溫度應力對環式換熱器殼程密封結構的影響

余勝麟

螺紋鎖緊環式換熱器最早是由美國雪弗龍(Chevron)公司和日本千代田公司共同研究開發成功的。當殼程為低壓而管程為高壓時，采用H-L型，當管殼程均為高壓時采用H-H型。

這種換熱器的殼體與管箱鍛成或焊為一體，殼程側頂端為封頭，管箱端部用螺紋鎖緊環旋入，就像一個大的絲堵旋入管箱內。與法蘭式換熱器相比，其最大的一個特點就是把由內壓引起的軸向力傳遞到了螺紋鎖緊環和管箱端部螺紋上，而壓緊螺栓只提供墊片密封所需的壓緊力，一旦發生泄漏只需調節壓緊螺栓即可壓緊墊片。而傳統的法蘭式換熱器主螺栓由于需要同時承受內壓和壓緊力兩種負荷，在相同壓力下換熱器的螺栓非常大，法蘭面非常厚，不僅體積要遠大于螺紋鎖緊環換熱器，而且一旦發生泄漏難以進行緊漏。因此，螺紋鎖緊環式換熱器以其密封可靠、結構緊湊、泄漏點少、生產維護簡便、能及時排除設備運行中的泄漏等優點在加氫裝置中得到廣泛應用。

1 結構特點

H-H型螺紋鎖緊環式換熱器的優點是通過其獨特的受力及密封結構實現的（見圖1）。

（1）管程壓力的傳遞過程 管程內的壓力所產生的軸向力，由管箱蓋板通過螺紋鎖緊環的外螺紋和管箱的內螺紋傳遞給管箱筒體。

圖1 H-H型高壓換熱器管箱結構圖

（2）殼程壓力的傳遞過程 管板兩側壓差產生的軸向力，由管板通過分程箱套筒、分程箱支撐環、內法蘭螺栓、內法蘭、四合環傳遞給管箱凸臺。

（3）管程密封結構 由密封盤、外圈壓環、外圈頂銷、外圈螺栓、螺紋鎖緊環、管箱所組成。調節外圈螺栓的力矩時密封比壓將隨著改變，從而達到控制密封的目的。

（4）殼程密封結構 由管板、分程箱套筒、分程箱支撐環、內法蘭螺栓、內法蘭和四合環所組成。調節內法蘭螺栓也可控制密封面比壓。通常為使管程和殼程之間不串漏，密封墊片應充分壓緊，如在操作過程中發現有內漏現象時上緊內圈螺栓，使壓緊力由內圈螺栓、內圈頂銷、內圈壓環、壓環、內套筒、分程箱支撐環、分程箱套筒、管板傳遞到墊片上即可密封。

2 存在的問題

在對現役的H-H型螺紋鎖緊環換熱器進行檢修時，常能發現以下問題：

（1）分程箱套筒和管板接觸處開口，分程箱套筒變形嚴重。

（2）四合環變形嚴重，難以從管箱凹槽中拆卸出來。

（3）內法蘭螺栓無法拆卸，某些內法蘭螺栓在多重軸向力作用下，頭部被墩粗或彎曲。

經分析在運行過程中，分程箱套筒、四合環和內法蘭螺栓都受到3個力的作用：

（1）安裝時上緊力矩產生的壓緊力。

（2）殼程與管程介質壓力差產生的壓緊力。

（3）分程箱套筒與管箱筒體軸向熱膨脹量之差產生的溫度應力。

而且一旦發現有管殼程竄漏現象，還需要上緊內圈螺栓，使分程箱套筒又受到上緊內圈螺栓所產生的壓緊力作用。在這些軸向力的作用下，分程箱套筒、四合環和內法蘭螺栓先后發生變形，最終將會導致設備管殼程之間密封不嚴，管殼程內流體發生竄漏。

在分程箱套筒等內件受到的這些軸向力中，主要都是為了保證殼程密封而人為加載到設備上的，只有由分程箱套筒與管箱筒體軸向熱膨脹量之差產生的溫度應力是隨著設備溫度的上升自發產生的。因此內件所受過大軸向力必然是由此溫度應力導致的。

3 溫度應力的計算

為明確溫度應力對管箱內件的影響，以某HH型螺紋鎖緊環換熱器為例，對分程箱套筒與管箱筒體之間的溫度應力進行計算。為簡化計算，假設在常溫（25℃）時，管箱凸臺、四合環、內法蘭、內法蘭螺栓、分程箱套筒及管板之間處于緊密接觸狀態，而未施加額外的上緊力；在溫度升高過程中僅考慮分程箱套筒及對應長度管箱筒體的熱膨脹量，忽略四合環、內法蘭、內法蘭螺栓和管板及管箱筒體其余部分在軸向上的熱膨脹量，且暫不考慮殼程墊片的變形（見表1、表2）。

