（化工过程机械专业论文）高压换热器焊接密封结构数值模拟及安全评定.pdf

硕士学位论文 摘要 高压换热器是加氢装置中的主要设备，担负着原料油与反应生成油的热量交 换任务。加氢高压换热器焊接密封结构是最近几年比较新的一种密封结构，目前 国内外对焊接密封的研究主要是一些有关q 环的报道，而对加氢高压换热器中 应用较多的平板形焊接密封研究未见文献报道。 利用有限元软件a b a q u s ，开发了一个顺次耦合的角焊缝焊接热应力计算 程序，研究了加氢高压换热器板式焊接密封接头二维、三维应力场的分布，分析 了多道焊、开车升温升压、停车降温降压对角焊缝接头的影响，得到了以下结果： ( 1 ) 通过正交试验分析和数值模拟方法，设计一组l 2 5 ( 5 6 ) 正交试验，利用 极差分析法得到了使加氢换热器角焊缝焊接密封接头残余应力极值最小的最优 工艺参数。其中焊接速度对焊接残余应力的影响最大，预热温度的影响其次，焊 接电流的影响再次，电弧电压的影响最小。对最优焊接工艺参数下的焊接残余力 进行数值模拟，得到角焊缝密封接头的最大残余应力主要集中在焊缝和热影响区 处，且应力水平较高，易诱使焊缝开裂失效。 ( 2 ) 根据得到的最优焊接工艺参数，用a b a q u s 对板式焊接密封结构的 角焊缝进行三维数值模拟分析，得到了角焊缝接头的三维温度场和应力场。三维 数值模拟得到的残余应力极值与二维数值模拟得到的残余应力极值相差不大。研 究结果表明，角焊缝接头附近应力水平较高，最大环向应力出现在起焊点位置， 最大径向应力也在起焊点附近位置；其中在堆焊层上的径向应力变化和环向应力 变化都比较大，因此在堆焊层上易出现裂纹。 ( 3 ) 对开车时不同升温升压速率螺栓法兰接头进行数值模拟，得到了开车 时理想的升温升压速率为：升温速率为1 5 1 1 ，升压速率为1 0 m p 加；对停车 时不同降温降压速率下螺栓法兰接头进行数值模拟停车时降温降压速率为：降温 速率为1 9 1 1 ，降压速率为1 4 m p a h 。 ( 4 ) 在a b a q u s 得到角焊缝密封接头应力场计算结果的基础上，根据 g b t l 9 6 2 4 2 0 0 4 在用含缺陷压力容器安全评定的简化失效评定方法对焊接密 封结构角焊缝接头的裂纹进行安全评定，并且根据计算得到了最大容许等效裂纹 尺寸a m 。 关键词：焊接密封角焊缝接头工艺参数数值模拟安全评定 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh i g hp r e s s u r eh e a te x c h a n g e ri st h em a i ne q u i p m e n to fh y d r o g e n a t i o nu n i t ， w h i c ht a k e sf o rh e a te x c h a n g ef r o mr a wo i lt op r o d u c to i l t h ec l o s ew e l d i n go ft h e h i g hp r e s s u r eh y d r o g e n a t i o n h e a te x c h a n g e ri san e ws e a l i n gs t r u c t u r e a tp r e s e n t ，t h e r e s e a r c hi sm a i n l ya b o u tq r i n ga th o m ea n da b r o a d b u tt h ep l a t es e a l i n gjo i n to nh i g h p r e s s u r eh y d r o g e n a t i o nh e a te x c h a n g e rw a sn o tr e p o r t e d u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s ，as e q u e n t i a l l yc o u p l e d f i l l e tw e l d i n gt h e r m a l - s t r e s sp r o g r a mw a sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h e2 - d 、3 - ds t r e s s d i s t r i b u t i o no fp l a t es e a l i n gj o i n ti nt h eh i g hp r e s s u r eh y d r o g e n a t i o nh e a te x c h a n g e r t h ee f f e c t so fm u