尿素高压设备齿形垫应用探讨.pdf

2023 年 6 月肥料与健康47 DOI:10.3969/j.issn.2096-7047.2023.03.011尿素高压设备齿形垫应用探讨王锡海,王嘉浩(重庆建峰化工股份有限公司 重庆 408601)摘 要:介绍了二氧化碳汽提法尿素装置高压设备齿形垫的结构和工作原理。根据齿形垫原始设计要求,结合齿形垫在实际应用中出现的 316L 金属芯变色、按规范操作预紧力回装齿形垫后出现泄漏等问题,分析了原因,提出了相应的改进措施。关键词:二氧化碳汽提法;尿素;高压设备;齿形垫;应用;改进中图分类号:TQ441.41文献标志码:B文章编号:2096-7047(2023)03-0047-04Discussion on Application of Toothed Gasket in Urea High Pressure EquipmentsWANG Xihai,WANG Jiahao(Chongqing Jianfeng Chemical Co.,Ltd.,Chongqing 408601,China)Abstract:The structure and working principle of the toothed gasket for the high pressure equipments of the carbon dioxide stripping urea unit are introduced.Based on the original design requirements of the toothed gasket and the problems encountered in its practical application,such as discoloration of the 316L metal core,leakage after reinstalling the toothed gasket with pre tightening force according to specifications,the causes are analyzed and corresponding improvement measures are proposed.Keywords:carbon dioxide stripping method;urea;high pressure equipment;toothed gasket;application;improvement作者简介:王锡海(1968),男,硕士,高级工程师,主要从事化肥装置设备维护管理工作; 重庆建峰化工股份有限公司(以下简称建峰化工公司)800 kt/a 尿素装置高压系统采用的是荷兰斯塔米卡邦公司的专利设备,设备运行温度为 140160,操作压力为 13.515.5 MPa。由于在尿素合成过程中产生腐蚀性较强的氨基甲酸铵,因此设备壳体采用复合材料,由耐腐蚀的内衬和承压的强度层构成,内衬采用 Safurex 超级双相钢,强度层采用低合金碳钢,在内衬和强度层之间设置泄漏通道。设备封头及人孔法兰密封面均为平面,一部分密封环由耐蚀材料堆焊加工而成,一部分密封环由耐蚀材料毛坯加工镶嵌而成。法兰密封垫采用耐高温、耐腐蚀的金属复合齿形垫,是一种金属与非金属的组合垫片。在斯塔米卡邦公司的工艺包中,专利商对齿形垫的使用有条件限制,如金属芯的再使用和垫片预紧力等均需满足一定的要求。但在实际应用过程中,按专利商的要求进行使用,往往会出现一些问题,如建峰化工公司尿素高压圈设备在检修结束回装垫片后,发生了法兰泄漏的情况,给装置的稳定运行带来了较大的影响。1 齿形垫的结构和工作原理 齿形垫是一种在金属芯表面带有锯齿形结构的垫片,垫芯一般选用金属材料,由精密车床在金属平垫片的两面加工成同心的锯齿槽,根据不同的介质,表面密封垫可选择柔性石墨、聚四氟乙烯48 肥料与健康第 50 卷 第 3 期(PTFE)、无石棉板或其他一些软金属,粘贴在金属芯的两面作为密封层,避免金属与金属的直接接触,防止法兰受损。