歧化反应器的密封分析及计算

SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT安全、健康和环境歧化反应器的密封分析及计算
乔桢遴
(扬子石油化工股份有限公司,南京210048)
摘要歧化反应器属于高温、高压、临氢设备,其密封性能的好坏,将直接影响整个歧化装置的安全运行。

文章结合历年来歧化反应器催化剂更换和容检后的安装情况,对歧化反应器的密封进行分析,对螺栓的密封扭矩进行了计算,给出了最终扭矩控制值,供今后安装及维修时借鉴。

关键词歧化反应器螺栓载荷密封分析预紧力与扭矩计算
扬子石化公司芳烃厂制苯车间2台歧化反应器属于串联的径向反应器,处理量大,空速高,压降小。

属于Ó类压力容器。

该设备由西德鲁奇公司(LURGI)按AD规范设计,BREDA公司制造。

其中最后设计压力3.69MPa,设计温度530e,采用锻焊结构。

反应器内有24个扇形管,材质为10CrMo910,规格53860mm@9100mm@145mm,体积104m3,重量174.5t,整个反应器的接管法兰、大盖密封都采用材质为12CrMo195的八角垫密封。

1歧化反应器密封分析
歧化反应器结构见图1。

1.1密封的形成分析
八角垫圈密封主要是由于螺栓预紧力的作用,使得垫圈与法兰密封面紧密接触,垫圈发生微量的塑性变形并填满法兰密封面上微观凹凸不平之处,从而形成密封。

密封的关键在于如何准确地确定螺栓预紧力。

在密封形成过程中,螺栓载荷是起主要作用的。

螺栓载荷与密封关系见图2。

在刚开始预紧时,由于八角垫圈与梯形槽的加工精度有差别,四对密封面不可能同时接触。

随着螺栓载荷的增加,垫圈开始发生径向变形;如垫圈本身因运输、放置不当而翘曲,则垫圈还将发生扭转变形。

当螺栓载荷增大到某一数值时,垫圈和槽的四对密封面刚好完全贴合,此时螺栓所承受的载荷完全是用来克服垫圈与槽之间的配合偏差,其偏差越大,这部分载荷也越大,而它对密封的效果影响不大,我们称之为消耗载荷F消,但它直接影响到总的螺栓预紧载荷,因此F消越小越好,这就是要通过严格控制垫圈与槽的加工精度及正确的放置垫圈来实现。

值得注意的是:在安装时发现密封面上存在着轻微的划痕,往往采用局部研磨的方法加以消除,这对螺栓的预紧是不利的。

因为经过局部研磨后的密封面配合间隙增大,使得F消也增大,从而造成总的螺栓预紧载荷增加。

图1歧化反应器DC-501A/B结构图S1)))大盖下法兰;S2)))大盖上法兰;S3)))入口法兰;
S4)))出口法兰;S5)))催化剂出口盲板
图2螺栓载荷与密封状态关系示意图
本栏编辑李永兴
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随着螺栓载荷的继续增加,垫圈开始发生微量的塑性变形。

当螺栓载荷增大到F初时,法兰密封面上微观凹凸不平的地方全部被填满,这时密封开始形成,即达到了初始密封条件。

F初称为螺栓初始预紧密封载荷,在达到这一载荷之前,螺栓载荷与反应器的介质压力无确定的关系,当达到初始密封条件后,反应器内压开始建立,且与所需要的螺栓载荷存在着线性关系,即螺栓密封载荷随介质的压力升高而增加。

当螺栓密封载荷增大到F临时,八角垫密封在这一载荷的作用下,刚好能满足反应器介质压力下的密封要求,此时垫圈处于临界密封状态,所对应的螺栓密封载荷F临,称为临界预紧密封载荷。

再继续增大螺栓密封载荷,使其达到某一预先确定的数值F最,此时八角垫圈密封既能满足操作状态下的密封要求,又不因预紧密封载荷过大而失去径向自紧作用,处于最佳密封状态,所对应的螺栓密封载荷F最称为最佳预紧密封载荷。

