螺纹锁紧环换热器检修存在问题及对策 苏国柱

螺纹锁紧环换热器检修存在问题及对策

茂名炼化股份有限公司 苏国柱

摘要：某厂的两套加氢装置使用了由国外设计、制造的H—H型螺纹锁紧环换热器，由于设计不合理，在停车对换热器进行拆装时，出现了外圈螺栓粘结、螺纹锁紧螺纹损坏、内法兰螺栓拆卸困难和密封泄漏等问题，通过采取改变螺栓结构和改进拆装程序与方法等措施，完成对换热器的检修，也方便换热器以后的拆装检查。

关键词：螺纹锁紧环高压换热器 拆卸 问题 改进

1 前言

加氢裂化装置和渣油加氢脱硫装置的高压换热器均为螺纹锁紧环式换热器，这种结构型式的换热器最初是由美国雪弗龙公司开发设计的。其管箱用大型螺纹环承担全部压力，省掉了传统换热器两个大型法兰和相应的一套重型螺栓、螺母，因此其体积小、结构紧凑；另外从密封角度上讲，压紧垫片的螺栓只承受垫片压紧力，与换热器内压力几乎无关，且运行过程中出现泄漏时，也不必停车，只需紧固外面的螺栓即可达到密封要求，因此其结构是合理的，密封有保证，操作安全可靠。但螺纹锁紧环式换热器的结构比较复杂，内构件多，装配复杂，拆装需要借助专用工装。加氢裂化装置和渣油加氢脱硫装置的高压换热器的结构基本相同，但也存在差异之处，本文介绍了高压换热器的结构特点，并就两套装置的换热器在检修过程存在问题进行阐述，并提出处理办法。

2 换热器的操作条件

两套装置的换热器的操作条件见表1、2。

表1 加氢裂化高压换热器操作条件 设 备 编 介 质 号 管程 壳程 E101 E102/A E102/B E103 E104 E105/A E105/B

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温 度 ℃ 管程 壳程 414 378 363 329 276 237 209 254 307 202 254 202 194 139 压 力 MPa 管程 17.64 17.56 17.45 17.44 17.34 17.24 16.90 壳程 19.35 18.99 19.02 19.42 19.06 2.08 2.03 反应流 出 物 反应流 出 物 反应流 出 物 反应流 出 物 反应流 出 物 反应流 出 物 反应流 出 物 热循氢 新鲜 原料 新鲜 原料 冷循 环氢 新鲜 原料 丁烷塔原料 丁烷塔原料

表2 渣油加氢高压换热器操作条件 设 备 编 号 I-E101 II-E101 I-E102A II-E102A I-E102B II-E102B I-E103 II-E103 介 质 管程 反应流 出 物 混 合 进 料 混 合 进 料 混合氢 壳程 反应 进料 热高 分气 热高 分气 热高 分气 压 力 MPa 管程 壳程 17.4 20.6 20.4 20.6 20.5 17.2 17.1 17.2 温 度 ℃ 管程 454 400 360 280 壳程 427 427 401 320 3 换热器的结构简介 以渣油加氢装置的高压换热器为例，以下简单介绍高压换热器的结构形式。 3.1 管箱结构

管箱的结构详见图1。

图 1 管箱结构图

3-管箱 4-管板 5-壳侧垫片 7-分程隔板套圈 9-内法兰 10-内法兰螺栓 11-三合环 12-内套筒 13-垫片压板 14-管箱垫片 15-管箱盖 16-压环 17-内圈螺栓 18-固定环 19-螺纹锁紧环 20-外圈螺栓 21-换热管子 22-检漏口

3.2 管箱结构的特点

⑴、管程压力的传递过程：管程内的压力所产生的轴向力，由管箱盖（15）通过螺纹锁紧环（19）的外螺纹和管箱（3）的内螺纹啮合，传递给管箱体。

⑵、壳程压力的传递过程：管板（4）两侧压差产生的轴向力，由管板通过分程隔板套圈（7）、内法兰螺栓（10）、内法兰（9）、三合环（11）传递给管箱。

⑶、管程密封结构：由管箱垫片（14）、垫片压板（13）、固定环（18）、外圈螺栓（20）、管箱盖（15）所组成。调节外圈螺栓的力矩，密封比压随着改变，从而达到控制密封的目的。