表1 H-H型螺紋鎖緊環換熱器參數

表2 分程箱套筒及管箱筒體的參數

當設備溫度從25℃升到設計溫度425℃時，分程箱套筒與管箱筒體同時發生熱膨脹，由于熱膨脹系數不同，兩者之間將產生溫度應力，其中分程箱套筒受軸向壓應力，而管箱筒體受軸向拉應力，分程箱套筒與管箱筒體軸向的應變增量相等，即ε1=ε2。

同理，管箱筒體的總軸向應變

代入，可解得軸向力F

式中，F—分程箱套筒與管箱筒體互相作用的軸向力（N）；ε1—分程箱套筒發生的軸向應變；ε2—管箱筒體發生的軸向應變；A1—分程箱套筒的截面積（mm2）；A2—管箱筒體的截面積（mm2）；E1—分程箱套筒的彈性模量（N/mm2）；E2—管箱筒體的彈性模量（N/mm2）；α1—分程箱套筒在25～425℃之間的平均熱膨脹系數；α2—管箱筒體在25～425℃之間的平均熱膨脹系數；t—設計溫度，425℃；t0—室溫，25℃。

則 F=41 641 413 N

常溫下分程箱套筒長度l=766 mm，則分程箱套筒的伸長量

分程箱套筒軸向應力

式中，σs1t—分程箱套筒設計溫度下的屈服強度

（N/mm2）。

因此，分程箱套筒在溫度和壓應力的作用下，軸向上仍然伸長4．5 mm，但由于所受壓應力大于其設計溫度下的屈服強度，盡管分程箱套筒總長增加，但實際上分程箱套筒被壓縮并發生塑性變形。一旦設備溫度降為常溫，熱膨脹量消失，分程箱套筒長度將小于原長，作用于殼程墊片上的壓緊力將減小，管殼程之間即會發生竄漏。

（2）由圖2可以看出，四合環與管箱凸臺接觸面的外徑為四合環的外徑減去四合環2倍的倒角，忽略倒角尺寸，四合環的外徑Do=?1 549 mm。

四合環與管箱凸臺接觸面的內徑為管箱凸臺的內徑加上管箱凸臺2倍的倒角，同樣忽略倒角尺寸，管箱凸臺的內徑為Di=?1 500 mm。

由此可以得出四合環與管箱凸臺的接觸面積

四合環和管箱凸臺所受到的壓應力為：

四合環的材料為0Cr18Ni10Ti鍛件，常溫屈服強度σs3為205 MPa，設計溫度下的屈服強度σs3t為118 MPa，四合環所受的壓應力遠大于其設計溫度下的屈服強度，四合環被壓縮發生塑性變形，所以在停工時難以從管箱中取出。

（3） 設備采用72個M48×3的內法蘭螺栓，螺栓的小徑為?44．752 mm，所有螺栓的截面積

內法蘭螺栓所受的軸向應力

內法蘭螺栓材料為SA－453－660B，常溫屈服強度為585 MPa，設計溫度下的屈服強度為517 MPa，許用應力為147 MPa，內法蘭螺栓受到的軸向應力也大于其設計溫度下的許用應力。

4 結語

可以看出，溫度應力對H－H型螺紋鎖緊環換熱器，尤其是對高溫下運行的H－H型螺紋鎖緊環換熱器影響極大，在設計此類換熱器時，對溫度應力的校核應是設計計算中的重要組成部分。

為了避免溫度應力引起分程箱套筒和四合環的塑性變形，可以采取以下措施：

（1）增大分程箱套筒的壁厚，減小分程箱套筒受到的壓應力。

（2）增大四合環的外徑，盡量減小四合環和管箱凸臺的倒角大小，以增大兩者的接觸面積，從而減小四合環受到的壓應力。

（3）改變分程箱套筒的材料，減小其熱膨脹系數，從而減小溫度應力，降低內螺栓、分程箱套筒和四合環受到的壓應力。

某些H－H型螺紋鎖緊環換熱器通過在分程箱套筒與管板之間增加一層墊片，利用墊片的變形吸收部分分程箱套筒的熱膨脹量，也能有效減小溫度應力。

從另一角度來說，超溫運行引起的過大溫度應力將會對H－H型高壓換熱器管箱結構造成不可逆的損傷，在實際生產中，應該嚴禁H－H型螺紋鎖緊環換熱器超溫運行。而先升溫后升壓及先降壓后降溫的開停車程序不僅能夠避免此類換熱器氫損傷，還可以借助溫度應力增大墊片的壓緊力。