如螺栓载荷再继续增大到F极时螺栓因所承受的载荷达到了其屈服极限而发生塑性变形,从而导致密封失效。

F极称为密封失效极限载荷。

因此对于螺栓处于高应力状态下(F最<F<F极)的密封而言,特别是长周期、高负荷运行的化工装置,这是非常危险的。

1.2影响密封的主要因素
影响密封的主要因素除螺栓预紧载荷之外还有垫圈本身的压缩)回弹性能和密封面的表面光洁度。

密封结构见图3。

在相同的线密封比压下,密封面表面光洁度越高(表面粗造度Ra值越小),其密封效果越好。

八角垫圈密封要求其密封面的表面光洁度在6~8,且决不允许有任何径向贯穿划痕,这样才能满足密封要求。

垫圈的压缩)回弹性能是由垫圈的自身材质(主要取决于材料的硬度)以及达到密封时螺栓密封载荷所决定的,它的好坏,将直接影响到在操作状态下能否满足垫圈与法兰之间的变形协调。

垫圈的压缩)回弹曲线,可以通过在预紧状态下,垫圈受预紧载荷作用的压缩变形和在操作状态下垫圈受介质压力作用的回弹性能的模拟试验求得。

垫圈在压缩时,不仅仅是弹性变形,同时还存在微量的塑性变形,以满足初始密封条件;垫圈的回弹性能随着材质硬度值的提高而提高,其回弹率越高,密封性能越好,但垫圈的硬度值过高将会增加螺栓的预紧密封载荷,所以对垫圈来说,要具有良好的回弹性能,同时硬度值也不宜过高,一般垫圈的硬度值要比法兰密封槽的硬度值至少低30HB。

2螺栓密封预紧力的分析
螺栓联接在操作状态下,不但要承受预紧载荷的作用,还要承受工作的载荷的作用。

从理论上分析,螺栓所承受的总拉伸载荷,并不等于预紧载荷与工作载荷之和,而应为残余预紧载荷与工作载荷之和。

见图4。

从图上的几何关系,可以推出螺栓预紧力的计算公式:F预=F残+(1-C K)F I。

式中F预为理论推导值,在实际运用中,还要考虑因摩擦系数波动,扭矩扳手误差,螺纹表面润滑状态等因素引起F预的离散性以及被联接件表面压陷对F预的影响,因此对上式加以修正:
F预=A[F残+(1-C K)F I+$F沉]
式中:
C K:螺栓的相对刚度,,金属垫片一般取0.2~0.3;
F I:工作载荷,,n为螺栓数量,D为垫圈中径,P为设计压力;
A:预紧系数,它与螺栓的预紧方法,与螺纹表面润滑状况有关。

$F沉:被联接件压沉而减少的螺栓载荷。

上式中$F沉的计算可按下式进行:
$F沉=D X#C F#C K
在式中,压沉量D X指的是:当螺栓载荷加载到最终密封载荷时,螺纹联接件的各接触表面(螺纹面、密封
图3八角垫梯形槽密封结构图图4螺栓联接受力变形图
C K=
D m
D m+D b
F I=
P
4n
D2P
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面、螺母支承面)均存在一定的塑性变形,停止加载之后,由于最终密封载荷的持续作用,该变形在很小范围内还将继续发展,这一变形发展值即为D X ,在数值上,
它应为螺纹联接件各接缝处压沉量与螺纹压沉量之和。

表面光洁度越高压沉量越小,通常螺纹压沉量为
5L m,每个接缝处压沉量为2~4L m 。

法兰的刚性系数:式中:
D 0:螺母环外径;d 0:螺栓孔径;L :螺栓夹紧长度;
E F :法兰材质的弹性模量。

螺栓预紧力的计算过程:
计算所需参数见表1。

首先计算歧化反应器大盖S 1(S 2)的预紧力:工作
载荷:
F 残=1.5F I =1.5@106434=159651N
法兰刚度系数:
$F 沉=D x #C F #C K =17@10-6
@1696@0.2=5768N
F 预=A [F 残+(1-C K )F I +$F 沉]
=1.4[159651+(1-0.2)@106434+5768]=350793N
用同样的方法计算得:
S 3(S 4)接管预紧力:F c 预=248242N S 5接管预紧力:F d 预=48244N 3螺栓密封扭矩计算
根据理论分析,螺栓所受的密封扭矩应为所有
摩擦阻力矩之和。

螺栓联接的摩擦阻力矩由两部分
组成:一部分是螺旋副间的摩擦阻力矩(M 1);另一部分为螺母环端而与法兰支承面间的摩擦阻力矩(M 2),因此,螺栓密封扭矩M 应为M =M 1+M 2。

