特大型冷凝器法兰带压堵漏方案设计及应用_王绍祥.pdf

王绍祥，等特大型冷凝器法兰带压堵漏方案设计及应用王绍祥1，吴晓1，李进1，方楚桥1，吴志恒2（1.武汉纺织大学机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200；2.中海壳牌石油化工有限公司，广东 惠州 516086）摘要：E-4905B 苯蒸馏塔塔顶冷凝换热器的封头处发现有高温苯蒸汽泄漏，造成了极大的环境污染。为此，制定了周密的带压堵漏方案，对夹具关键零部件的强度和刚度进行了理论计算，并利用 ANSYS 的模拟结果与理论计算值进行对比和验证，确保了夹具的安全可靠性。最后，成功地对这个特大型 U 型管换热器封头实施了带压堵漏处理。施工结果表明该带压堵漏技术能够有效封堵高温苯蒸汽渗漏，消除安全隐患，具有施工周期短、安全环保、不污染地层等优点。关键词：ANSYS；夹具设计；有限元分析；带压堵漏中图分类号：TQ 055.8文献标志码：A文章编号：2095-817X（2023）01-0056-005随着我国油气管道进入蓬勃发展阶段，相关油气管道的泄漏问题也应受到重视。油气管道的泄漏容易对周边生态环境产生不良影响，现已成为环境污染的重要隐患之一 1-2。针对该泄漏的堵漏方法有调整堵漏、机械堵漏、带压堵漏及焊接堵漏。其中，带压堵漏技术更适用于管道破裂、阀门老化、法兰面泄漏等一般泄漏问题 3。带压堵漏技术是指在带压、带温或者不停车的情况下，选择或制造夹具在泄漏处形成新的密封腔并注入密封胶，止住泄漏的过程 4。该技术具有高效、高经济效益、安全可靠、操作简便等特点 4-5。中国带压堵漏技术发展于上世纪 80 年代 6，并取得了一定成果，目前国内已有多种带压堵漏技术。带压堵漏根据管道不同的泄漏位置（法兰、管身、弯头等位置），需分别应用不同的夹具 7。中海壳牌石油化工有限公司的苯蒸馏塔塔顶大型 U 型管冷凝器（E-4905B）管程管板前法兰处发生苯蒸汽泄漏，严重威胁到生产和人员安全，必须进行维修处理。由于生产不能停，为此，本文利用带压堵漏技术，设计了封堵夹具，通过理论计算和 ANSYS 对仿真分析，确保了夹具的功能和安全可靠性，最后对该大型 收稿日期：2022-11-27作者简介：王绍祥（1998），男，在读硕士，机械制造及其自动化方向。通信作者：吴晓（1972），男，教授，博士，现从事超塑性精密微成形技术、精密模具设计理论、机械设计及其自动化等方面的研究。U 型管冷凝器成功实施了带压堵漏。1 封漏方案设计两个法兰间隙在螺栓孔处是相通的，泄漏介质可在管程与壳程的间隙之间流通。为此，设计封堵维修方案时，重点考虑两个法兰与管板之间的间隙密封以及法兰封头螺栓孔的密封，密封剂选用高纯度石墨 胶。1.1 法兰间隙堵漏 基本工艺：设计两套夹具将两法兰与管板之间的间隙密封，通过注胶对泄漏封头的法兰间隙进行密封堵漏。夹具共 2 套，每套分 4 瓣圆弧结构。当注胶达到一定压力时，夹具易变形，严重影响堵漏效果，为此，本方案使用 8 个 M 型固定卡扣对两个夹具进行加固，保证了夹具的刚度和稳定性，如图 1、2 所示。当两套夹具都套装好后，分别在其上方钻出一定数量的注胶孔，然后通过注胶孔向内部注入密封胶，达到堵漏的目的。1.2 管板、法兰封头螺栓孔密封该封头有 80 根 1.3/8 螺栓，其中包含 60 根双头螺栓和 20 根凸缘螺栓，由于螺栓间隙太小（=2 mm），如果直接注胶需要很大的注胶压力（P 5 MPa），严重威胁设备安全。因此，本方案设计了专门的注胶接头，施工时，逐个拆下螺栓后，在螺栓两端安装螺栓注胶接头、锁紧螺母，利用注胶接头注胶，实现螺栓孔堵漏密封。这样，注胶压力可以控制在 1.6 MPa 以内，较好地保证了设备安全。其设计、56化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)装备应用与研究安装原理如图 3 所示。Di内径，Di=2 582 mm；Pc夹具设计压力，Pc=PL+5=6.85 MPa；PL泄漏介质的设计压力，1.85 MPa；t 泄漏介质设计温度下夹具材料的许用应力，取 116 MPa 8；焊接接头系数，取=1.0 8。将所得数据代入式（1）得：2116.78.6 mm16 856 852582=-=（2）考虑钢板的厚度附加量 C，取 C=3，得：t=+C=78.6+3=81.6 mm 制作的夹具经过除锈、去掉剥落层、加工光洁度后，为了足够的安全系数，我们取夹具厚度为 115 mm。2.2 夹具连接耳板厚度计算法兰夹具为 4 个连接螺栓时的计算公式如下 9：taCL PD32t=（3）式中 t夹具连接耳板厚度，mm；C夹具密封空腔的宽度，4mm；L2 耳板双螺栓孔中心至夹具外侧面距离，16 mm；D内径，2 582 mm；a夹具连接耳板宽度，80 mm；Pc、PL及 t含义及取值同上。将所有数据代入（3）式得：8034166.8519 mmt1162582=（4）选取一定的安全系数，为确保足够安全，采用了 40 mm 厚的连接耳板。2.3 螺栓直径计算安装完后，密封状态下夹具承受的径向张力 Fz由下式给出：Fz=PBr （5）式中 B夹具受力面沿轴向的宽度，4 mm；r夹具内侧圆弧半径，2 582/2 mm；P夹具设计压力，P=PL+5=6.85 MPa；PL同上。