l t i - c h a n n e lw e l d i n g ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo fs t a r t u pa n d s h u t d o w nw e r ea n a l y z e da n dt h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ( 1 ) b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t h eo r t h o g o n a lm e t h o d ，t h eo r t h o g o n a l t e s to fl 2 5 ( 5 6 ) w a sd e s i g n e d u s i n gr a n g ea n a l y s i sm e t h o d ，ag r o u po fo p t i m a lw e l d i n g p a r a m e t e r sw e r ef o u n dt oo b t a i n t h ei n f l u e n c e so ff o u rw e l d i n gp a r a m e t e r so n r e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e d t h ep r i m a r yf a c t o rw a sw e l d i n gs p e e d ，t h e s e c o n dw a sp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，t h es e c o n dw a st h ew e l d i n gc u r r e n t ，a n dt h el a s t w a sw e l d i n gv o l t a g e w i t l lt h eo p t i m a lw e l d i n gp a r a m e t e r s ，t h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s f i e l do ff i l l e tw e l ds e a l i n gj o i n tw a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s t r e s si sm u c hl a r g e rn e a rt h ef i l l e tw e l d s ，w h i c hi n d u c e st h ec r a c k i n ga n dl e a k a g e e a s i l ys o m e t i m e s ( 2 ) b a s e do nt h eg r o u po fo p t i m a lw e l d i n gp a r a m e t e r s ，t h e3 - dw e l d i n g t e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ep l a t es e a l i n gjo i n t sw e r es i m u l a t e d b ya b a q u s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n3 - ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e2 - dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sw a ss m a l l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s si sm u c hl a g e rn e a rt h e f i l l e tw e l ds e a l i n gjo i n tz o n e t h em a x i m u mh o o ps t r e s so c c u r sa tt h es t a r tw e l d i n g p o i n ta n dt h em a x i m u mr a d i a ls t r e s si sn e a rb yt h es t a r tw e l d i n gp o i n t t h ec h a n g e so f h o o ps t r e s sa n dr a d i a ls t r e s so fo