孫寶財(cái) 張正棠 肖 雪

（1.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司玉門(mén)油田分公司）

目前， 國(guó)內(nèi)外在高壓加氫裝置中使用最廣泛、 最先進(jìn)的熱交換器有螺紋鎖緊環(huán)式換熱器、隔膜密封換熱器和Ω環(huán)式換熱器3種。這類(lèi)換熱器可在高溫、 高壓及臨氫等苛刻的操作條件下運(yùn)行，操作介質(zhì)是易燃、易爆且具有腐蝕性的氣體或液體。 1959年， 美國(guó)建造了第1臺(tái)高壓加氫裝置。 隨著國(guó)內(nèi)油田的相繼發(fā)現(xiàn)，在1966年中國(guó)建成了第1套年產(chǎn)400t的高壓加氫裝置［1］。 隨后，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者做了很多開(kāi)創(chuàng)性的工作［2，3］，并不斷改進(jìn)和優(yōu)化高壓加氫裝置制造工藝［4～7］。

近年來(lái)，隨著煤化工行業(yè)的興起，對(duì)高壓加氫換熱器的檢維修技術(shù)也提出了新的挑戰(zhàn)，很多學(xué)者在這方面也做了許多研究［8～15］。 但是直到現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家大型企業(yè)掌握制造大直徑高壓換熱器的技術(shù)，顯然不能滿足國(guó)內(nèi)石化行業(yè)的需求。 限制很多企業(yè)生產(chǎn)高壓換熱器的主要原因是一些制造難點(diǎn)、密封面變形和腐蝕問(wèn)題還沒(méi)有得到解決， 其中密封盤(pán)的變形是最重要的難點(diǎn)，因?yàn)槊芊獗P(pán)是螺紋鎖緊環(huán)式換熱器和隔膜密封換熱器中的關(guān)鍵密封元件，所以密封盤(pán)的制造水平在某種程度上是衡量是否完全掌握這兩類(lèi)換熱器制造技術(shù)的標(biāo)志。 許多制造企業(yè)嘗試在制造密封盤(pán)時(shí)采取防止變形的相關(guān)舉措，但是最后檢測(cè)都不合格，這是因?yàn)橹辉谥圃爝^(guò)程上一味模仿， 而沒(méi)有對(duì)制造細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃和把握。鑒于此， 筆者將系統(tǒng)地簡(jiǎn)述密封盤(pán)的變形問(wèn)題，提出密封盤(pán)加工工藝方面的一些防范措施，同時(shí)研究了密封盤(pán)失效的主要原因。

1 密封盤(pán)厚度計(jì)算

高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的密封盤(pán)是按壓差設(shè)計(jì)的， 首先進(jìn)行密封盤(pán)厚度設(shè)計(jì)計(jì)算，在厚度滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上建立三維幾何模型，并進(jìn)行變形仿真分析。

密封盤(pán)設(shè)計(jì)參數(shù)為：

密封盤(pán)材料 0Cr18Ni10T

管板墊片壓緊力作用中心圓直徑Dg1096mm

沿隔板槽一側(cè)一排的換熱管根數(shù)nl32

U形換熱管根數(shù)nt708

密封盤(pán)設(shè)計(jì)壓力（壓差）pd5.3MPa

隔板兩側(cè)相鄰兩換熱管中心距Sn78mm

換熱管中心距St25mm

參照GB/T 151—2014 《熱交換器》［16］、GB/T 150—2011《壓力容器》［17］和文獻(xiàn)［18］的設(shè)計(jì)計(jì)算方法求出：

2 密封盤(pán)加工技術(shù)

2.1 密封盤(pán)結(jié)構(gòu)

密封盤(pán)本身的結(jié)構(gòu)（圖1）直觀看較為簡(jiǎn)單，但要嚴(yán)格按照加工工藝加工出合格的零件并不容易，因密封盤(pán)平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彈性變形區(qū)最薄處厚度僅為5mm，故給密封盤(pán)結(jié)構(gòu)加工帶來(lái)極大困難，當(dāng)切削加工溫度升高時(shí)，在切削車(chē)刀進(jìn)給瞬間由于溫度升高引起的熱變形無(wú)規(guī)律、無(wú)法掌握， 容易造成彈性變形區(qū)域加工薄厚不均勻、整體平面度差或者整體變形嚴(yán)重而無(wú)法使用，給生產(chǎn)帶來(lái)極大損失。 在加工中所用的工裝夾具、車(chē)床轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量和冷卻方式都會(huì)對(duì)加工質(zhì)量造成影響，因此在進(jìn)行密封盤(pán)加工時(shí)應(yīng)采用專(zhuān)用的工裝夾具，及時(shí)調(diào)整車(chē)床轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量及冷卻方式等，保證密封盤(pán)的加工質(zhì)量，使密封盤(pán)的平面度和厚度滿足公差要求、光潔度達(dá)到圖樣要求。

