螺紋鎖緊環換熱器結構分析

徐福勝 李春濤

（中航黎明錦西化工機械（集團）有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125000）

1 常見的換熱器多為大法蘭型式，這種換熱器結構簡單，用于中低壓操作，能夠很好地保證密封性能，但在高溫高壓情況下，尤其是在設備大型化后，這種型式換熱器的大法蘭連接螺栓將受很大的載荷，難以保證管殼程的密封。而且螺栓很大，給緊固和拆卸帶來很大的困難。近年來加氫裂化裝置中經常用到螺紋鎖緊環換熱器。螺紋鎖緊環換熱器的優點是密封可靠，生產維護簡便，能及時排除設備運行中的泄露。相對于大法蘭結構還有以下優點：

1.1 管箱和殼體是一體的，消除了法蘭型換熱器在設備法蘭處容易泄露的問題。

1.2 去掉了大法蘭，殼程接管能盡量地靠近管板，避免了法蘭型換熱器有一段換熱管不能有效利用（死區）的問題，增大了有效換熱面積。

1.3 管束抽出時不必移動管箱和殼體部件，可以把換熱器的接管與管線相焊，減少泄露點。

螺紋鎖緊環的密封結構如圖1所示，從圖1可以看出，管箱上管程密封墊片的壓緊力是通過下列零件的傳遞來實現的：螺紋鎖緊環上3的外壓圈緊固螺栓2--外壓桿5--外壓環9--密封盤10壓緊外密封墊片11。換熱器操作時隨時可以緊固外壓緊螺栓而消除管程泄露。管程和殼程之間密封墊片的壓緊力傳遞途徑是：內壓緊固螺栓1--內壓桿6--內壓圈8--密封盤10--壓環12--卡環13--內筒壓蓋15--內筒16--內密封墊片17。設備運行時若發現管程和殼程串漏可通過上緊內壓環螺栓1，推動內壓桿6，內壓環8，有彈性的密封盤10，將力傳到壓環12而推到卡環13再通過內套筒壓緊內密封墊片14。可見螺紋鎖緊環換熱器的維護簡單靈活，在不停車時既可及時消除管殼程之間的泄漏。以減少不必要的停車所帶來的損失。

2 大螺紋設計是螺紋鎖緊環換熱器設計的關鍵之處。大螺紋承受著管程和殼程的綜合載荷。螺紋鎖緊環換熱器一般采用的是AISI B1.8標準的15/16in的短齒梯形螺紋。該螺紋具有嚙合高度大（不小于6mm），抗剪、抗彎能力大的特點。特別適用于螺紋鎖緊環換熱器。大螺紋的標準公差范圍較寬，因螺紋用在高溫的環境下，如果配合公差不合理，就有內外螺紋旋合過松或過緊的可能，嚴重的情況螺紋可能咬死。因些設計螺紋公差時，充分考慮螺紋鎖緊環和管箱螺紋之間的徑向膨脹間隙和其它相關因素。根據制造廠的制造經驗和現場設備的使用經驗，確定一個合理的公差值。長期以來，一直認為螺紋的齒數越多越好，而根據計算結果，對于整個端部螺紋來說承壓最大是靠近管箱內部的少數齒，其它的齒承受的力越來越小。因此，整個端部螺紋每個齒受力不一樣，即力不能均勻地分布在每個齒上，這也是這種換熱器的不足之處。螺紋鎖緊環換熱器的管板采用壓差設計，按GB151中U形管換熱器進行計算即可。這樣能使管板的厚度大減薄，既減少了材料也控制了換熱器的體積。值得注意的是在操作過程中管殼程的壓差在任何情況下都不能超過設計壓差。必要時可在設備的醒目位置設一警示牌，以提醒工作人員的注意。

螺紋鎖緊環換熱器管箱的受力不同于一般的受壓筒體，管箱內部承受管程內壓，而管箱端部承受著傳遞到螺紋上的全部載荷，管箱端部將產生很大的彎矩，如果不進行應力校核，而直接用內壓計算筒體壁厚，會由于剛度的不足，造成端部變形，引起主螺紋失效。因此先給定管箱厚度，計算出管箱端部最小截面的彎矩來校核彎曲應力和軸向拉伸應力。為防止管箱端部變形。管箱筒體厚度應滿足計算應力要求并適當取厚，同時主螺紋的個數也應比實際計算的多取幾個。這樣就能有效地控制管箱端部變形并保證主螺紋不失效。

卡環限位在管箱的凹槽內，其作用是裝配時通過擰其上的內部螺栓以達到管殼程間的密封，殼程試壓時它還可以起到試壓環的作用。由于裝配的需要，卡環設計成分瓣的。卡環的設置雖然給制造帶來了復雜性，但增了實際操作的可靠性。

墊片的選擇主要是考慮墊片的密封性和回彈性。管、殼程間的密封墊片有的采用波齒復合墊，也有的采用W形高強纏繞墊。波齒復合墊是采用特殊結構的金屬骨架與柔性石墨復合而成。金屬骨架的上下表面有相互錯開的特殊形狀的同心圓溝槽形成的波齒。金屬骨架上下表面復合一層柔性膨脹石墨，構成整體復合墊片。在一定的預緊力下石墨層與密封面緊密接觸而實現密封。同時環形波齒還具有多道密封的作用。早于特殊構造的波齒環就象一道彈性元件。具有壓縮回彈性能。柔性石墨作為密封面具有良好的密封性能。工程實踐中應用效果良好。

結語

現在慈溪博格曼密封材料公司已攻關研制出耐高溫、高壓、大直徑W形膨脹石墨纏繞墊。它是采用W形不銹鋼帶和柔性石墨纏繞而成。W形高強纏繞墊片與普通V形纏繞墊片相比具有回彈性強，穩定性好，密封性能優越的特點。一般大直徑纏繞墊片在制作過程中易散架和翹曲。而W形高強纏繞墊片由于采用W形鋼帶而增加了與填充料的結合面，從而增加了墊片的穩定性。墊片在使用過程中與不銹鋼件緊貼，回此W形高強纏繞墊片中的膨脹石墨的S、CL等離子的含量極低，并在高純石墨中摻入少量緩蝕材料，避免石墨材料與金屬之間的電位差腐蝕。W形高強纏繞墊片與其它常用的高溫高壓金屬墊相比，具有制作簡單，密封面要求低、密封可靠等優點。在螺紋鎖緊環換熱器上有廣泛的應用。

[1]GB151-1999《管殼式換熱器》.

[2]GB150-1998《鋼制壓力容器》.

[3]《石油化工設備技術》.