v e r l a ya r el a r g e ra n dt h ec r a c ko c c u r sf r e q u e n t l yo n o v e r l a y ( 3 ) b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd i f f e r e n th e a t i n gr a t e sa n dp r e s s u r e - r i s e r a t e so ns t a r t u p ，t h ei d e a lr a t e so ft h eh e a t i n ga n dp r e s s u r e - r i s ew e r eo b t a i n e d ，t h e h e a t i n gr a t ew a s 15 ha n dt h ep r e s s u r e r i s er a t ew a s1 0 m p a h ；b a s e do nt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e sa n dd e p r e s s u r i z a t i o nr a t e so ns h u t d o w n ， t h ei d e a lr a t e so ft h ec o o l i n ga n dd e p r e s s u r i z a t i o nw e r eo b t a i n e d ，t h ec o o l i n gr a t ew a s i i 19 ha n dt h ed e p r e s s u r i z a t i o nr a t ew a s1 4 m p a h ( 4 1b a u s e do nt h er e s u l t so ft h es t r e s sf i e l dc a l c u l a t e db ya b a q u s ，s a f e t y a s s e s s m e n to nt h ec r a c ka tt h ef i l l e tw e l d i n gj o i n tw a sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h e s i m l ： l i f t e df a i l u r ea s s e s s m e n ti ng b t 19 6 2 4 - 2 0 0 4 ( ( s a f e t ya s s e s s m e n tf o ri n 。s e r v i c e p r e s s u _ r ev e s s e l sd e f e c t s ) ) ，a n dt h em a x i m u me q u i v a l e n t s i z eo ft h ec r a c kw a s c a l c u l a t e d k e y w o r d s ：c l o s ew e l d i n g ；f i l l e tw e l d i n gj o i n t ；w e l d i n gp a r a m e t e r s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；s a f e t ya s s e s s m e n t 1 i i 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外加氢高压换热器密封结构研究概况2 1 2 1 金属椭圆垫、八角垫密封式一2 1 2 2 螺纹锁紧环密封式一4 1 2 3 焊接密封结构形式一6 1 3 数值模拟技术在焊接中的应用9 1 3 1 焊接数值模拟的研究概况1 0 1 3 2 焊接数值模拟的技术支持1 2 1 4 主要研究内容和技术路线15 1 4 1 本课题的主要内容1 5 1 4 2 技术路线1 5 第二章角焊缝焊接工艺参数的确定1 7 2 1 引言17 2 2 正交设计法原理17 2 2 1 正交试验设计的基本概念1 8 2 2 2 正交表1 9 2 2 3 正交试验的步骤与方法1 9 2 2 4 极差法2 0 2 3 焊接工艺参数的正交试验2 0 2 3 1 正交试验设计2 0 2 3 2 正交试验结果分析2 3 2 4 用a b a q u s 验证试验结果一2 5 2 4 1 有限元模型的建立2 6 2 4 2 最优焊接工艺参数的温度场模拟2 7 2 4 3 最优焊接工艺参数的残余应力模拟2 9 2 4 4 不同路径的焊接残余应力分析3 1 a 目 录 2 5 本章小结3 3 第三章密封角焊缝接头残余应力三维数值模拟3 