将所得数据代入式（5），得：Fz=6.852 582/24=35 373.4 N，则单个螺栓的轴向载荷 Fc为：.17686.7 NFnF235373 4cz=（6）为了夹具的密封性，在充满密封胶后螺栓所需残余预紧力：图 1 夹具加固示意图Fig 1 Diagram of fixture reinforcement图 2 夹具加固三维图Fig.2 3D diagram of fixture reinforcement图 3 螺栓孔注胶密封示意图Fig.3 Diagram of the bolt hole injection sealM 型固定卡扣定位环（焊接在夹具上）M 型固定卡扣夹具管程法兰壳程法兰管板螺栓注胶接头注胶2 夹具设计计算2.1 夹具厚度计算夹具厚度的计算公式如下 8：PP D2tcci=-（1）式中 夹具计算厚度，mm；57王绍祥，等.特大型冷凝器法兰带压堵漏方案设计及应用Fp=KFc （7）式中 Fp 单个螺栓在密封状态下的残余预紧力，N；K残余预紧力系数，取 K=1.6 9。则：Fp=1.6Fc=28 298.7 N （8）所以单个螺栓的总载荷 F0为：F0=Fp+Fc （9）螺栓强度校核：夹具联接螺栓强度.dF411 3012=（10）式中 螺栓拉伸应力，MPa；F0单个螺栓总拉力，N；d1螺栓最小径，mm；夹具螺栓材料在设计温度下许用应力，取 180 MPa 8，由（10）得：1.34dF10=（11）将已知数据代入式（11），得：3.141.34.20.56 md18045985 41=（12）为确保安全，选取 M27 粗牙螺栓为夹具联接螺栓，螺纹小径 d d1，强度能满足使用要求。其余部件（如 M 型卡扣/T 型卡扣）的设计，在这里不再一一赘述。3 关键零件有限元分析本次堵漏的关键零件为夹具和耳板连接螺栓，上文进行了理论计算，安全起见，利用 ANSYS 软件包对这两个零件做进一步有限元校核。3.1 几何模型建立上文提到所用夹具为两套，选取其中 1 套来作为本次分析模型。用 SolidWorks 建立夹具的几何模型并与管板形成装配体，之后导入 ANSYS 进行分析。夹具为 1/4 圆弧形状，内径为 2 582 mm，外径2 812 mm，宽度 38 mm。根据上文计算结果，夹具及其连接耳板尺寸如图 4 所示。夹具耳板之间采用两组螺栓连接，一套夹具共需 8 组。根据理论计算，螺栓选择 M27 粗牙螺栓，直径 27 mm，长度 120 mm。3.2 有限元模型及边界条件将上述建立的几何模型导入 ANSYS 软件包，添加材料并定义性能参数（管板与法兰选用普通结构钢，夹具选用 Q345R 结构钢，螺栓为合金结构钢35CrMoA）。利用 ANSYS 自动网格功能进行网格划分，并对耳板拐角处进行局部细分，得到最终有限元模型如图 5 所示，节点 126 857 个，单元 70 921 个。图 4 夹具螺栓连接Fig.4 Fixture bolting图 5 夹具装配体有限元模型Fig.5 Finite element model of the fixture assembly夹具耳板（110 mm80 mm40 mm）夹具（内径：2 582 mm外径：2 812 mm）管板连接螺栓约束：本次分析的关键是紧固夹具的变形与受力情况，管程法兰与壳程法兰远离连接缝的外侧端面几乎不参与受力分析，施加固定约束。载荷：对 4 个夹具的内侧圆弧面施加朝外的均布压力，压力值 P=6.85 MPa。3.3 分析结果（1）夹具仿真结果及分析求解后得到夹具的应力图和变形图（隐藏了中间管板及法兰），如图 6 所示。由图 6 的结果可知，4 个夹具在受到来自管内的压力时，最大形变量主要集中于夹具、管板还有法兰的连接缝周围，约为 3.1410-3 mm。四个夹具内侧紧贴于管板处的形变量整体处于 2.4410-3 2.7910-3 mm，最大应力值约为 12.16 MPa。分析结果可知，连接耳板和夹具内侧形变均小于密封胶填缝最低值（密封胶填缝范围：0.1 0.6 mm 10），可见密封胶不会溢出，满足带压密封的要求。夹具整体应力及最大应力值都远低于材料屈服强度（345 MPa），满足刚度要求。58化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)（2）连接螺栓仿真结果及分析如 图 7 所 示，隐 藏 部 分 夹 具 后，可 得 螺 栓的应力及变形云图。由结果图可发现最大变形集中于缝隙处，螺栓整体形变量不大，同样处于2.4410-3 2.7910-3 mm。所 受 应 力 值 较 低，在0.751 1.35 MPa。同理可知，螺栓所受应力及形变量低于材料屈服强度（835 MPa），满足刚度要求，形变量小于上文所提到的填缝范围，满足堵漏要求。4 结束语根据生产实践中出现的泄漏问题提出了大型蒸汽设备带压堵漏方案，对夹具等关键零部件进行了设计计算及计算机仿真模拟，以验证其性能。分析结果表明，夹具及其他封漏零件各项性能参数均满足设计要求。通过现场施工，成功实现高温苯蒸汽的带压堵漏任务，如图8所示。方案具有施工周期短、安全环保、不污染地层等优点，在大型容器带压堵漏施工技术的应用方面具有较好的参考价值。参考文献黄维和，郑洪龙，王婷.我国油气管道建设运行管理技术及发1 展展望 J.油气储运，2014，33（12）：1259-1262.赵汉青.我国油气管道的事故成因及环境预防措施 J.