斯塔米卡邦公司的专利设备使用的齿形垫,垫芯采用316L 不锈钢,表面密封层为 PTFE,结构见图 1。316L 材料本身具有较强的耐腐蚀性,即使 PTFE 破损,对垫片的整体影响也不大。PTFE具有较好的耐高温性和良好的耐腐蚀性,能够完全适应含氨基甲酸铵的尿素高压圈环境。图 1 齿形垫结构齿形垫使用时,法兰螺栓会给垫片施加一个预紧力 P,见图 2。预紧力对密封面施加压紧载荷,产生压紧应力,使金属垫芯产生弹性变形,非金属外皮 PTFE 被压入齿形槽中,形成多道平面密封,填补密封面间隙,堵塞泄漏通道,达到密封效果。螺栓预紧力的大小须满足使用温度、压力 和压强温度乘积值的要求。图 2 齿形垫工作原理2 斯塔米卡邦公司的技术要求 二氧化碳汽提法尿素装置的高压圈设备包括汽提塔、洗涤塔、池式冷凝器、合成塔,设备封头法兰和通行人孔法兰的密封面、密封垫设计要求为:齿形垫必须设置在设备双相钢堆焊层或成型环表面;齿形垫支撑密封环或堆焊层厚度至少达到 6 mm,且必须与设备碳钢壳体牢固结合,见图3;支撑密封环或堆焊层密封面拉伤后可以重新加工;支撑密封环或堆焊层材料强度和耐腐蚀性不能低于设备衬里材料;垫芯在使用后未受到损伤,可以重复使用。图 3 齿形垫安装位置 在斯塔米卡邦公司的高压专利设备中,汽提塔设计有上下两个相同的封头通行口,洗涤塔设计有上封头、下封头、人孔等 3 个不同的通行口,池式冷凝器设计有 1 个人孔通行口,合成塔设计有 1 个封头通行口,各通行口法兰密封齿形垫规格见表 1。从表 1 可知,高压设备齿形垫的垫芯采用 表 1 尿素装置高压圈设备齿形垫规格设备名称部件名称规格/mm材质汽提塔封头齿形垫 964/306316L+0.5 mm PTFE洗涤塔封头齿形垫 1 384/406316L+0.5 mm PTFE洗涤塔人孔齿形垫 654/256316L+0.5 mm PTFE池式冷凝器 人孔齿形垫 1 064/306316L+0.5 mm PTFE合成塔封头齿形垫 854/256316L+0.5 mm PTFE6 mm 厚 316L 金属材料,外皮采用 0.5 mm 厚2023 年 6 月王锡海等:尿素高压设备齿形垫应用探讨49 PTFE,垫片外径根据设备情况取值,垫片宽为2540 mm,以满足各设备密封要求。为更好地达到密封效果,斯塔米卡邦公司还根据设备的运行温度、操作压力,规定了设备水压条件和运行参数下螺栓单位面积预紧力 P(见表2),同时提出了各法兰螺栓的预紧顺序和预紧步骤。表 2 螺栓单位面积预紧力项目上紧步骤单位面积预紧力 P/MPa水压试验操作条件汽提塔封头63.239.2101.262.8126.578.5126.578.5洗涤塔上封头74.348.3118.877.3148.596.6148.596.6洗涤塔下封头69.745.3111.472.5139.390.6139.390.6洗涤塔人孔56.136.589.858.4112.273.0112.273.0池式冷凝器人孔60.041.596.066.5120.083.1120.083.1合成塔封头45.730.273.148.491.460.491.460.4 从表 2 可知,水压试验与操作条件下的齿形垫螺栓预紧力之间存在差值,这是考虑水压试验螺栓预紧力为 1.25 倍设计压力乘以应力修正系数的结果。3 齿形垫应用中出现的问题及原因3.1 金属芯材质劣化 建峰化工公司尿素装置高压圈设备齿形垫使用后,PTFE 外皮破损,316L 金属芯基本完整,无大的腐蚀和变形,但靠近内圈的颜色变黑,锯齿变脆失去弹性,表明使用后的齿形垫垫芯材质已劣化,见图 4。其原因是齿形垫靠近介质的内圈,在高温介质作用下,细薄的齿顶温度突升和突降产生淬火效应,导致锯齿变脆失去弹性。