4 3 1 引言3 4 3 2 数值模拟理论基础3 4 3 2 1 有限元方法3 4 3 2 2 弹塑性分析3 5 3 2 3 耦合场分析3 6 3 2 3 焊接过程的数学模型3 7 3 3 角焊缝接头的物理模型3 8 3 4 角焊缝接头的有限元模型3 9 3 3 1 网格划分3 9 3 3 2 相变潜热4 0 3 3 3 边界条件4 1 3 3 4 计算工况4 2 3 5 焊接密封结构的温度场一4 3 3 5 1 焊缝的温度场云图4 3 3 5 2 不同点的热循环曲线4 4 3 6 焊接密封结构的应力场4 5 3 6 1m i s e s 应力和各向应力分布”4 5 3 6 2 不同路径的应力分布4 7 3 7 本章小结4 8 第四章焊接密封螺栓法兰接头的数值模拟5 0 4 1 引言5 0 4 2 开车温度压力参数5 1 4 2 1 不同升温速率对螺栓法兰接头的影响5 1 4 2 2 不同升压速率对螺栓法兰接头的影响5 2 4 2 3 理想升温升压速率下螺栓法兰接头的数值模拟5 2 4 3 停车温度压力参数5 5 4 3 1 不同降温速率对螺栓法兰接头的影响5 5 4 3 2 不同降压速率对螺栓法兰接头的影响5 6 4 3 3 理想降温降压速率下螺栓法兰接头的数值模拟5 7 4 4 本章小结5 9 第五章焊接密封结构的安全评定6 0 5 1 引言6 0 b 硕士学位论文 5 2 压力容器安全评定断裂力学理论一61 5 2 1 线弹性断裂判据6 1 5 2 2 弹塑性断裂判据6 1 5 2 3f a d 图的发展一6 2 5 2 4 现代安全评定技术的发展6 4 5 2 5 在用含缺陷压力容器安全评定规范6 4 5 3 采用“在用含缺陷压力容器安全评定”评定一6 4 5 3 1 简化失效评定方法6 5 5 3 2 简化失效评定过程6 6 5 3 3 最大容许等效裂纹尺寸的确定7 0 5 4 本章小结7 0 第六章结论与展望7 1 6 1 结论71 6 2 展望7 2 参考文献7 3 在读期间发表论文8 0 致谢一81 c 硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 石油加氢是石油产品精制、改质和重油加工的重要手段。随着石油、化工装 置向着大型化和高参数方向发展，换热器作为装置系统能量平衡和能量回收中不 可缺少的关键设备，其长周期安全运行已愈来愈受到设备管理工程师们的重视。 加氢装置中的高压换热器是该装置的主要设备，担负着原料油与反应生成油的热 量交换任务。加氢换热器的操作压力和温度参数高，介质是易燃、易爆的油气、 氢气，换热器一旦泄漏，后果将十分严重。因此对换热器的密封要求极为严格。 通常研究加氢高压换热器的密封主要集中在提高密封垫片性质以提高密封【l 7 j 。 由于加氢高压换热器的工作环境极为苛刻，对垫片的性能要求比较高，而且垫片 在这种环境下的寿命也比较短。于是就面临着经常更换垫片的问题。频繁更换垫 片不仅是对资源的一种浪费，而且对生产也造成了不可估计的损失。 某公司加氢装置有多台换热器管箱部位的密封结构采用的是平板形焊接密 封结构。和通常的垫片密封相比，焊接密封具有使用周期长，可多次重复使用， 修复方法简单及其密封的严密性等特点【8 】。从而节约了材料，使得密封结构简单、 有效而又经济。于是有必要对焊接密封结构的失效进行系统分析找到其可能的失 效原因，使得在使用和加工过程中避免这些因素从而使焊接密封结构更安全更有 效的在高压换热器上广泛应用。 据统计，该加氢装置共有高压换热器2 3 台，其中有1 1 台换热器管箱部位的 密封采用平板形角焊缝焊接密封。由于这些换热器的焊接密封接头长期工作在高 温、临氢和腐蚀性环境下，自1 9 9 8 年以来发生十多次角焊缝密封接头开裂失效 事故，如1 9 9 8 年7 月e a 1 0 2 角焊缝泄漏补焊，开车后又发现新裂纹，停车再 补焊运行至1 9 9 9 年7 月整台更换；1 9 9 9 年8 月e a 1 0 1 b 角焊缝泄漏，带压堵漏 后运行至2 0 0 0 年3 月停车补焊；2 0 0 1 年8 月e a 一1 0 3 b 角焊缝泄漏带压堵漏，同 年9 月停车补焊；最近的一次是2 0 0 6 年5 月e a 一1 0 7 b 焊缝出现裂纹，带压堵漏 后继续运行。据车间介绍，加氢高压换热器管箱部位的角焊缝密封接头几乎每年 都会发生开裂泄漏，轻微泄漏情况下一般都采用带压堵漏方法维持装置运行，若 泄漏严重就必须停车检修，采取补焊或更换措施。 第一章绪论 由此可以看出，作为加氢装置关键设备之一的高压换热器，其管箱处焊接密 封的开裂泄漏失效给整个装置的长周期、安全运行带来困扰。据初步测算，用于 带压堵漏的维修费用总计也就数十万元，但一次停车检修的开停周期一般为7 天，如按6 0 0 万元天的经济损失计算，总损失将达四千多万元。