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预紧碟形弹簧在催化余锅系统中如何应用?

发布者:厦门力常弹簧有限公司  发布时间:2019-07-10 23:37
 催化装置的设备和管道法兰密封问题,不仅涉及到节能和污染,而且关系到的装置的安全生产和长周期运行。随着工艺操作条件的越来越苛刻,同时,装置长周期运行的要求越来越高,设备和管道法兰密封问题就显得越来越突出。预紧碟簧在法兰密封中的使用,尤其是在余锅系统中的使用,取得了一定的效果,为装置的安全、平稳、长周期运行提供了保障。
  1.催化余锅系统法兰密封泄漏的原因
  造成法兰密封泄漏的因素很多,如法兰的质量不好,密封面的缺陷,法兰错位或倾斜,垫片缺陷,螺栓预紧不当,介质对垫片、法兰密封面的腐蚀,介质压力及温度的变化等。
  有统计显示,法兰密封泄漏,有50%~80%是由于螺栓预紧力下降造成的。一般,对螺栓施加的原始预紧力使其有一定的伸长量,并使垫片产生一定的压缩量,即形成一定的比压。但由于介质温度、压力变化或机械振动等原因,将使螺栓预紧力发生变化,密封比压下降而造成密封泄漏。催化余锅系统的法兰密封泄漏绝大部分属于此类。
  2.碟簧的工作原理
  针对法兰螺栓预紧力松弛这一现状,可在螺栓两侧或一侧安装预紧碟簧,以碟簧的微小变形量提供足够的预紧力负荷,从而降低法兰泄漏风险。
  碟簧的结构如图1所示。
图1

  图中,Do为最大外径,D1为最小内奸;Ho为碟簧总高度;h为碟簧行程;β为锥形角;t为碟簧厚度;R为底环半径。
  碟簧的压缩变形量f与预紧力p的关系:
碟簧的压缩变形量f与预紧力p的关系式 
  式中:μ为泊松系数 E为屈服强度 f为碟簧压缩量 M为比例因素,其中
M为比例因素的式子 
  μ和E取决于碟簧材质和热处理工艺;M取决于碟簧的结构形式,α=D1/Do。一般来说,α越大,碟形弹簧的刚度越大。
  3.碟簧的选用、安装注意事项
  H/t值的大小对碟簧的载荷—变形曲线有巨大的影响:当h/t≈0.4时,碟簧载荷—变形曲线近于直线,变形随负荷增大成线性增长;当h/t≈1.414,碟簧变形量f=0.8h时,负荷达到最大值,变形再增大时,负荷也不再增大,出现碟簧刚度趋近于零的区域;当h/t>1.414时,碟簧载荷—变形曲线呈抛物线状,跨过转折点后,随着变形量的增加,负荷反而减小,出现负刚度特性。
  显而易见,选用碟簧不能出现零刚度或负刚度特性,h/t应≤1.3,最好选用h/t≈0.4,即线性变形式碟簧。本文以下所述碟簧即以此为准。
  碟簧在选用和安装过程中还要充分考虑碟簧、密封、螺栓的各种受力,以保证碟簧预紧力与变形关系处于有效区域内。
  碟簧变形量与碟簧预紧力、密封所需最小预紧力、密封与螺栓屈服极限间的关系如图2.
图2 
  从图2,可以看出,当爹好预紧扭力小于密封所需最小预紧力时,密封无效。当按照正常螺栓扭力上进法兰时,碟簧与普通垫圈作用相同,无法起到有效补偿作用;当碟簧预紧力在建议最大、最小扭力之间时,螺栓预紧力可达到有效补偿;当碟簧预紧扭力大于正常最大扭力,甚至达到密封、螺栓的屈服极限时,就有密封压溃、螺栓拉断的可能,导致严重后果。
  碟簧的初始预紧复合可用下式求得:(图2下面的式子)
图2
  4.碟簧在二催化装置余锅系统的应用
  二催化装置外取热器上水出入口法兰及油浆蒸汽发生器换209管箱、大锅法兰在2004~2006年装置运行期间多次发生泄漏,不得不进行打卡子处理。其泄漏原因在于外取热器负荷的经常变化造成水汽的流量、压力波动。外取热器上水出入口法兰规格分别为DN10 PN100和DN80 PN100,螺栓型号分别为M27和M22(均为35CrMoA);换209型号为Φ1000X7547(250),管、壳程设计压力、温度分别为2.45MPa、370℃和5.39MPa、270℃,螺栓型号为M42和M36(均为25Cr2MoVA)。
  总之,使用法兰预紧碟簧解决泄漏问题,具有安装简单、补偿性强的特点,可有效改善法兰密封性能,治理法兰密封泄漏问题,降低维护、堵漏成本,确保装置的运行平稳、安全。
  高温碟簧针对不同螺栓的规格、材质设定预紧力,作为螺栓预紧力的补偿,在有效工作区域内,压力与行程关系为线性,其补偿力会随着螺栓预紧力的增加而增加,从而达到预紧的效果。
  一般情况下每个螺栓两侧或一侧安装一片高温碟簧就可以了,就能满足绝大多数情况下的变形补偿需要,特殊情况下,还可以采用多片碟簧组合的方式来进行补偿。
  高温碟簧材质的选用一般根据螺栓材质及回复力的要求来决定的,石化装置最常采用的材质是693F和20813,针对特殊场合,可采用不同的合金碟簧

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