尽管斯塔米卡邦公司的规范中有垫芯未受到损伤的情况下可以继续使用的规定,但垫芯材质若劣化,表明垫芯已受到伤害,如果继续使用,大概率会出现泄漏。建峰化工公司要求对已用过的垫芯作废弃处理,不再使用。图 4 使用后的齿形垫3.2 操作预紧力作用下的泄漏 垫片若要达到较好的密封效果,必须施加一定的预紧力。按斯塔米卡邦公司的操作规范要求,水压试验和操作条件下应分别施加各自的螺栓预紧力。但在实际应用中,检修后采用操作条件下的预紧力回装齿形垫,多次出现设备外漏,见图 5。图 5 运行中的高压设备出现泄漏究其原因,主要是齿形垫的螺栓预紧力不足引起的。经加压试验,结果表明采用 80%以上的水压试验螺栓预紧力,可以达到理想的密封效果,且预紧力越大,齿形垫泄漏的可能性越小。3.3 预紧力增大对螺栓使用寿命的影响 预紧力增大、操作温度提高,必然对螺栓的抗50 肥料与健康第 50 卷 第 3 期拉强度产生一定的影响,影响程度由温升幅度和螺栓受力情况决定。尿素合成温度一般为 160 左右,实际的螺栓温升在 120 以下,且设备操作压力基本稳定,螺栓受静应力作用。金属材料抗拉强度与温度的对应关系见图 61。图 6 金属材料强度与温度的对应关系从图 6 可知,对于大多数的碳钢、铬钼钢和奥氏体不锈钢,抗拉强度极限随温度的变化大致可分为初始阶段、中间阶段和衰减阶段等 3 个阶段。初始阶段:温度较低,为 0180,抗拉强度极限随温度升高有一定下降,但碳钢、低合金钢由于时效硬化2,强度曲线先抑后扬。中间阶段:温度为 180350,抗拉强度极限随温度升高缓慢下降。衰减阶段:温度为 350 以上,抗拉强度极限急剧下降。尿素合成温度为 140160,4 台高压圈设备封头、人孔螺栓温升始终处于初始阶段,且螺栓材料为合金钢,温度的升高对螺栓抗拉强度极限的影响很小。因此,在静载荷下,预紧力增大对螺栓使用寿命的影响较小,可以满足使用要求。4 结语 齿形垫的应用情况说明,一味照搬规程或规范,有时起不到应有的作用,只有根据实际情况,不断调整修正,才能取得更好的效果。当前,各种规范较多,在使用时,要认识到规范的局限性,结合自身实际使用效果,不断加以改进。参考文献 1 庞建超,李守新,王中光,等.金属材料疲劳强度与抗拉强度一般关系C/中国力学学会,西安交通大学.中国力学大会 2013 论文摘要集.北京:中国力学学会,2013:98.2 陈志军.金属材料洛氏硬度 HRC 与抗拉强度 b关系的探讨J.太钢科技,1996(4):24-27.(收到修改稿日期 2023-04-24)欢迎订阅 2023 年肥料与健康 肥料与健康杂志是经国家新闻出版署批准,由上海化工研究院有限公司主办的学术期刊,国内统一连续出版物号 CN 31-2167/TQ,国际标准连续出版物号 ISSN 2096-7047。办刊宗旨:介绍肥料行业新发展、新技术、新成果,搭建学术交流平台,促进肥料、环境、安全的技术融合和进步,为促进肥料行业发展服务。肥料与健康杂志着眼于高质量发展、绿色发展的核心要求,依托上海化工研究院有限公司这一优质品牌及国家化肥质量监督检验中心(上海)、全国肥料和土壤调理剂标准化技术委员会等专业技术优势,引导肥料产业技术创新方向,促进肥料行业安全、环保、健康的技术融合与进步,形成产、学、研、政共同合作的服务平台,为实现绿色、美好农业以及满足人民群众对美好生活的追求而贡献力量。本刊内容可供肥料研发、生产、流通、施用、环境研究、医学健康等领域的专业技术人员、高等院校师生以及各级行政管理部门的管理人员参考。肥料与健康为双月刊,大 16 开,72 页,国内外公开发行,每期定价 12.00 元,全年定价 72.00 元。全国各地邮政局已开始办理 2023 年肥料与健康杂志征订工作,邮发代号 4-232,请广大读者前往当地就近邮政局办理订阅手续,也可以直接向本刊编辑部订阅。联系地址:上海市云岭东路 345 号 邮政编码:200062 联系电话:[phone]肥料与健康编辑部