因此为了消除 安全隐患，避免事故发生，减少经济损失，保证达到加氢装置长周期安全运行的 目标，对加氢高压换热器焊接密封结构的失效和预防措施研究具有重要的现实意 义。 1 2国内外加氢高压换热器密封结构研究概况 由于加氢换热器内的介质为易燃易爆的含氢介质，而且操作温度、操作压力 均较高，临氢、内部有温度差、膨胀不均匀，不允许有任何泄漏。这已成为生产、 维护检修中的主要问题。密封性能直接影响加氢换热器的可靠性。因此密封结构 成为加氢换热器结构设计最重要的环节。根据文献介绍，国内j i - 力n 氢高压换热器 按密封结构形式分主要有如下几类： 1 2 1 金属椭圆垫、八角垫密封结构 高压场合的半自紧密封根据垫片形式主要有八角垫、椭圆垫等，加氢装置中 应用最多的为八角垫结构。金属椭圆垫、八角垫密封结构简单，有一定的径向自 紧作用( s e l f - e n e r g i z i n g ) 【9 1 ，加氢装置中应用最多的为八角垫结构。 高压换热 器依靠螺栓拉力压紧八角垫片来产生初始压力保持密封，因此，法兰外圆直径、 厚度、螺栓尺寸都很大。由于介质作用使八角垫径向扩张，垫与环槽的斜面更加 贴紧，产生自紧作用，但介质压力升高同样使螺栓和法兰变形，造成密封面的相 对分离压紧力减小。当换热器内压、温度发生波动时，由于主螺栓很长，八角垫 很小的变形都会使螺栓载荷发生明显的变化，直接影响着环垫的密封效果。 1 9 7 1 年，kk o l l m 锄【1 0 】，根据虎克定律，对金属平垫片在高压工况下的弹、 塑性应力应变进行了研究分析，发现在高压下，无论是八角垫，还是椭圆垫，局 部应力都很大，且都发生显著的弹性变形，这种变形严重影响了垫片的密封性能， 并且得到了相应的应力应变公式。1 9 7 3 年，trt h o m a s 1 1 1 分别采用g w 【1 2 1 和 m r 【1 3 】两种弹性接触模型，研究了表面粗糙度对金属平垫片密封表面变形的影 响，根据实验计算与比较分析，在相同的密封程度下，使密封面的接触区产生弹 性变形所需要的接触力不一定小于产生塑性变形所需要的接触力。而且还发现表 硕士学位论文 面粗糙度越大其密封性能越差，即表面形貌对材料密封性能影响很大。1 9 8 8 年， 钟学军【1 4 】对椭圆垫进行了试验研究、表面屈服载荷计算及有限元分析，探讨了垫 片力学性能、密封性能和表面屈服载荷之间的内在联系。用三维弹塑性有限元法 计算法兰应力分布，并考虑了螺栓孔及内压的影响，计算值与试验结果比较吻合。 提出了以螺栓法兰垫片连接系统的泄漏率作为判据的设计方法。王立业等和王学 文【l5 j 等的研究结果表明，无论是八角垫，还是椭圆垫，垫片材料的硬度和密封面 的粗糙度对密封性能均有影响，而粗糙度的影响比硬度的影响小的多。在通常的 体积泄漏率指标下，y 的试验值要小于a s m e 规范推荐值，而m 试验值对气体介质 远大于规范值，对液体介质则与规范值较接近。在加载初期，随着载荷增加紧密 性系数迅速增大，而当载荷达到某一值后，继续加紧对紧密性系数无太大影响。 1 9 9 4 年，巢建伟【l6 j 从理论上分析了超出标准的高压和大直径八角垫的受力情况， 给出了预紧和操作状况下螺栓载荷的计算公式，此公式中螺栓载荷的计算不是以 m 、y 值为基础，而是与预紧比压、操作压力、螺栓和八角垫的材料尺寸、摩擦 角有关，并提出了设计使用八角垫时的注意事项。1 9 9 6 年，周剑秋【1 7 】等用二维、 三维有限元法对大直径八角垫密封进行模拟计算，并与规范方法和文献【l8 】进行比 较，结果表明三维有限元法计算值更准确。法兰和垫片在加压过程中发生了扭转 变形，其垫片外侧最下点和内侧最上点应力值最大。2 0 0 4 年，梁红野等【l9 】用有限 元分析方法，建立了高温条件下的法兰八角垫联接的三维力学热传导耦合的计 算模型，并对其动态密封性能进行了分析。计算结果和实测数据较为吻合，表明 数值模拟较好地反映了法兰联接的动态密封特点。对高温动态密封失效的机理进 行分析，在此基础上提出了防止泄漏的基本措施，得到了密封题写的温度变化导 致了原有的平衡破坏，在达到新的平衡过程中，体系各部分之间存在严重的不同 步现象，造成动态密封失效。2 0 0 5 年，王俊和、蔡仁赳2 0 j 利用3 d 有限元法模拟 了在稳态温度场中法兰垫片的温度场，结果表明计算值与实测数据吻合较好。 此外，还模拟了在操作条件下，垫片因蠕变引起减薄的垫片应力分布，得到了垫 片因蠕变减薄的垫片应力分布，八角垫的紧密性参数随垫片平均应力呈线性变 化。并利用垫片应力与紧密性参数之间的关系，评价了垫片应力对法兰接头密封 性能的影响。2 0 0 6 年，胡少波等【2 1 】对金属八角垫的常温力学性能和密封性能进行 了试验研究，得到了八角垫的泄漏率与介质压力成正比，具有粘性流体层流的特 第一章绪论 性，在操作状态下的泄漏率远低于预紧状态下的泄漏率。