油气储2 运，2015，34（4）：368-372.田宝恩，马佳杰，秦建合，等.油库管道快速堵漏实用技术 J.3 油气储运，2013，32（9）：971-975.王建伟.运用带压堵漏技术解决设备维修难题 J.化工设备与4 管道，2010，47（4）：26-27.王敏.燃气管道泄漏的带压焊补与安全措施 J.化工设备与管5 道，2007，44（5）：55-56.胡忆沩.动态密封技术：泄漏与堵漏 M.北京：国防工业出6 版社，1998.张骥.管道的泄漏及带压堵漏夹具的设计 J.化工设备与管7 图 6 夹具应力及变形云图Fig.6 Clamp stress and deformation cloud diagram图 7 螺栓应力及变形云图Fig.7 Bolt stress and deformation cloud diagram图 8 封漏施工Fig.8 Leak sealing constructiona.应力图a.应力图b.变形图b.变形图59王绍祥，等.特大型冷凝器法兰带压堵漏方案设计及应用Design and Application of Plugging under Pressure Solution for Large Condenser FlangeWang Shaoxiang1,Wu Xiao1,Li Jin1,Fang Chuqiao1,Wu Zhiheng2（1.School of Mechanical Engineering and Automation,Wuhan Textile University,Wuhan,Hubei 430200,China;2.CNOOC and Shell Petrochemical Company Limited,Huizhou,Guangdong 516086,China）Abstract:High temperature benzene steam was found to leak from the head of condensation heat exchanger at the top of E-4905B benzene distillation tower,causing great environmental pollution.To this end,a thorough scheme of plugging under pressure was developed,the strength and stiffness of the key parts of the fixture were calculated theoretically,and the simulation results of ANSYS were compared and verified with the theoretical calculation values,to ensure the safety and reliability of the fixture.Finally,the plugging under pressure treatment was successfully implemented on the head of the superlarge U-tube heat exchanger.The construction results showed that the plugging under pressure technology could effectively plug the leakage of high temperature benzene steam,eliminate safety risks,and had the advantages of short construction period,safety and environmental protection,and no pollution of strata.Keywords:ANSYS;fixture design;finite element analysis;plugging under pressure道，2005，42（6）：36-39.HG/T 202012007，带压密封技术规范 S.8 机械设计手册编委会.机械设计手册 M.北京：机械工业出9 版社，2004.李广宇，李子东，袁素珍，等.胶粘与密封新技术 M.北京：10 国防工业出版社，2006.1.上海工程广西华谊项目全线投产2 月 28 日，广西华谊新材料 75 万吨/年丙烯及下游深加工一体化项目苯酚丙酮装置，迎来了全线投产开车一次成功。该装置由上海工程公司 EPC 总承包，是双酚 A 产业链中的重要生产装置，顺利投产将为下游双酚 A 装置正式投料创造有利条件。广西华谊新材料项目由上海华谊集团建设，是上海与广西深化合作、联动打造的“沪桂合作”的示范项目二期工程，项目建成投产后，对加快延伸钦州石化产业链、形成面向东盟的北部湾临海绿色石化产业集群、打造钦州国家级石化产业基地具有重要意义。近年来，上海工程公司坚持贯彻新发展理念，不断开拓外部市场，开辟新赛道，持续提升生产经营质量和效益的实际成效，以扎实的业绩推动公司实现高质量发展。（钟剑锋）60化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)