高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)介紹與選用

王治剛，羅永智，陳體科，李向前

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高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)介紹與選用

王治剛，羅永智，陳體科，李向前

（蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

密封結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和選用是保證換熱器安全、有效運行的關(guān)鍵。介紹了高壓換熱器的金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)、隔膜密封結(jié)構(gòu)、Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)、螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)，主要從結(jié)構(gòu)構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特點、密封原理及選用原則4個方面進行了概括總結(jié)，為同類設(shè)備提供了選用及設(shè)計參考。

高壓換熱器；密封結(jié)構(gòu)；工作原理；選用原則

換熱器作為在煉油、煤化工等行業(yè)中廣泛使用的壓力容器[1]，為滿足工藝操作條件，生產(chǎn)制造、檢修等要求，必須進行非常全面的設(shè)計，密封結(jié)構(gòu)的正確、合理設(shè)計就是重要環(huán)節(jié)之一。對于一般的中低壓換熱器，采用《熱交換器》（GB/T 151—2014）[2]標準中“法蘭+墊片”的常規(guī)密封結(jié)構(gòu)就可以滿足設(shè)計要求；但對于高壓換熱器，密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計并非易事。基于以上原因，筆者結(jié)合工程經(jīng)驗，對高壓換熱器上廣泛采用的金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)、隔膜密封結(jié)構(gòu)、Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)和螺紋鎖緊環(huán)式密封結(jié)構(gòu)進行了概括分析，為以后的工程設(shè)計提供了參考和借鑒。

1 金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過設(shè)備法蘭連接，法蘭與管板之間采用金屬環(huán)墊密封，在螺柱的預(yù)緊力作用下形成強制密封[3]，具有一定的自緊密封作用。金屬環(huán)墊有八角墊和橢圓墊兩種，通常采用八角墊。

圖1 金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)特點

金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有：①結(jié)構(gòu)簡單，制造、拆裝容易，安裝時，將金屬環(huán)墊安放在密封槽中，依次錯開上緊螺栓即可。由于該結(jié)構(gòu)零件少、結(jié)構(gòu)明確，也容易判斷泄露位置。②金屬環(huán)墊已經(jīng)標準化、系列化，技術(shù)非常成熟，便于工程設(shè)計和應(yīng)用，也容易采購。③金屬環(huán)的材料一般選用不銹鋼或碳鋼，在高溫、高壓、介質(zhì)波動小的工況密封可靠。

金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)的缺點有：①密封環(huán)直徑越大，加工難度越高，拆裝越易產(chǎn)生變形錯位，密封性能越不易得到保證；②墊片系數(shù)和比壓都比較大，計算時需要很大的螺栓預(yù)緊力，設(shè)備法蘭和管板的規(guī)格都比較大，最終導(dǎo)致設(shè)備造價高，經(jīng)濟性不好；③壓力、溫度波動大時，密封處易泄漏；④設(shè)備直徑不宜過大；⑤金屬環(huán)施加到密封槽的楔式力較大，密封槽底部易撕裂損壞。

1.3 工作原理及選用

金屬環(huán)安裝在環(huán)形密封槽內(nèi)，擰緊設(shè)備螺柱，在螺栓預(yù)緊力的作用下，金屬環(huán)的兩側(cè)面與法蘭密封槽的兩側(cè)面接觸并貼合，從而達到密封效果。在操作工況下，密封面間會發(fā)生相對分離現(xiàn)象，造成密封比相對下降。但是，金屬環(huán)在內(nèi)壓作用下徑向擴張，與密封槽的斜面更加貼緊，增強了密封性，屬于半自緊密封結(jié)構(gòu)。

綜合上述結(jié)構(gòu)特點，金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)選用原則一般遵循表1的規(guī)定。

表1 金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)選用原則

壓力/MPa溫度/℃設(shè)備直徑/mm使用工況 ≤35≤500≤800波動小

2 隔膜密封結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

隔膜密封結(jié)構(gòu)如圖2所示，密封盤與管箱端部焊接，管箱法蘭蓋在背面對密封盤進行支撐，管箱法蘭蓋通過螺栓與管箱端部連成一體，從而達到密封效果。隔膜密封盤材料一般選用不銹鋼或者鎳基合金，如S32168、UNS NO8825等。

2.2 結(jié)構(gòu)特點

隔膜密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有：①結(jié)構(gòu)較簡單、制造周期短、成本較低，除密封盤外，其余零件加工難度相對較小；②管箱與密封盤采用焊接密封，承壓能力強，密封性能可靠；③檢修時不需特殊工裝，也不需要拆動管線。