并提出了压缩回弹性能 和密封性能的公式表示方法，通过试验数据的回归分析得到了公式中的系数。在 此基础上，建立了一种确定八角垫预紧载荷的新方法。 1 2 2 螺纹锁紧环密封结构 这种结构换热器最早是由美国雪弗龙( c h e v r o n ) 公司和日本千代田公司共 同研究开发成功的【2 2 - 2 4 1 。它的独特点在于管箱部分，该换热器是用螺纹锁紧环拧 入管箱，使管箱盖固定于适当位置，管箱盖里面有较薄的垫片压板和垫片，由固 定螺栓的锁紧力来确保管箱部分的密封1 2 5 1 ，如图1 1 所示。这种密封结构适合于 管、壳程均为高压的换热器。但结构复杂，螺纹锁紧环的机加工精度高，制造难 度大，造价高。承压内件( 内法兰、螺栓等) 在高温高压条件下容易变形及腐蚀， 在发生内泄时又要不断地拧紧螺栓，加大密封压力，使内件受损较大，检修时需 要经常更换。其特点是密封螺栓较小，密封可靠性高。螺纹锁紧环密封是通过控 制平衡比来保证密封可靠有效的机械密封技术，即恒平衡比密封、变平衡比密封 和零平衡比密封1 2 6 j 。 、 澜 。 j 一n 心心心n 渤 n a且 ：0 q蓬 馘搋 髓群 ：粼心、沁) ) 孓 l r k j i j 7 淤萤脉0 -翮 l j 产 l 黝钥 l3 l 一卡环：2 密封盘；3 压盖：4 内压螺栓；5 - 夕h 压螺栓；6 螺纹承压环； 7 - 夕h 压圈；8 内压圈；9 一定压螺栓；1 0 一管箱壳体；1 1 - 内套筒；1 2 - 垫片； 图1 1 螺纹锁紧环式密封结构 f i g1 1s e a l i n gs t r u c t u r eo f s c r e wl o c k i n gr i n g 克兰公司1 拘5 1 5 型非对称成型金属波纹管机械密封和变节距成型金属波纹管 密封以及法莱博士公司的双层金属波纹管机械密封，尽管密封介质压力变化，但 4 硕士学位论文 波纹管的有效直径不变，在其他条件不变的情况下机械密封的平衡比可以保持不 变【2 7 1 。1 9 9 3 年我国首台国产化螺纹锁紧环换热器投入使用【2 引，但投产后出现壳 程介质向管程泄漏现象，换热效率低，主密封多次泄漏等缺陷，运行可靠性差。 并在历次检修中逐渐露出原部分结构存在不足，给检修带来了很大的困难。针对 此情况，1 9 9 7 年，偶国富【2 9 】等根据在停工大修中设备的检修问题，全面分析了内 件结构存在的缺陷，在参考意大利i m b 、b e l l e l i 、h u d s o n 等引进螺纹锁紧环 换热器专利技术的基础上，提出了将主密封由原来的榫槽面平钢垫密封，改为凹 平面缠绕垫密封，并核算轴向力，既要提高密封可靠性又要减少锁紧环的受力。 并且将分程板箱原设计的雏筒形改为圆筒形，并适当增加厚度，以增强其刚度， 并作为有限元分析。同时他还提减小内法兰螺栓尺寸，增加数量，并尽可能靠近 器壁以改善三合环及分程隔板箱在螺栓作用下的受力情况等改造思路。2 0 0 1 年尹 丹勤【3 0 】提出螺纹锁紧环式双壳程换热器，由于其独特的螺纹锁紧环式密封和双壳 程结构，使之成为加氢裂化装置中的重要设备之一。与传统的法兰、螺栓连接的 单壳程换热器相比，螺纹锁紧环式双壳程换热器从结构上集中了密封性能可靠、 检修时拆装方便、金属耗量少、换热效率高。在操作运转过程中，如果发现管程 密封处泄漏或管壳程间串漏，利用露在端面的固定螺栓和辅助固定螺栓就很容易 进行在线紧固作业，消除泄漏，免去了不必要的停工及经济损失。基于螺纹锁紧 环换热器的以上优点，预测了螺纹锁紧环换热器在今后的良好发展前景。2 0 0 3 年苏国柱【3 1 1 针对茂名炼化股份有限公司的两套使用了由国外设计、制造的h h 型 螺纹锁紧环换热器的两套加氢装置，由于设计不合理，在停车对换热器进行拆装 时，出现的外圈螺栓粘结、螺纹锁紧环螺纹损坏、内法兰螺栓拆卸困难和密封泄 漏等问题，提出了通过采取改变螺栓结构和改进拆装程序的方法措施，完成对换 热器的检修，也方便换热器以后的拆装检查，从而提高了系统的可靠性。 尽管螺纹锁紧环密封式换热器密封可靠性好，可重复使用，金属耗量较少。 但是这种结构较复杂，机加工件多，而且其公差与配合的要求也比较严格，大直 径精度要求高的螺纹加工困难。拆装复杂，费用高。一般用于压力高于1 0 m p a 的工况下。 1 2 3 焊接密封结构 密封产品对保护环境是非常重要的，特别是要密封有害介质和有危险性的介 第一章绪论 质，必须采用零逸出密封、零逸出密封系统和零逸出密封辅助措施【3 2 1 。然而可拆 的法兰结构对于大型的高温高压或低温高压的容器和化工设备要求完全密封是 难以达到的。这是由于在高温高压下操作的法兰、螺栓、垫片可能发生蠕变和应 力松驰，致使压紧面分离、垫片密封比压下降造成泄漏。对于温度和压力联合作 用下的大型设备的密封口，采用焊接密封元件进行密封来防止泄漏是一种有效的 方法。焊接密封结构大体上由焊接密封元件、螺栓、法兰等组成。