圖1 密封盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 密封盤(pán)加工工藝

密封盤(pán)是螺紋鎖緊環(huán)式換熱器和隔膜密封換熱器的重要部件， 該部件由于直徑大且厚度薄，從結(jié)構(gòu)上說(shuō)屬于大型薄盤(pán)類(lèi)工件。 材料通常為不銹鋼，其優(yōu)點(diǎn)是韌性高、含碳量低且膨脹系數(shù)高，正因?yàn)槊芊獗P(pán)直徑大、厚度薄的特點(diǎn)，在加工過(guò)程中很容易發(fā)生徑向和法向的變形，甚至變形過(guò)大直至報(bào)廢。 因此，在加工過(guò)程中要嚴(yán)格控制每一個(gè)制造環(huán)節(jié)。

2.2.1 材料板厚選取

很多密封盤(pán)加工后質(zhì)量不合格的其中一個(gè)原因是開(kāi)始選取的加工材料板厚不合理，正常思維認(rèn)為加工余量越大， 加工時(shí)調(diào)整的機(jī)會(huì)越多，越容易加工出合格的零件。 其實(shí)，結(jié)果恰好相反，材料越厚意味著加工周期也就越長(zhǎng)，在加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量也就越大， 由于熱量的持續(xù)增加，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱變形越不容易控制，其變形就無(wú)法控制。根據(jù)多年的制造經(jīng)驗(yàn)并參照相關(guān)技術(shù)人員的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可以確定：當(dāng)密封盤(pán)直徑小于1 500mm時(shí)， 厚度方向加工余量留7mm為宜；當(dāng)密封盤(pán)直徑大于1 500mm時(shí)，厚度方向加工余量留9mm為宜。

2.2.2 氣候條件

密封盤(pán)的加工要充分考慮天氣和地區(qū)因素，因?yàn)闅鉁剌^高時(shí)加工切削熱量大，容易導(dǎo)致密封盤(pán)變形。 另外，冷卻方式制定得不合理，工件同樣會(huì)產(chǎn)生大的變形。

2.2.3 車(chē)刀的選取

在選用車(chē)刀時(shí)要合理考慮刀具的角度，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究：一般前角選用28°左右、后角12°左右且刀具非常鋒利的情況下，會(huì)使車(chē)刀切削力變得更小，摩擦產(chǎn)生的熱量也會(huì)相應(yīng)減少。

2.2.4 胎具選擇

密封盤(pán)加工前，首先對(duì)胎具進(jìn)行找正。 使用胎具外圓找正，測(cè)量板料的厚度，密封盤(pán)底部中心用木頭加以支撐， 這樣在加工時(shí)起到減振作用，不容易產(chǎn)生振動(dòng)，減小變形量。

焊接工藝胎具如圖2所示， 外徑尺寸一般比密封盤(pán)外徑小180mm左右， 焊接時(shí)一般左右跳焊，間距100mm，保證胎具與密封盤(pán)同心，保持焊接高度6mm、長(zhǎng)度50mm，避免焊接產(chǎn)生大的變形，影響密封盤(pán)加工。

圖2 焊接工藝胎具

按照上述加工方法嚴(yán)格控制好加工誤差，這樣才能保證后期變形分析中不會(huì)受到加工誤差的影響。

3 密封盤(pán)受力引起的變形分析

以高-高壓型螺紋鎖緊環(huán)為例， 密封盤(pán)的主要作用是防止管箱內(nèi)介質(zhì)向外界泄漏，同時(shí)在調(diào)節(jié)內(nèi)、外壓緊螺栓進(jìn)行管、殼程密封時(shí)起到傳遞力的作用。 因此，密封盤(pán)兩側(cè)都會(huì)受到力的作用，為了研究密封盤(pán)受力引起的變形，往往需要對(duì)密封盤(pán)進(jìn)行仿真分析。

3.1 基本假設(shè)

假設(shè)一， 密封盤(pán)的徑向方向?yàn)樽杂勺冃?；假設(shè)二，溫度引起的變形量可以忽略不計(jì)。

3.2 建模

在ANSYS-Designmodeler平臺(tái)上建立密封盤(pán)三維幾何模型，當(dāng)畫(huà)中間出現(xiàn)凸起的部分時(shí)采用蒙皮放樣操作， 然后通過(guò)symmetry操作建立密封盤(pán)的四分之一模型（圖3），目的是為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

3.3 邊界條件設(shè)置和計(jì)算求解

壓蓋、螺紋鎖緊環(huán)和內(nèi)、外壓緊螺栓對(duì)密封盤(pán)的力為均布載荷，設(shè)置為18MPa；管箱側(cè)內(nèi)壓為17MPa。 進(jìn)行求解計(jì)算得出密封盤(pán)的總變形量如圖4所示， 密封盤(pán)厚度方向的變形量如圖5所示，密封盤(pán)的應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖3 密封盤(pán)三維幾何模型