隔膜密封結(jié)構(gòu)的缺點有：①管箱法蘭蓋受力差、直徑大、厚度較厚；②管箱端部鍛件尺寸較大；③密封盤焊接時操作空間受限，難度大；④開停車過程中溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮效應(yīng)，密封盤焊接處易產(chǎn)生裂紋；⑤密封盤與管箱端連接處存在縫隙，易形成縫隙腐蝕；⑥檢修時須先切割密封盤焊縫，檢修后需再次焊接。

圖2 隔膜密封結(jié)構(gòu)

2.3 工作原理及選用

管箱法蘭蓋承受內(nèi)壓作用并最終傳遞給設(shè)備主螺栓，預(yù)緊力由主螺栓提供，密封盤與管箱端部采用焊接連接，徹底切斷介質(zhì)的泄漏通道，實現(xiàn)可靠密封。

綜合上述結(jié)構(gòu)特點，隔膜密封結(jié)構(gòu)選用原則一般遵循表2中的規(guī)定。

表2 隔膜密封結(jié)構(gòu)選用原則

壓力/MPa溫度/℃ 設(shè)備直徑/mm使用工況 ≤20≤450800～1 400 滲透性強，有波動

3 Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)

3.1 結(jié)構(gòu)組成

Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要通過Ω環(huán)與法蘭、Ω環(huán)與管板以及Ω環(huán)之間的焊接進行密封，Ω環(huán)瓣與設(shè)備法蘭的凹形密封面及管板密封面組焊，最后兩瓣Ω環(huán)在環(huán)殼處組焊在一起。

圖3 Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)構(gòu)特點

Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有：①結(jié)構(gòu)簡單，Ω環(huán)殼直徑小、受力良好，可以承受較高的壓力，密封性能可靠；②拆卸不需要特殊工裝，檢修方便；③此結(jié)構(gòu)屬于無墊片密封，墊片系數(shù)和比壓可以近似取0，設(shè)備法蘭和緊固件的尺寸相對較小，經(jīng)濟性好；④Ω環(huán)壁薄、軸向變形強，在溫度、壓力存在波動和設(shè)備結(jié)構(gòu)變形不一致的工況下能實現(xiàn)密封[4]。

Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)的缺點有：①Ω環(huán)組焊時要求高度對中，錯邊量要求非常小，零件加工以及組焊要求較高；②受螺栓干擾，結(jié)構(gòu)限制，Ω環(huán)殼焊接有難度；③檢修時需先將Ω環(huán)處切割分開，完畢后再進行Ω環(huán)組焊，反復(fù)使用一定次數(shù)后需要更換；④Ω形密封環(huán)底部容易積液，會導(dǎo)致密封環(huán)腐蝕而失效。

3.3 工作原理及選用

利用回轉(zhuǎn)殼受壓性能好的原理，設(shè)計制作Ω環(huán)密封元件。管板與法蘭厚度較厚，剛性較大，利用Ω環(huán)壁薄、軸向變形能力強的特點補償管板與法蘭自身剛性較大的缺點，避免設(shè)備在溫度、壓力波動大的工況以及設(shè)備結(jié)構(gòu)變形不一致的情況下影響密封性能。通過Ω環(huán)、法蘭與管板焊接，使密封元件成為一個整體，將介質(zhì)與環(huán)境隔絕，達到密封的目的，屬于無墊片密封。

綜合上述結(jié)構(gòu)特點，Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)選用原則一般遵循表3中的規(guī)定。

表3 Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)選用原則

壓力/MPa溫度/℃ 設(shè)備直徑/mm 使用工況 7～32≤450600～1 500 滲透性強，波動大

4 螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)

4.1 結(jié)構(gòu)組成

螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)根據(jù)管、殼程壓力不同分為高-高壓型和高-低壓型，當管、殼程均為高壓時，采用高-高壓型，管程為高壓、殼程為低壓時，采用高-低壓型。此兩種密封型式的結(jié)構(gòu)相似，高-低壓結(jié)構(gòu)螺紋鎖緊環(huán)只針對管程密封結(jié)構(gòu)，相對簡單一些；而高-高壓結(jié)構(gòu)的管程與殼程密封均通過螺紋鎖緊環(huán)式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，高-高壓螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)如圖4所示。高-高壓結(jié)構(gòu)為雙重密封結(jié)構(gòu)，殼程密封通過內(nèi)部螺栓壓緊分程箱傳遞到管板實現(xiàn)殼程密封，如果內(nèi)部螺栓失效，擰緊內(nèi)圈壓緊螺栓，可以保證殼程密封[5]。螺紋鎖緊環(huán)式密封結(jié)構(gòu)所有內(nèi)件都是從管箱端裝入，最后用工裝旋入螺紋鎖緊環(huán)，上緊壓緊螺栓實現(xiàn)密封。螺紋鎖緊環(huán)式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要有以下內(nèi)件：壓緊螺栓、頂銷、螺紋鎖緊環(huán)、壓蓋、壓圈、密封盤、壓環(huán)、內(nèi)套筒、內(nèi)部螺栓、分合環(huán)、定位環(huán)、分程箱等。

