柴油加氢精制装置反应产物、低分油换热器法兰设计

20 化工设备与管道第39卷

柴油加氢精制装置反应产物、低分油换热器法兰设计

王翔

(金陵石油化工设计院,南京210033)

摘要关键词

本文介绍了120万吨/年柴油加氢精制装置反应产物、低分油换热器的法兰设计。

法兰设计选材垫片密封设计螺栓连接

1概述

120万吨/年柴油加氢精制装置是金陵石化公司“九五”期间“双加”工程建设项目和南京市99年重点技措项目之一。

反应产物、低分油换热器是该装置中的一台重要设备，其设计参数见表1。

表!

设计条件

设计壳程1.68Mpa设计壳程145C压力温度

管程222C管程6.0Mpa最高壳程1.5Mpa换热面积655m2

工作压力

管程5.6Mpa容器类别二类

介质

壳程低分油管程反应产物，循环氧

水压

试验

壳程2.1Mpa管程7.8Mpa

2.1法兰的选材

管、壳程法兰采用同样的结构参数，考虑到该换热器管、壳程压力及介质不同（见表1），壳程法兰选用16Mn锻件，管程法兰通过查纳尔逊曲线，选用15crMO钢锻件可以满足设计要求，两种材质法兰按要求均以IV级为合格，且硬度要求大于HB150。2.2垫片密封设计

垫片密封设计采用了图2所示密封形式。

2.2.1法兰的密封结构

法兰的密封结构形式如图2所示（作90 旋转）。

法兰未受预紧力时，垫片不发生变形，其状态如图当法兰受预紧力作用时，如图4所示，垫片和法3所示；

兰小凸台先接触，首先在法兰小凸台作用下发生局部塑性变形，然后在整个垫片宽度上保持弹性密封。

2法兰设计

本换热器公称直径DN1200mm，氢分压p=

没有标准法兰可选用，必须另行设计。为了3.8Mpa，

搞好法兰的合理设计，我们借鉴了某厂“120万吨/年加氢精制装置”的换热器法兰设计，按照现行标准规范，利用化工部钢制压力容器设计计算软件包SW6-97软件，对图1法兰进行了设计参数优化工作，具体结构参数如图1所示。

图2

图3(受力前)

2"2"2法兰密封垫片的受力计算

图4(受力后)

(1)垫片结构及力学性能参数

外径DO=1385mm，内径Di=1335mm，厚度SO=

材料为08钢，屈服限!硬度要求小3mm，S=195Mpa，于HB120，所受预紧力FG=16971120N。(2)垫片的局部塑性变形

法兰小凸台宽度J=3mm，和法兰小凸台接触处垫片面积S1=6408.9mm2；此时，若垫片所受压应力

图1

和法兰小凸台接触处垫片便会逐渐屈F!1249736N，

2002年第1期服，直至发生局部塑性变形。

由于FG远远大于F，故在预紧力作用下垫片发生局部塑性变形。

(3)垫片的弹性密封

和法兰小凸台接触处垫片发生屈服后，垫片和法兰接触处面积发生变化，设此时垫片受力面积为

S2，S2=106814.2mm2，垫片所受压应力!2=FG/S2=

158.9(MPa)，

此时!2<!S，故垫片处于弹性状态；垫片的预紧比压y1=124.1MPa，操作状态时的比压y2

应不小于33MPa(y2!mXPc,垫片系数m=5.5,计算压力Pc=6.0MPa)，此时保证了有效密封。

从某种意义上来说，形成了双重环密封。

!"!"#与其他形式密封垫片的比较

如前面所述，本换热器法兰为非标法兰，同样，也没有标准垫片可以选用。通过利用SW6计算软件，在法兰结构参数基本不变的条件下，对采用缠绕垫、金属包垫片密封形式法兰的受力情况，分别进行了计算（垫片几何参数参照国家有关标准、规范自己设定），结果表明，采用以上两种垫片形式，均需将法兰环厚度增加到205mm,而且即使法兰环增厚，其应力水平较本设计还高。详见表2。

表!

垫片形式

轴向许用应力径向许用应力切向许用应力

缠绕垫189MPa198MPa75MPa132MPa76MPa132MPa金属包垫189MPa198MPa75MPa132MPa76MPa132MPa金属平垫157MPa198MPa69MPa132MPa59MPa132MPa金属包垫片其加工、制造都较困难和复杂。

至于金属环垫形式，本设计中未加考虑，也因本换热器法兰尺寸较大，加工比较困难，费用也高，经济性和技术性不见优越。2.3螺栓连接设计

2"3"1螺栓数目的确定

为了使法兰设计力矩能控制在尽可能小的数值，螺栓中心圆直径应尽可能小。当螺栓中心圆直径确定后，在保证扳手空间的前提下，应基本遵循螺栓数目尽可能多的原则。这样，可改善法兰受力条件，使其应力水平进一步降低。表3为设计中不同螺栓

数目及直径的应力对比。

由表3看出，选用48个M48的螺栓受力情况最好，但考虑到本设备的重要性及现场的施工时的不

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可测因素，具体设计时选用了44个M56的螺栓。

表#

螺栓数目及法兰轴向应力及法兰径向应力及法兰切向应力及公称直径轴向许用应力径向许用应力切向许用应力48-M48128MPa198MPa56MPa132MPa48MPa132MPa44-M56157MPa198MPa69MPa132MPa59MPa132MPa36-M68

185MPa198MPa

79MPa

132MPa

71MPa

132MPa

2"3"2螺栓和螺母

(1)螺栓的选材及机械性能要求

螺栓材料采用35crMOA，对于大于M48的螺栓，按GB150要求进行调质处理（回火温度!550C），参照HGJ15—89表14

“紧固件用钢棒的机械性能”，对螺栓材料提出以下机械性能要求（见表4）。此外，对螺栓材料要求用电炉或平炉冶炼，要求以同炉罐号、同截面尺寸、同锻造工艺、同炉热处理为一批，每批至少两根坯条进行试验，在每根坯条上各取一组试样，进行机械性能试验，且逐件进行硬度试验。螺纹加工前后，逐根进行磁粉检测，不得有裂纹。

表$

!

b(MPa)!

S(MPa)"5(%)#(%)Ak(J)HB!805

!685

!13

!45

!63

234~285

(2)螺母的匹配及机械性能要求

螺母材料采用40Mn，按要求进行调质处理，布氏硬度HB235~250。

2"3"3螺栓的连接

螺栓预紧力不足，引起垫片的压缩量不足，往往是泄漏的主要原因。另一方面，过大的螺栓预紧力也会对垫片的密封性能产生有害的影响，过大的螺栓预紧力引起法兰盘产生过大的转角，使对垫片的压缩不均匀，甚至会使法兰压紧面的内侧与垫片分离，而其外侧则可能将垫片压溃，从而造成泄漏。

在设计工作中，我们强调，必须采用液压扳手拧紧螺栓，以保证法兰螺栓受力均匀；对所需扭矩进行了计算，按液压扳手使用说明书确定为4000NXm，施工中不得超过。另经有关文献调查表明，在拧紧螺栓时，至少有50%的扳手预紧力矩是用于克服螺母与法兰接触面间的摩擦，故在此之前应进行适当的润滑，这一点我们也作了要求。

参考文献

1《机械设计手册》

第三版第1卷，化学工业出版社2HGJ15—89

《钢制化工容器材料选用规定》，国家石油和化学工业局3GB150—1998

《钢制压力容器》，国家技术监督局4IBM—Pc机

《钢制压力容器设计计算软件包》，化工部设备设计技术中心站