焊接密封结构 是在两法兰面之间，不加软垫片，采用几种特定形状的一对金属环和上下法兰通 过焊缝连接的一种密封形式，如图1 2 所示。焊接密封采用焊缝w l 、w 2 、w 3 彻 底切断了渗透性强的n h 3 、h 2 等气态介质在法兰和垫片间的泄漏通道实现了完 全密封。常用的焊接密封，根据密封元件形状的不同可分为唇形密封、焊环式密 封；板片密封；组合焊接密封。在换热器管箱部位的密封采用平板形角焊缝焊接 密封结构如图1 3 所示： 图1 2 焊接密封结构图l 一3 角焊缝结构 f i g1 2c l o s ew e l d i n gf i gl - 3f i l l e tw e l ds t r u c t u r e ( 1 ) q 形环密封式高压换热器 q 形环密封是一种新型半可拆式密封结构，最早见于引进高压化肥装置。其 密封由螺栓、法兰、垫片及q 环的密封焊来实现的，如图1 4 所示【33 1 。由于q 形环 具有较好的轴向变形能力( 形状像膨胀节的一个波) 及密封焊本身的特点，常被 用在温度、压力较高且有较大波动，介质为易燃易爆，密封性能要求较高的场合 3 4 1 。它的零件少，设备法兰、主螺栓尺寸小，钢材耗量少。此种焊接密封结构能 利用q 环的轴向弹性作用补偿温度压力的波动，密封效果好，解决了其它类型垫 片可能出现的密封面失效问题。适用压力为7 3 2 m p a 。q 环焊接密封的突出优点 是密封比压为0 ，螺栓预紧力小，螺栓主要承受内压引起的轴向力，因此螺栓直 径、法兰厚度和质量均减小，造价降低【35 。若换热管结垢需要清洗，则应沿q 环 6 硕士学位论文 顶部焊口切开，检修完毕组对时再将环焊上。 i 放大 图1 4q 环密封结构 f i gl 一4s e a l i n gs t r u c t u r eo fqr i n g 1 9 9 8 年上海炼油厂首次在投产的加氢高压换热器也采用了q 形环密封结构。 近几年由兰州石油机械研究所开发的q 环设计计算方法和制造加工技术意见日 趋成熟，其锻件材质0 c r l 8 n i l 0 t i ，4 2 0 。c 的高温屈服强度6 0 之1 1 7 m p a ，化学成 分及其它技术要求见文献刚，验收级别为i i i 级。锻件应按文献吲进行抗晶间腐 蚀试验。2 0 0 2 年【3 引，对比国内外使用的高压换热器的密封结构、制造、检修及经 济合理性等方面分析比较，q 环密封结构应用于抚顺石化分公司的1 2 0 万t a 催化 柴油加氢精制( 改质) 装置中，可保证换热器使用时无泄漏，安全可靠，也使结 构简单，降低设备造价。目前换热器投入使用，运行良好，保证了密封的可靠性， 节省了投资。q 形环式换热器的管板与管箱法兰、壳体法兰的密封采用q 环密封 机构，由于其连接形式的特殊保证了密封的可靠性。但是如果发生换热器泄漏， 必是q 环损坏，出现裂纹或穿孔【3 。 2 0 0 3 年，沈红杰等【4 0 】对汽柴油加氢精制装置反应进出料换热器采用的q 型密 封结构进行检修，对己泄漏的q 环更新，由于泄漏量较大，对装置进行停工修理， 更新q 环。通过对密封环外观、化学分析、金相、断口及受力等方面进行失效分 析，得出汽柴油加氢精制装置反应进出料换热器q 型密封环结构在开工时发生的 是连多硫酸应力腐蚀开裂，并从开工措施、奥氏体不锈钢材料等方面作了相应的 研究防止连多硫酸应力腐蚀。宋秉棠【4 l j 也对采用q 环密封结构加氢换热器中的q 环( 材质0 c r l 8 n i l 0 t i ) 泄漏原因进行了分析，研究指出奥氏体不锈钢应力腐蚀 开裂为硫化物应力腐蚀开裂。并提出在装置停工后打开前立即碱洗所有奥氏体不 锈钢设备，防止产生连多硫酸应力腐蚀开裂。改进换热器结构，减小由于管箱中 第一章绪论 立和管线推力施加在q 环上的应力。同时提出对q 环进行固溶处理，降低产生晶 间腐蚀的倾向。采取这些措施，可以完全避免停工再开工后q 环的泄漏，保证装 置的正常运行。 ( 2 ) 焊接密封板型u 形换热器 焊接密封板型u 形换热器的管板与管箱是一整体结构，在管箱与端盖间设 置一密封平板，四周与管箱封焊在一起( 密封焊) ，端盖压着密封平板，用螺栓 把紧，如图1 5 所示4 2 1 。这种平板形焊接密封结构更加简单，一般用作加氢高压 换热器的高压管箱侧( 管程) 密封。该种密封类型的换热器管壳结构紧凑，密封 可靠，只是检修时要先用砂轮把密封焊缝打磨掉才能打开管箱进行检查，检修比 较麻烦。 1 管箱盖板2 角焊缝3 管箱法兰 4 实心圆平板5 螺栓 图1 5 管箱法兰焊接密封接头 f i g 1 5c l o s ew e l d i n gs t r u c t u r eo f c h a n n e lf l a n g e 加氢高压换热器焊接密封结构是最近几年比较新的一种密封结构，目前国内 外对焊接密封的研究主要是一些有关q 环的报道，而对加氢高压换热器中应用较 多的平板形焊接密封研究未见文献报道。