圖4 高-高壓螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)

4.2 結(jié)構(gòu)特點

螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有[6]：①密封性能可靠，殼程密封采用雙重保護，在使用過程中發(fā)生泄漏，可再次擰緊內(nèi)、外圈壓緊螺栓增加預(yù)緊力，阻止泄漏；②整個密封系統(tǒng)從管板到螺紋鎖緊環(huán)逐件壓緊實現(xiàn)密封，具有回彈性，密封性受溫度、壓力波動影響小；③管線在檢修時不需拆動；④壓緊螺栓規(guī)格較小，受力均勻；⑤全機械拆裝，不需要動火焊接；⑥工作載荷通過螺紋鎖緊環(huán)等內(nèi)件傳遞給管箱。

螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)的缺點有：①零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計和組裝有非常嚴格的要求；②內(nèi)件屬于機械加工零部件，精度高、工序復(fù)雜、成本高；③內(nèi)件大多采用鍛材，造價高，經(jīng)濟性差；④拆裝須采用特殊工裝，維修較復(fù)雜；⑤高-高壓結(jié)構(gòu)殼程密封是通過管箱內(nèi)件實現(xiàn)的，不易判斷內(nèi)漏環(huán)節(jié)。

4.3 工作原理及選用

內(nèi)壓引起的軸向力通過管箱內(nèi)件作用到螺紋鎖緊環(huán)上，最終作用至管箱筒體。高-高壓結(jié)構(gòu)殼程的密封通過擰緊分合環(huán)上的內(nèi)部螺栓實現(xiàn)，管程密封通過擰緊外圈壓緊螺栓實現(xiàn)。在生產(chǎn)過程中，如果發(fā)現(xiàn)殼程介質(zhì)向管程泄漏，可擰緊內(nèi)圈壓緊螺栓，通過頂銷、壓緊環(huán)、密封盤、內(nèi)套筒、分程箱和管板壓緊殼程墊片，實現(xiàn)殼程在線密封。高-低壓結(jié)構(gòu)只有外圈壓緊螺栓，擰緊壓緊螺栓，通過內(nèi)件壓緊墊片，實現(xiàn)管程密封。

綜合上述結(jié)構(gòu)特點，螺紋鎖緊環(huán)封結(jié)構(gòu)選用原則一般遵循表4的規(guī)定。

表4 螺紋鎖緊環(huán)封結(jié)構(gòu)選用原則

壓力/MPa溫度/℃ 設(shè)備直徑/mm 使用工況 ≥10≤450600～1 800 滲透性強，波動大

5 結(jié)束語

高壓換熱器的密封結(jié)構(gòu)是影響設(shè)備安全運行的重要因素之一，在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)操作工況合理選用密封結(jié)構(gòu)。通過以上比較可以得出結(jié)論：金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)主要用于壓力和溫度不高、沒有波動且設(shè)備直徑較小的工況；隔膜密封結(jié)構(gòu)適用于壓力不高、溫度相對較高、有波動、腐蝕性小的工況；Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)適用于壓力和溫度相對較高、有波動、不易結(jié)垢的工況；螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)適用于壓力大、溫度高、直徑也相對較大、介質(zhì)工況復(fù)雜的工況。從經(jīng)濟性考慮，隔膜密封結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟，Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)次之，金屬環(huán)密封結(jié)造價相對高一些，螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)造價最高。

［1］全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.GB/T 150.1～150.4—2011 壓力容器［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［2］全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.GB/T 151—2014 熱交換器［S］.北京：中國國標準出版社，2014.

［3］崔振寧，李爽.高壓加氫換熱器密封技術(shù)分析比較［J］.化工設(shè)備與管道，2012，49（5）：18-20.

［4］郭曉嵐，范熙烜.Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)在高壓換熱器中的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備，2002，31（5）：51-52.

［5］劉念.螺紋鎖緊環(huán)換熱器的設(shè)計［J］.廣州化工，2013，41（15）：203-205.

［6］勵國輝.φ1 600 mm螺紋鎖緊環(huán)換熱器的設(shè)計［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2003（02）：1-4.

2095－6835（2018）23－0056－03

TH49；TB42

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.056

王治剛（1987—），男，甘肅會寧人，工程師，工學(xué)學(xué)士，一直從事壓力容器設(shè)計和制造技術(shù)工作。

〔編輯：王霞〕