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⑷、壳程密封结构：由壳程垫片（5）、管板（4）、分程隔板套圈（7）和内法兰螺栓（10）所组成。调节内法兰螺栓，可控制密封面比压。为使管程和壳程之间不串漏，密封垫片应充分压紧，要达到密封所需的压紧力，其方法是在安装时用内法兰螺栓第一次压紧，待操作过程中发现有内漏现象时上紧内圈螺栓即可达到密封。为补偿膨胀差引起的压缩量的大小变化，在内套筒与管板之间加金属平垫。（加氢裂化高压换热器无此结构）

4 检修过程存在问题

加氢裂化高压换热器于1982年使用，已检修多次，而渣油加氢高压换热器于1999年投用，2001年进行了第一次检修，两套装置的换热器在检修过程中都存在一些问题。

4.1 外圈螺栓粘结

在拆卸渣油加氢换热器ⅠＥ103时，发现外圈螺栓有旋不动的现象，螺栓螺纹与螺纹锁紧环发生粘结，拆卸极为困难，即使注入大量的松锈剂，锁紧环上仍有8个螺栓拆不动。在拆卸其它几台时也发现有同样现象，使用的专用液压工具(德国WREN 5型)的扭矩对于ⅠⅡＥ102达到了7000Ｎ*Ｍ，仍无法拆卸（ⅠⅡＥ102螺栓规格为1-1/2″，规定的拆卸正常力矩为990Ｎ*Ｍ，最大为1320N*M），ⅠＥ102A更有一条螺栓的螺帽被拧断，还有部分螺栓在旋松1/4圈后便越拧越紧。在锁紧环拆下后对旋不动的螺栓进行再次的拆卸，仍无法旋转出来。检查发现已经拆卸下来的外圈螺栓中有60％在螺纹的底部3～7丝的位置啮合面有明显的伤痕。

外圈螺栓出现粘结的原因是外圈螺栓设计不合理，即该螺栓直径小而长度偏长，如E101的螺栓规格为φ38×866，见图2，由于顶部螺纹受力及在开工时对

图2 外圈螺栓

其进行了不同程度的热紧，有螺纹部分螺栓容易挠曲变形，造成整个螺栓拆卸困难。而比较加氢裂化高压换热器的外圈螺栓，其由螺栓和顶柱组成，见图3，因而结构合理，上紧时外圈螺栓的变形较小，主要由顶柱吸收，因而检修时不存在拆不出来的现象。

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图3 外圈螺栓和顶柱 4.2 锁紧环螺纹和管箱螺纹损伤

渣油加氢换热器因部分外圈螺栓无法拆卸致使螺纹锁紧环无法自由旋转，为保证装置的检修施工进度，施工单位对螺纹锁紧环进行了较大力矩的强制拆卸，其中ⅠⅡＥ103及ⅠＥ101、ⅠＥ102A均能较轻松旋开，约用了1～2ｔ的力，而ⅠＥ102B、ⅡＥ102A起始较费力，旋开后旋力较小，但ⅡＥ10１旋开后旋转力渐大，调整主吊的导链及锁紧环水平度的作用并不明显，其旋转力最大到3～5ｔ。以上各台锁紧环旋出后，发现其螺纹及管箱的螺纹有不同程度的划痕。而ⅡＥ10２B因拆卸不下的螺栓较多，锁紧环无法自由旋转，在现场进行了强制旋转试验，用吊车绕换热器管箱1/2圈加力，负荷以1ｔ为梯次从1t加载到11ｔ，在加载过程中，检查锁紧环与管箱的间隙，顶间隙从1.6ｍｍ逐渐减小至11ｔ时的0.90ｍｍ，底间隙从1.0ｍｍ逐渐增大至11ｔ时的2.0ｍｍ，而锁紧环却未有动作。按日方制造厂的检修施工说明，采用加热的方法在管箱外缘缠绕电加热片（约400mm宽），外包硅酸铝镁毯保温，加热片距离管箱外缘大于50mm，在以较大的速度升温后，温度分别达到80℃、100℃、150℃、200℃时进行拆卸，仍无效果。最后决定用钻床钻掉螺栓，直到螺栓的光杆部分，而后使用专用工具按拆卸方案规定的步骤将锁紧环拆下，锁紧环和管箱的螺纹也有不同程度的划痕。