3.1螺旋副间摩擦阻力矩M 1的计算
螺旋副间的受力分析如图5。

一般认为水平切向力P c 是作用在螺纹中径上的,这样螺旋副间的摩擦力矩M 1即为:M 1=P c #d /2=(d 2/2)F 预t g (K +U )=G #F
预
式中:
d :螺纹中径;K :螺纹升角;P c :水平切向力;
F I =P
4n
D 2P =
3.144@20(0.85725)2@3.69=106434N C F = 3.14@206@106
4@0.65@[(0.114+0.6510)2-0.792
]
=1696MPa #m
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C F =P #E F
4#L
[(D 0+L /10)2-d 02
]图5螺旋副受力分析图
接管内径mm 螺栓规格d 1@L /m m
垫圈中径D /m m
螺母环外径D 0/mm
螺栓孔径d 0/mm
S 1(S 2)762S 3(S 4)609S 5
152.4
53d@650521/2d@480511
/8d@200
857.25692.15211.1511493417966.527
预紧系数A
螺栓相对刚度C K
设计压力P/MPa
压沉量D X /mm
弹性模量E F /GPa
1.41.41.40.20.20.2 3.693.693.69171717206206206螺栓数量
接管法兰等级
垫圈型号
材
质
F 残取值
202012
900900600
R102R78R45
螺母:A193Gr4
法兰:10Crmo910垫片:12CrMo195螺栓:A193Gr16
1.5F I 1.5F I 1.5F I
表1DC-501A/B 技术参数
C F =P E F 4L [(
D 0+L 10
)2-d 02
]
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U :螺旋副的当量摩擦角;t g U =f v ;
f v :当量摩擦系数。

其中。

3.2螺母环与法兰支承面间的摩擦力矩M 2的计算
在螺母环形面上取一微圆面积:见图6。

ds =2P Q d Q ,那么作用在ds 上的正压力为:dN =F
预
/P (R 2-r 2)#ds ;作用在微圆面积ds 上的
摩擦力为:dF =f #dN ;因此螺母环形面与法兰支承面间的摩擦阻力矩M 2为:
式中:
f :螺母环形面与法兰支承面的摩擦系数,f =0.15;r o :诱导摩擦半径。

r o =2/3#(R 3
-r 3
)/(R 2
-r 2
)=1/3(D 03
-d 03
)/(D 02
-d 02
)
因此螺栓所需的预紧密封扭矩M 为:
M =[d 2/2t g (K +U )+1/3f (D 03-d 03)/(D 02-d 02
)]F 预。

3.3螺栓预紧密封扭矩计算过程
DC-501A/B 螺栓预紧扭矩所需参数见表2。

M 2=R r
Q dF =f #F 预#(23)(R 3-r
3
R 2-r
2)=f #F 预#r o 安全技术与管理
F max =
0.8@206@3.14@0.0762
2
412+3[tg (1b 42c +8b 32c )#
2@0.0723030.0762]2
=647558N
接管内径mm 螺纹升角K 当量摩擦角U 螺纹中径d 2mm
d 2/2tg(K +U )Gmm
f #r o mm 摩擦系数S 1(S 2)762S 3(S 4)609S 5152.4
1b 42c 1b 42c 51c
8b 32c 8b 32c 8b 32c
72.30366.37625.052
6.635.542.07
7.15.872.74
0.150.150.15
表2DC-501螺栓预紧扭矩参数表
G =d 2
2tg(K
+U )M max =F m a x [d 2/2t g (K +U )+1/3f D 03-d 0
3
D 02-d 0
2]=F m ax [G +fr 0]
=647558[6.63+7.1]@10
-3
=8891N #m
代入数据:S 1扭矩:M 1=(6.63+7.1)@10-3
@350793=4816N #m;
S 3扭矩:M 2=(5.54+5.87)@10-3@248242=2825N #m;
S 5扭矩:M 3=(2.07+2.74)@10-3@48244
=232N #m
4螺栓的最大预紧力Fmax ,最大密封扭矩M max ,最大安装扭矩M L max 的确定
在预紧时,螺栓不但要承受由预紧力产生的拉伸应力的作用,而且还要承受由螺旋副间摩擦阻力矩M 1产生的扭转应力的作用。

根据第四强度理论可以求出螺栓所能承受的最大预紧载荷:
式中:
R t
0.2:为螺栓屈服极限,R t
0.2=206MPa;d 1:为螺栓公称直径,mm;
d 2:为螺栓纹中径,mm 。

