浮头法兰、管箱法兰垫失效刺漏达4次之多，其中最严重的一次，泄漏的原油从蒸汽管路进入锅炉锅筒中，直接影响了长输管线的正常运行。更换垫子时发现：拆卸1#换热器浮头盖法兰密封面上有一处撞击形成的凹坑，凹坑周边约有1/2凸起。2#换热器浮头盖法兰密封面上有五处撞击形成的凹坑，多数凹坑周边约有1/2以上凸起;目测浮头管板密封面在管束处高，周边低;按图纸要求，换热器垫片使用的是JB/T472092橡胶石棉垫，符合图纸要求;浮头管板边缘管束焊缝离密封面距离68mm。 二、换热器法兰密封面垫子失效刺漏的原因分析 2.1温度的影响 马5中转站担负着每日1200m3原油液量的外输任务，为顺利地把原油输送到距其8 2km的黄珏联合站，要求出换热器原油的温度为6070。 (1)温度对材质性能的影响。马5中转站换热器浮头盖与浮头管板的密封是两块钩圈钩卡在管板背面，形成卡钩法兰，用螺栓连接，卡钩法兰是整体加工后切成两瓣。钩圈、螺栓等材料在使用过程中，因长期处在100120的高温的环境下，其机械性能降低，还会发生蠕变和应力松弛现象(同质的钩卡不同的部位其热胀量也不同)，使螺栓的拉紧力减小。导致法兰对垫子的压紧量减小而刺漏。 (2)温度对垫片的影响。马5中转站换热器法兰使用的是耐油石棉橡胶板做的垫子，垫片长期在55120的高温作用下会使其老化而失去弹性造成垫子漏失。 (3)温度差的影响。换热器法兰、筒体、螺栓、管箱、垫片之间存在温度差，使各部分热胀冷缩不均，导致马5中转站换热器法兰垫子泄漏。 (4)热疲劳的影响。换热器在工作过程中，受反复加热和冷却，使之产生较大的热应力，特别是螺栓反复受此力作用，结构遭到破坏，螺母松动拧紧力减小，致换热器法兰垫子泄漏。 2.2压力波动的影响 (1)马5中转站定期用1000m3事故罐底水，大排量对8 2km的长输管线进行清蜡，或上游来水量增加，因此当管线内输大量水时，其粘滞阻力减小，外输干压减小，此时产生压力波动，压力波动量约为0 150 25MPa。 (2)加大外输排量时干压升高，产生的压力波动量约为0 150 25MPa (3)因各种故障需频繁停、启时，产生的压力波动量在02 5MPa之间。换热器法兰、螺栓、垫子在上述交变的压力作用下容易产生变形，造成垫子失效。 2.3设计方面的原因 (1)马5中转站换热器浮动管板的边部换热管距密封面距离小。在更换垫子时，目测浮头管板边缘管束焊缝离密封面距离只有68mm，这样在焊接换热管过程中容易使换热器浮动管板产生变形变化，影响了原加工尺寸的稳定性，从而使法兰密封面发生变化，影响了浮头法兰密封程度，导致泄漏。(2)马5中转站换热器选用耐油石棉橡胶板做换热器法兰垫子，由于石棉橡胶垫性质比较软，在制造、焊接、组装施工过程容易变形破损，从而导致法兰垫片失效剌漏。 2.4加工精度的影响 换热器固定管板法兰密封面的管板与管束不垂直，使两法兰对口平行度有偏差。密封面之间若发生0 15mm的偏差(见图1)，上法兰螺栓时很难将垫片压紧，导致该点优先泄漏。 2.5人为方面的原因 法兰密封面上的凹坑、凸起缺陷，影响法兰的密封程度。马5换热器在11月上旬更换垫子时发现1#、2#换热器浮头盖法兰密封面上的凹坑深度多数小于1mm，1#换热器浮头盖法兰密封面内圈边上约有3mm长，深度大于1mm的径向刮伤凹坑，边上1/2凸起。根据现场施工情况分析，这些凹坑、凸起缺陷的产生，可能都是在拆卸、组装时损伤。拆下浮头盖后其下部的钩圈在往里碰撞后脱落，砸到浮头盖法兰密封面而损坏法兰密封面。 2.6腐蚀的影响 螺栓的丝扣腐蚀影响螺栓的拧紧力致换热器法兰垫子泄漏，或密封面腐蚀致换热器法兰垫子泄漏。 三、解决方法 换热器是大型焊接的压力容器设备，长期经受高温、高压的工作环境，其设计、制造、维修都需严格遵守各种规程，针对目前换热器法兰经常刺漏现象，本文提出以下几点解决方法。 (1)现场发生换热器换热管漏失时，因换热器壳程内结垢、锈蚀难以将损坏的换热管抽出更新热管。建议将固定管板与换热器筒体法兰焊为一体，即在筒体上焊上盲法兰，盲法兰上开孔眼穿换热管，这样可以减少设计上造成的漏点数量。用此方法，在发生多根换热管泄漏，影响过流面积和换热面积时，割开法兰更换全部的管程。 .浮头式换热器、冷凝器；浮头式折流杆换热器、冷凝器；T形翅片管重沸器和浮头式双弓形及三弓形折流板换热器是目前炼油装置大量使用的通用标准换热器。