氨合成塔出口废热锅炉焊唇密封结构泄漏与修复探讨

职统宝 (长江大学研究生院,湖北 荆州 434023)中石油塔里木油田分公司塔西南公司化肥厂,新疆 泽普 844804

氨合成塔出口废热锅炉焊唇密封结构泄漏与修复探讨

职统宝 (长江大学研究生院,湖北 荆州 434023)中石油塔里木油田分公司塔西南公司化肥厂,新疆 泽普 844804

焊唇密封结构是氨合成塔出口废热锅炉上的重要部件。论述了焊唇密封结构并分析其泄漏原因(包括螺栓预紧力发生变化后达不到设计要求、频繁开停车导致垫亢在应力的反复作用下开裂泄漏、焊缝存在缺陷等),详细阐述了焊唇密封结构的修复方案(对封头和管极的密封面打磨后进行堆焊修复、使用角磨机对密封面进行粗磨修平并用丙酮清洗、使用自制的研磨工具对堆焊部位再次修平)及实施过程。检修后焊唇密封结构没有出现泄漏现象,表明制定的解决方案是可行的,能够为化工企业处理类似问题提供参考。

氨合成塔;废热锅炉;焊唇密封结构

塔西南化肥厂氨合成塔出口废热锅炉(123-C)是由日本德机公司生产的U型管换热器,壳侧为高温高压的合成气(氢气、氮气、氨气、甲烷气和氩气),设计压力15.7MPa,温度482℃。管程为精致水和蒸汽,设计压力14.135MPa,温度345℃。由于壳程介质为高温高压的氢、氮气,为减少和降低泄漏风险,在筒体与封头连接处采用焊唇密封。自2002年开工运行以来,氨合成塔出口废热锅炉焊唇密封结构(简称焊唇密封结构)运行良好,2012年6月氨合成塔升温操作时该密封突然泄漏着火,装置被迫提前停工检修。下面,笔者对焊唇密封结构泄漏原因分析与修复处理问题进行了探讨。

1 焊唇密封结构简介

焊唇密封是在2个法兰面之间,不加软垫片,采用特定形式的金属环和上下法兰面通过焊接进行密封的一种密封形式。由于焊唇密封采用焊缝彻底切断了泄漏通道,和其他密封形式相比,焊唇密封具有使用周期长、结构可靠、密封严密性高、不易泄漏等特点。图1所示为焊唇密封结构图,包括3个焊接密封点,其中W1为金属密封环1与筒体焊点,W2为金属密封环2与封头焊点,W3为上下2片密封金属环之间的焊点。该焊唇密封结构的上、下密封面表面粗糙度为Ra1.6,该接触面虽然不起密封作用,但有节流减压的效果,在一定程度上缓解了高温高压气体对唇部焊缝的直接冲击,延长了焊缝的使用寿命。垫片材质为INCOL600,具有较强的抗腐蚀性,垫片中间增加0.5mm的柔性石墨,具有一定的补偿作用,在负荷变化较剧烈的工况下起到保护唇形焊口的作用[1]。此外,焊唇密封结构抗疲劳能力强,多用于操作中温度、压力剧烈波动的设备,如氨合成塔大盖等存在明显温差应力和交变应力的部位。

图1 焊唇密封结构图

2 焊唇密封结构泄漏原因分析

2012年6月氨合成塔升温操作时焊唇密封结构突然泄漏着火,装置被迫提前停工检修。对泄漏部位进行渗透检查,总结原因如以下几个方面[2]:

1)螺栓使用时间长,通过多次升降温变化,螺栓预紧力发生变化,达不到设计要求。而垫片唇部厚度仅为5mm,正常情况下不承受轴向力,而当螺栓处于松弛状态时,使垫片在使用状态下受力,处于拉伸状态最终导致垫片开裂泄漏。

2)开停车时升降温、升降压速度过快,频繁的开停车,在法兰、螺栓、壳体间的温差应力作用下,使垫片受到应力的反复作用,最终在薄弱处开裂泄漏。

3)焊缝存在缺陷,在介质的长期腐蚀下开裂。

4)焊接过程中存在的气孔、经介质长期浸蚀穿孔。

5)金属密封环中的微裂纹,在介质压力作用下,随时间的延长,裂纹扩展开裂。

3 焊唇密封结构的修复

焊唇密封结构具体修复过程如下。

1)对封头和管板的密封面进行打磨,然后对已损坏的密封面堆焊修复。堆焊采用手工氩弧焊焊接方式,焊丝为ERNICr-3(∅2.0mm),焊接工艺参数如表1所示。在焊接过程中应注意以下具体事项:焊接最好采用氩弧焊,为防止根部焊道氧化,其背面应采用惰性气体进行保护;做好焊接区域的防护,保持工作环境干燥,注意挡风,以免空气侵入熔池后在焊缝中形成气孔;为防止焊接过程中产生裂纹,根据母材化学性能进行充分预热,控制好层间温度不大于100℃,焊接材料应严格烘干,并控制好焊接电流、电压和焊接速度,由此减小焊接残余应力;焊接后进行渗透检查,焊缝应无表面裂纹、气孔、熔合不良等缺陷,合格后再堆焊一层。堆焊过程中要求焊枪嘴与密封面在焊点处始终保持垂直,焊道中心始终位于最低点,保证熔滴不流淌。

表1 焊接工艺参数表

2)堆焊修复后的密封面使用角磨机进行粗磨修平,然后用丙酮清洗,确保焊补处无油污、脏物、锈渣等。

3)使用自制的研磨工具对堆焊部位进行再次修平,保证密封表面粗糙度达到设计要求。自制研磨工具采用40mm厚钢板,外圆直径993mm,内圆直径为943mm。圆环制做完毕后截取60°圆弧段,制作手柄2只,由此完成研磨工具的制作(见图2)。

此外,焊唇密封结构修复后的组装也十分重要,其具体程序如下:将筒体和封头密封面清理干净后,将金属密封环放置好并点焊到法兰面上,用压板将金属环压紧以防止焊接变形,再根据焊接工艺要求,完成焊缝W1和W2的焊接,焊后进行探伤检查;封头与筒体连接,法兰每隔2孔装1个螺栓,对称均匀把紧,同时检查两焊接元件的外缘焊口是否对正,间隙是否大小一致,然后用溶剂清洗处理W3的焊接部位;采用氩弧焊分2次完成焊缝W3的全部焊接工作,对焊缝经渗透检验合格后,按螺栓预紧要求,对称均匀地把紧螺栓。

图2 自制密封面研磨工具示意图

4 结语

根据氨合成塔出口废热锅炉上焊唇密封结构的具体组成,具体分析了该结构泄漏的原因并实施相应解决方案。现场施工表明,氨合成塔出口废热锅炉运行良好,焊唇密封结构再没有出现泄漏现象。今后,应确保焊唇密封结构的螺栓预紧力保持在正常设计范围内,同时优化开停车升降温操作和日常管理,最终使氨合成塔出口废热锅炉能够安全运行。

[1]HG20530-1992,钢制管法兰用焊唇密封环[S].

[2]陈立魁,杨瑞增,陈晴.焊接密封的结构及应用[J].润滑与密封,1998,32(5):48-50.

[编辑]李启栋

TQ055

A

1673-1409(2014)25-0064-02

2014-04-12

职统宝(1972-),男,高级工程师,硕士生,现主要从事化工设备管理方面的研究工作。