S 1(S 2)大盖最大预紧力为:
S 1(S 2)大盖螺栓承受的最大预紧密封扭转力矩:
为了防止在预紧过程中,各种因素(摩擦系数、扭矩板手误差等)的变化引起预紧扭矩的波动,保证螺栓所受的预紧载荷不超过屈服极限的0.8倍,在安装时,必须严格控制螺栓的预紧扭矩,安装所允许的最大安装扭矩控制在:
M 1=[d 2/2tg (K +U )+1/3f D o 3-d o
3
D o 2-d o 2]F 预
=[G +f #r o ]F 预
图6螺母与法兰支承面结构示意图
注:Q )))微圆任意横断面的半径;d Q )))积分变量
F max =0.8R t 0.2P /4d 21#{12
+3[t g (K +U )#2d 2d
1]2}
-1/2=
0.8R t
0.2(P /4)d 2
1
12
+3[t g (K +U )#2d 2d
1]
2
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M L max[0.9M ma x=0.9@8891=8000N#m
同理的方法计算出:
S3(S4)接管的最大预紧力为:
M c ma x=4700N#m
M L max[0.9@4700=4231N#m
S5接管的最大预紧为:即下料口盲法兰的预紧力:F预=95.165N,最大预紧的扭矩值为:
M ma x=458N#m
M L max[0.9@458=412N#m
5安装应该注意事项
a)在歧化反应器大盖复位前,必须严格检查各密封面的完好程度,对于个别位于密封面上较深的径向贯穿划痕,应避免采用局部研磨的方法。

如在法兰密封面上,可采用轻型法兰加工机床进行光刀加工;如在密封八角垫上,可采用整体研磨的办法加以消除或更换新垫圈,以避免螺栓消耗载荷的增加。

b)在组装前,对所有的密封面和八角垫要进行着色探伤,在确认无裂纹或其它缺陷的情况方面可组对。

c)歧化反应器大盖最终扭矩取8000N#m是合理的。

最大承受预紧密封扭转力矩为9000N#m。

d)歧化反应器所有法兰螺栓的最终密封扭矩必须控制在0.9M max值以内,否则过大就会将密封面压成凹坑。

e)密封扭矩的计算值与实际值有偏差,这是因为螺栓的预紧载荷存在着离散性所致。

它与很多因素有关:摩擦系数的变化,拧紧方法,扭矩扳手的误差等。

f)用扭矩扳手预紧螺栓,螺栓同时要受拉伸应力和剪切应力的作用。

如用液压拉伸器预紧,则螺栓只受单项拉伸应力作用,且螺栓所受的载荷将大大减少(约30%)。

g)若密封面经过光刀后必须用经过校验过的铁素体仪进行检查,以保证从表面起3mm内的材料符合耐磨蚀性的要求。

h)组装前,密封面、八角垫必须用丙酮溶液清洗干净,不能有脏物落在密封面上。

i)人孔大盖、接管法兰吊装要平稳、缓慢,防止下落时产生卡塞现象。

人孔盖就位后,其密封面和塔体法兰的密封面以及八解垫在用液压紧御装置加压前应基本均匀贴紧。

j)人孔盖、接管上的螺栓孔周围的外表面的主要螺母平面应平整无毛刺,否则会影响垫圈的均匀受力。

k)为拆御方便,在主螺栓的螺纹应涂刷二硫化钼。

6参考文献
1Rin g j oint g askets and g rooves for steel p i p e flan g rs.ANSI B16.20-1973
2金力强#扬子石油化工.1992,(4):36
3王立业#石油化工设备.1986,(11):3
Analysis and Calculation of Sealing
o f Dis p ro p ortionation R eactor
QIAO Zhenlin
(Aromatic H y drocarbon Plant,Yan g zi Petrochemical Company,Ltd,Nanjing210048)
Abstract:The dis p ro p ortionation reactor is a kind of h y-droforming plant with high temperature,high pressure, the impermeability of the reactor directly affects the safety o p eration of the whole set reactor.Based on catal y st re-work and fixing situation after volumetric proving from man y y ears'ex p eriences,the sealin g situations of dis p ro-p ortionation reactors are anal y zed,the mom ents of torsion of bolts for sealing are calculated,the final control value of moment of torsion is obtained and can be used as re-f erence for later works of fixing and maintain.
Ke y words:dis p ro p ortionation reactor;bolt load;im p e-r meabilit y anal y sis;calculation of p restress and m oment of torsion
安全技术与管理
F预m ax=
0.8R t0.2(
P
4
)d1c2
12
+3[t g(K+U)#
2d2c
d1c]。