圖4 密封盤(pán)總變形量

圖5 密封盤(pán)厚度方向的變形量

圖6 密封盤(pán)應(yīng)力云圖

由圖4～6可見(jiàn)，密封盤(pán)在應(yīng)力很大的情況下，總變形量和厚度方向的變形量都很大，密封盤(pán)作為一個(gè)精密部件，變形量超過(guò)誤差要求將會(huì)產(chǎn)生泄漏。 另外，換熱器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中密封盤(pán)因受力引起的變形量也要嚴(yán)格控制。

以上分析都是在管板密封盤(pán)兩側(cè)壓差在設(shè)計(jì)壓差范圍之內(nèi)時(shí)的。 當(dāng)密封盤(pán)兩側(cè)壓差超過(guò)設(shè)計(jì)壓差時(shí)，進(jìn)行極限設(shè)置：管程受壓載荷為0MPa，殼程受壓載荷為20.6MPa， 求解計(jì)算得出密封盤(pán)整體變形量（圖7）；管程受壓載荷為18.2MPa，殼程受壓載荷為0MPa，求解計(jì)算得出管板整體變形量（圖8）。

圖7 密封盤(pán)整體變形量

圖8 管板整體變形量

由圖7、8可見(jiàn)，管程壓力最小、殼程達(dá)到最大操作壓力時(shí)， 密封盤(pán)整體變形向管程側(cè)方向移動(dòng)，最大變形量發(fā)生在密封盤(pán)中心處；殼程壓力最小、管程達(dá)到最大操作壓力時(shí)，密封盤(pán)整體變形向殼程側(cè)方向移動(dòng)，最大變形量發(fā)生在密封盤(pán)中心處。

4 密封盤(pán)運(yùn)行過(guò)程中因變形引起的失效分析

上述對(duì)密封盤(pán)因受力而引起的變形進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，由此可知，正常運(yùn)行過(guò)程中受力將使密封盤(pán)有過(guò)大的變形，進(jìn)而也就會(huì)造成密封盤(pán)的失效。 目前還有一種可能，就是由于密封盤(pán)輕微變形但還沒(méi)有達(dá)到失效，流體介質(zhì)進(jìn)入密封盤(pán)間造成密封盤(pán)表面開(kāi)裂而失效，事實(shí)證明這類(lèi)情況較多。

對(duì)于隔膜密封換熱器和螺紋鎖緊環(huán)式換熱器來(lái)說(shuō)都是高溫、高壓臨氫的裝置，里面的介質(zhì)都是腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)， 比如介質(zhì)成分包含氫氣、硫化氫、氨氣及水蒸氣等混合物，這些氣體在密封盤(pán)表面不僅發(fā)生化學(xué)腐蝕，而且發(fā)生電化學(xué)腐蝕。 如果介質(zhì)中有氫氣， 還會(huì)發(fā)生物理腐蝕——?dú)錃獾姆肿又睆椒浅Ｐ。軡B入到不銹鋼中不斷擴(kuò)散，并且越積越多，最終在鋼中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力使鋼產(chǎn)生微裂紋，裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展，從而使密封盤(pán)失效。

如果介質(zhì)中硫化氫氣體和水蒸氣同時(shí)存在的話，水蒸氣會(huì)增強(qiáng)硫化氫的電離程度，同時(shí)水也會(huì)產(chǎn)生微弱的電離，電離出氫離子，氫離子和氫氣一樣會(huì)在鋼中擴(kuò)散，很容易聚集在一起形成氫氣，促使密封盤(pán)產(chǎn)生微裂紋。 氨氣對(duì)很多金屬都具有腐蝕性,氨氣極易溶于水形成氨水，氨水發(fā)生電離使溶液呈堿性， 這樣氨水中就含有H2O、NH3、NH4+、OH-和少量H+。 所以，氨氣腐蝕金屬的本質(zhì)是較活潑的金屬容易被氨水中的氫離子氧化，且在堿性條件下加速了這一氧化過(guò)程，同時(shí)一些較不活潑的過(guò)渡金屬被氧化后會(huì)形成氨的配離子，從而加速了金屬的氧化腐蝕［19，20］。究其本質(zhì)而言， 鋼中的夾雜物是誘發(fā)材料腐蝕的萌生源，夾雜物的類(lèi)型、尺寸、數(shù)量和分布會(huì)嚴(yán)重影響鋼材的耐腐蝕性能［21］。

5 結(jié)論

5.1 密封盤(pán)在加工工藝合理的前提下，前期主要失效是因?yàn)槊芊獗P(pán)在運(yùn)行過(guò)程中受力而引起小變形，流體介質(zhì)通過(guò)密封盤(pán)變形縫隙進(jìn)入密封盤(pán)之間造成了腐蝕。 因此，主要失效形式是密封盤(pán)發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)等腐蝕產(chǎn)生的微裂紋而造成的失效。

5.2 密封盤(pán)在加工工藝合理的前提下，因受力過(guò)大引起密封盤(pán)變形而泄漏。