由于加氢换热器的压力和温度参数高， 介质是易燃、易爆的油气、氢气，换热器一旦泄漏，后果将十分严重，因而加氢 高压换热器的平板形焊接密封结构较多地采用了角焊缝焊接密封接头【4 孓46 1 ，该密 封结构作为零泄漏密封，其密封可靠、寿命长，但在长期的高温、高压和临氢环 境下，其焊缝结构易出现裂纹，甚至开裂而引起泄漏【4 。因此研究焊接密封接头 处残余应力【4 8 】及其影响因素对延长密封结构寿命，保证加氢装置长周期安全运行 具有重要的工程实际意义。 文献 4 9 - 5 3 1 指出焊接工艺对焊接密封结构起了至关重要的作用，焊接品质的好 硕士学位论文 坏直接决定了密封结构的质量和使用寿命。箱体和法兰之间采用的是角焊缝，该 角焊缝要以某种方式承受着一定的载荷，因此该角焊缝必须要具有足够的强度和 条件才能避免焊缝接头的失效1 5 4 57 1 。温度也是换热器密封结构的重要影响因素之 一。根据相关实验结果表明，两法兰的温度场分布不均匀，在法兰连接中会产生 不同的温度梯度而相互制约，从而在法兰和螺栓之间产生附加的温差载荷【5 8 1 。温 差载荷又于操作温度密切相关，操作温度越高温差载荷就越大。在运行条件下， 由于法兰内外温度梯度的存在，特别是在设备的升、降温阶段，法兰与螺栓之间 存在较大温差而产生膨胀。两者的膨胀程度不一致，也是密封失效的原因之一【5 9 】。 尤其在高温工况下运行，温会引起垫片老化、强度降低、蠕变松弛增大，从而使 其回弹能力下降 6 0 , 6 1 。通过对这种新型的密封结构的密封机理和结构进行学习， 分析其长期在高温高压和临氢、腐蚀性环境下运作的工况特点，从焊接密封接头 的焊接工艺、受力状态等6 2 拼1 方面着手研究其失效原因，从而找到相应的预防措 施，使得平板形焊接密封结构更安全更有效的在高压加氢换热器上广泛使用。 焊接密封结构形式作为密封结构的一种专利产品，目前在国内处于推广阶 段，己投入使用的数量不多。因此，国内对此开展的研究工作还刚起步，资料不 多，国外也没有类似的资料可供参考。针对焊接密封结构的使用环境，以及在该 环境下产生的腐蚀状况【6 5 , 6 6 】，国内外已经开展了许多研究并取得了不少的成果。 焊接密封结构的结构可知：焊接密封结构的密封性能相当程度上取决于其材料和 焊接质量，任何的细小的夹渣、气孔、未焊透、划痕、砂眼、裂纹等缺陷，都能 导致最终密封失效，然而，焊接密封结构又限制了探伤手段的实施，只能采取着 色探伤的手段对外表面进行检查。加氢换热器在使用过程中每二年进行一次解体 检查，而每一次拆卸换热器时均需要对焊接密封结构进行切割一焊接的循环，相 当于一次“返修”，对其使用寿命有所影响。 1 3 数值模拟技术在焊接中的应用 计算机技术的飞速发展给各个领域带来了深刻的影响。结合数值计算方法和 技术的不断改进，工程和科学中越来越多的问题都可以采用计算机数值模拟的方 法进行研究。采用科学的模拟技术和少量的实验验证，以代替过去一切都要通过 大量重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模 拟解决一些目前无法在实验室里直接进行研究的复杂问题。用数值方法仿真实际 9 第一章绪论 的物理过程，有时被称为“数值实验”【6 ”。作为促进科学研究和提高生产效率的有 效手段，数值实验的地位已经显得越来越重要了。在工程学的一些领域中，已经 视为和物理实验同等重要。 1 3 1 焊接数值模拟的研究概况 焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括 焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固，冷却时的相变、焊接应力与变形 等等。要得到一个高质量的焊接结构必须要控制这些因素。焊接时不合理的热过 程是引起焊接裂纹、接头脆性以及使焊接应力与变形不合格的主要原因，因此通 过设计和制造工艺参数的正确选择来控制这些冶金变化以及焊接应力和变形，设 计合适的焊接接头形式，选择合理的焊接规范和预热温度等。自动化焊接的范围 在很大程度上亦将决定于能够模拟焊接现象的程度。此外，数值模拟还广泛地应 用于分析焊接结构和接头的强度和性能等问题。一旦各种焊接现象能够实现计算 机模拟，就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最佳设计、最佳 工艺和焊接参数。 焊接工艺过去通常是通过一系列实验或根据经验来获得可靠而经济的焊接 结构。然而从发展来看，数值模拟的方法将越来越起重要的作用。计算机模拟方 法为焊接科学技术的发展创造了有利的条件。1 9 9 3 年，美国能源部组织美国、加 拿大、日本、瑞典和英国等2 5 位著名专家对2 1 世