Z-WASHER垫圈在乙烯裂解炉油急冷器上的应用

李华兵(中国石油四川石化有限责任公司生产四部，四川 成都 611930)

1 问题的提出

四川石化生产四部乙烯裂解装置8台裂解炉，采用7开1备运行模式，高温裂解气一次冷却采用锅炉给水，二次冷却采用急冷油冷却方式，油急冷器设计温度为675℃，设计压力0.35MPa，1-7号炉裂解气在此处被冷却至211℃，8号炉被冷却至283℃，然后进入下游装置。

裂解炉在升降温过程中，油急冷器处温度变化较大，开工以来，在升温后投油过程中，油急冷器上下法兰面经常发生泄漏，高温裂解气泄漏易着火，给装置安全、长周期运行造成隐患。且在裂解炉烧焦后投油过程中，油急冷器处急冷水改为急冷油冷却，也存在泄漏可能。因此，怎么解决油急冷器法兰面易泄漏问题成为革新的关键点。

2 问题的研究及方案实施

2.1 问题的研究

导致法兰泄漏的原因有很多，密封垫的原因要占一部分，连接面是否光洁要占一部分，但最主要的原因还是螺栓预紧力的影响，因为其最难控制。在使用传统紧固方式进行紧固时，诸如呆扳手、敲击扳手等工具，由于力臂的存在，作用力会对螺栓形成侧向偏载(如图1所示)，使螺栓螺母之间的摩擦力增大且无法预知，损失的扭矩也无法确定，加之螺纹啮合部分及螺栓螺母与被连接件之间的表面摩擦会增大扭矩的损失，从而无法做到精确的螺栓载荷。当温度、压力发生变化时，一圈螺栓的预紧力将发生不一致的变化，当螺栓预紧力不能满足垫片密封所需要的最小预紧力时即会产生泄漏。

图1 扳手类工具存在侧向偏载

通常在密封面及密封垫完好的前提下，影响密封连接可靠性的因素是螺栓预紧力的大小以及均匀性，而预紧力的大小又与装置的内压、温度以及密封垫的密封比压要求有关。通过深入的研究和比较，采用自反作用力垫圈(Z-WASHER垫圈)用于急冷器法兰连接，可以有效消除泄漏。

2.2 Z-WASHER垫圈原理

本次采用的Z-WASHER垫圈(如图2所示)，结构形式如一个普通的平垫，安装在螺母下面，其边缘带齿，上表面光滑，下表面有滚花。安装时通过专用的双层驱动套筒，双层驱动套筒的外层下方与自反作用力垫圈的外齿相啮合，使垫圈在转动过程中不发生转动。内套筒转动螺母时产生的反作用力通过外套筒传到垫圈的齿上被自动平衡，由于螺栓在紧固时没有偏载和弯矩，因此螺栓被轴向拉伸(如图3所示)。

图2 Z-WASHER垫圈图

2.3 Z-WASHER垫圈的优点

图3 Z-WASHER使用原理

(1)改变传统的扭力紧固方式的反作用力点，通过专用的双层驱动套筒外层与自反作用力垫圈的结合，使紧固过程中反作用力转移至垫圈上，拧紧力与反作用力沿螺栓中心相互抵消，因此紧固过程中没有偏载，不再需要额外的反作用力支点和防跟转扳手。

(2)由于没有偏载，紧固时需要克服的摩擦力通过人为的润滑可以得到均匀的值，可以预测和掌握。

(3)由于消除紧固过程中螺母与设备表面的摩擦，因此可以很好的保护设备表面。

2.4 力矩值计算

2.4.1 油急冷器上法兰

油急冷器上法兰如图4所示，油急冷器上法兰螺栓螺母参数如表1所示。

图4 油急冷器上法兰现场图

表1 油急冷器上法兰螺栓螺母参数表

根据计算结果，采用二硫化钼润滑，到螺栓屈服强度的75%，所需扭矩为1819NM。

2.4.2 油急冷器中法兰

油急冷器中法兰如图5所示，油急冷器中法兰螺栓螺母参数如表2所示。

图5 油急冷器中法兰现场图

表2 油急冷器中法兰螺栓螺母参数表

根据计算结果，采用二硫化钼润滑，到螺栓屈服强度的75%，所需扭矩为2330NM。

2.4.3 油急冷器下法兰

油急冷器下法兰如图6所示，油急冷器下法兰螺栓螺母参数如表3所示。

图6 油急冷器下法兰现场图

表3 油急冷器下法兰螺栓螺母参数表

根据计算结果，采用二硫化钼润滑，到螺栓屈服强度的75%，所需扭矩为2330NM。

2.5 方案实施

在请示领导同意后，采购了合适规格Z-WASHER垫圈。利用停炉检修机会及2018年大检修，对几台泄漏较频繁的油急冷器法兰面进行了安装。根据计算的扭矩，采用专用液压扭矩拉伸机、双层驱动套筒及自反作用力垫圈组成的无反作用力臂预紧力控制系统进行油急冷器法兰螺栓紧固，达到了力矩均匀且法兰平行闭合的要求。安装过程中，有滚花的一面要求对着法兰面，以减少螺母在温度变化时的松动。

3 应用效果

安装了Z-WASHER垫圈的油急冷器法兰，在历次升降温及投油过程中，基本上未出现泄漏。避免了因高温裂解气泄漏而导致的着火风险，减少了油急冷器泄漏而导致的非计划停炉次数，保证了装置的安全和长周期运行，经济效益显著提高。

4 结语

裂解人员开拓思路，大胆采用Z-WASHER垫圈，避免了因油急冷器频繁泄漏而产生的安全风险，同时，也减少了因泄漏导致的非计划停炉检修次数，延长了裂解炉运行周期，为乙烯装置创造了明显的经济效益。