近年来，随着GB150-1998钢制压力容器和GB151-1999管壳式换热器等标准的不断修改，使得国标换热器(浮头式换热器、冷凝器、u形管式换热器)和洛阳石油化工工程公司(LPEC)的标准换热器(浮头式折流杆换热器、冷凝器，T形翅片管重沸器，浮头式双弓形及三弓形折流板换热器)中各个部件的计算方法也要做相应修改。2OOO年根据“全国容委会”和“换热器分会”的计划，要求LPEC负责对国标换热器JBT47l4_-92和JBT471792中浮头盖部分的各个参数进行修订，且要求全部出计算书。由于标准中公式的修改，该部件的计算程序也要相应修改，为此作者按GB151-1999中的要求编制了浮头盖部分的计算软件，但在对标准换热器浮头法兰系列重新进行校核计算过程中，发现压力较高、直径较大的换热器在用受外压计算浮头法兰厚度时，计算所需厚度很大，计算结果很不理想。而浮头法兰厚度计算结果对换热器节约材料，减少加工难度，降低成本，确保使用安全，都具有重要意义。困此，针对计算时出现的情况，简要阐述计算时应注意的问题。l几个问题的考虑一般情况下，在计算浮头法兰厚度时，首先必须假设法兰厚度f，无折边球形封头装入深度h，然后进行计算，要取得法兰的合理计算厚度必须反复试算，直至取得的假设厚度与实际计算厚度相接近。浮头法兰的厚度取决于强度和结构两个方面，强度包括法兰在管程压力和壳程压力单独作用下的厚度计算，并应分别考虑预紧和操作两种情况；结构方面受球冠形封头焊入法兰深度的影响很大。1.1压力对厚度的影响浮头法兰的厚度取决于管程压力和壳程压力单独作用时预紧及操作两种状态的强度要求。 (1)管程压力(Pt)作用时在Pt作用下(法兰受力状况见图1)，按照GB1511991中规定的公式，分别计算出预紧螺栓时的力矩和操作情况下法兰的总力矩，从而计算出在管程压力作用下预紧时法兰的计算厚度和操作时法兰的计算厚度，取其大者作为浮头法兰的厚度。(2)壳程压力(Ps)作用时在Ps作用下，法兰受力状况见图2。不能简单地按照GB1511991中的公式计算，因为Ps作用下浮头法兰实际上是受外压作用，因此流体压力引起的总轴向力F和操作状态下需要的最小垫片压紧力F。相反，因此，操作状态下需要的最小螺栓载荷Wp=Fp -F；另外在计算预紧状态下螺栓的设计载荷W(W=0.5(Am+Ab)b，Am，Ab分别表示需要的和实际使用的螺栓总截面积)时，Am应取预紧状态下需要的最小螺栓总截面积，然后分别计算出预紧螺栓时的力矩和操作情况下法兰的总力矩，从而计算出在壳程压力作用下预紧时法兰的计算厚度和操作时法兰的计算厚度，取其大者作为浮头法兰的厚度。 以上两点是在计算壳程压力Ps作用下浮头法兰厚度时所必须注意的，如果按预紧和操作情况下需要的最小螺栓总截面积中的大者计算时，就有可能在个别情况下浮头法兰的厚度会非常大，甚至相邻直径浮头法兰厚度跳跃性很大。这是因为：在外压(即Ps)较小时，预紧起主要作用，Am取预紧状态下需要的最小螺栓总截面积，受力和计算公式不矛盾，计算结果也是正确的；外压较高时，操作载荷作为设计载荷，如果仍按计算公式计算而不考虑实际情况，就会出现在外压作用下需要很大厚度才能满足计算要求的不合理结果。综上所述，在内压作用下，应分别计算预紧和操作状态下法兰的受力情况，分别计算预紧状态和操作状态下浮头法兰的计算厚度；在外压作用下，只要保证预紧状态下螺栓的计算面积，保证该状态下螺栓的设计载荷W，计算出的浮头法兰厚度即可满足要求。1.2球冠形封头焊入法兰的深度(h)对法兰结构的影响通常情况下，h值对浮头法兰的计算厚度有着不可忽视的影响。在Pt作用下，浮头法兰受力情况见图l，作用于法兰的力FD，n，FG对法兰产生的力矩方向是逆时针的。为了减少法兰所受力矩，一般应将Fr作用位置设于法兰形心的上方，使力矩FrLr的方向和FD，n，FG产生的力矩抵消一部分，使Ps作用下的法兰静力矩减小，如果Fr作用位置位于形心下方，则会使法兰静力矩因两者叠加而使法兰厚度大增，因此，在Ps作用下，h值越小，Lr距离形心的距离就越大，从而使浮头法兰所承受的静力矩就越小，所计算出来的浮头法兰的厚度就越小。在Ps作用下，浮头法兰受力情况见图2，也应该是h值越小，Lr距离形心的距离就越大。但实际上并非如此，通过大量的计算结果表明：在Ps作用下，Fr产生的力矩FrLr一般大于由FD，产生的力矩，69份计算结果，只有3份例外；一般情况下，h值越大，Lr距离形心的距离就越小，从而使浮头法兰所承受的静力矩就越小，所计算出来的浮