螺纹损伤以ⅡE101最严重，锁紧环的26扣螺纹中不同程度损坏的螺纹有22扣，从第3扣到第24扣，其中3～5扣为梯形螺纹的下梯形腰面拉伤，从6～16扣为螺纹上、下梯形腰面均拉伤；从8扣到24扣为螺纹上梯形腰面拉伤。其中第5扣、6扣、15扣、16扣损伤最严重。从损伤的形貌看，系拉伤或划伤，部分螺纹牙扣可见明显凹坑及毛刺，部分螺纹已出现划伤引起的材料流失。另外，经对损坏及未损坏的螺纹卡尺测量，也发现梯形螺纹上端面尺寸减少，最低处为4.52mm。ⅠＥ102Ｂ、ⅡＥ10２Ａ的螺纹损伤与ⅡE101相类似，其它的较轻。

螺纹损伤部位简图如下图4箭头所示。

图4 螺纹损伤部位

部分外圈螺栓拆卸不下来，致使锁紧环无法自由旋出，在受力状态下强力拆卸螺纹锁紧环，是造成螺纹损伤的主要原因。另外拆卸专用工具在现场操作较困难也是造成螺纹损伤的一个间接原因：加氢裂化高压换热器拆卸锁紧环的工装为杠杆加平衡重的工装，其结构简单，易调节，操作方便可靠，因而拆卸容易；而渣油加氢的拆卸锁紧环的工装为悬臂式工装，虽然具有依赖外部辅助装备少，可多方位调节等优点，但存在工装结构复杂，不易调节的缺点。因专用工具为非平衡结构，操作过程须随时调节，以确认锁紧环的重心。在施工中锁紧环的水平度可能有偏差，且其结构与加氢裂化有较大不同，后者为大螺纹，螺距为20mm，丝扣少，只有16扣，且螺纹布置在管箱的外侧，易于确定水平方位，见图5；而前者换热器螺纹螺距为16mm，有26扣螺纹，位于管箱的内侧，见图6。

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图5 渣油加氢管箱螺纹

图6 加氢裂化管箱螺纹

因ⅡE101、ⅠＥ102Ｂ和ⅡＥ10２Ａ三台换热器的锁紧环螺纹损伤严重，采取了锁紧环堆焊后重新加工螺纹（保持原尺寸）的处理措施。

渣油加氢换热器锁紧环拆卸困难，可通过改外圈螺栓结构来解决，同时在拆卸时应严格控制锁紧环与管箱之间的间隙，及时调整锁紧环的水平度。另外也可改工装形式，以方便拆卸时的操作。

4.3 内法兰螺栓拆不下

在拆卸加氢裂化换热器内法兰螺栓时，经常出现的问题是内法兰螺栓拧不下来。内法兰螺栓和内法兰内丝扣粘结很紧，若加大力距把就会出现把乱丝扣的情况，内法兰螺栓拆不出，因而内法兰也就无法取出，给检修的下一步工作带来了极大的困难。

4.3.1 原因分析

内法兰和螺栓是处于高温、高压的氢气和油中，环境恶劣。造成内法兰螺栓拧不出来的原因主要是：

⑴、内法兰螺栓在力的作用下头部产生变形，即弯曲和墩粗。使用中内法兰螺栓受到以下4个轴向力的作用：

①、安装时上紧力距产生的压紧力；

②、壳程与管程介质压力差产生的压紧力；

③、分程套筒与管箱体轴向热膨胀量之差产生的压紧力； ④、运行中上紧内圈螺栓产生的压紧力。

⑵、内法兰螺栓与内法兰内丝扣材质搭配不当，高温作用下变形咬死； ⑶、内法兰内丝扣及内法兰螺栓丝扣较长，因所配丝扣是细牙螺纹，如有某一局部出现变形或错位，在拧螺栓不畅顺的情况下，若加大力距拧，丝扣就会出现乱扣现象。

4.3.2 处理方法

处理上述问题的主要方法有：

⑴、若出现内法兰螺栓把不动或乱扣拧不出来时，只能在内法兰螺栓底部，即在内法兰螺栓底部压紧管箱之间的空挡处，采用电焊或等离子切割机，将螺栓

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