熱管鍋爐隔板密封結構探討及優化設計

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

隨著節能減排工作的深入推進，熱管作為一種高效傳熱元件得到了廣泛應用。熱管式鍋爐以其特有的優勢，在余熱回收、低品位熱能利用等方面發揮了重要作用。

隔板密封結構是熱管中間隔開冷、熱流體通道的密封裝置。由于熱管管外一般帶有強化傳熱的翅片，因此熱管與隔板之間的密封結構便成了熱管鍋爐的一個設計難點，其密封效果對鍋爐性能及可靠性有重要影響。關于隔板密封，國內外都進行過大量的研究，提出了許多密封形式，但均存在密封不嚴、拆裝不便、造價高及需要專用模具等問題，在一定程度上限制了熱管式換熱器的廣泛應用。除此之外，由于密封結構的缺陷而經常導致冷熱流體泄漏，從而引發裝備腐蝕問題。

1 熱管密封隔板結構和設計要求

1.1 熱管及其密封隔板的基本結構

隔板上密布著按一定方式排列的熱管，由于熱管要穿過隔板，在隔板兩側均有一定的長度，因此導致了隔板制造的特殊性和安裝的復雜性。熱管及密封隔板的基本結構如圖1所示。

圖1 熱管及其密封隔板

1.2 密封結構的設計要求

冷熱流體泄漏是熱管鍋爐的常見故障之一，造成泄漏的原因主要有兩方面：一是加工精度不夠，密封面存在各種形狀及尺寸偏差，導致其聯接處產生間隙；二是密封結構兩側流體存在壓力差，冷熱流體通過間隙而泄漏。密封結構的作用就是切斷冷熱流體的泄漏通道。

為了提高換熱效率，熱管換熱器的管間距一般較小，又要求管子便于拆卸，因此這種密封結構有其特殊性，給設計和制造帶來了一些困難。使用場合不同，需要的密封結構設計也不相同：熱管鍋爐等氣液換熱設備和不允許相混的氣氣換熱設備，流體之間要求嚴格密封，必須采用螺紋密封或者焊接密封；熱管空氣預熱器等用于廢熱回收的流體密封則屬于一般性密封，可以采用卡環密封、面密封或螺紋密封[1]。

2 熱管隔板的密封方式

2.1 螺紋墊片密封

2.1.1 螺紋墊片密封的特點

螺紋密封的特點是結構簡單，制造、安裝方便，利于傳熱。熱管上的套管螺紋起到固定作用，只需配備簡單的專用工具，即可方便地拆裝任何一根熱管，適用于需要經常更換熱管的場合。

要實現熱管的螺紋墊片密封，通常是在熱管上焊一段帶外螺紋的套管，在隔板的通孔處加工內螺紋或者直接焊接螺母。由于熱管鍋爐高溫側流體溫度較高，為避免螺紋在高溫下損壞，一般設計中會把螺紋布置在冷流體中加以保護(見圖2)。設計經驗表明：安裝時在螺紋上涂極細顆粒的鉛粉，安裝后在螺紋密封部位涂高溫防銹漆，有助于此后的檢修拆卸。

圖2 螺紋墊片密封示意

2.1.2 螺紋密封結構中的密封圈選擇

螺紋密封結構中的密封圈應盡量選用O形圈，因為O形圈的密封效果優于普通密封墊片。O形圈密封結構示意見圖3。

密封圈材料和形式的選擇應考慮密封要求、承壓能力、介質腐蝕性和適用溫度等方面的因素，其中適用溫度是首要因素。不同密封墊片材料的適用溫度見表1[2]。

圖3 O形圈密封結構示意

表1 不同密封材料的適用溫度

2.1.3 螺紋墊片密封的缺點

采用傳統的螺紋密封結構,雖然能滿足熱管拆換方便的要求，但由于腐蝕和變形等原因，其使用壽命有限。因為螺紋有縫隙存在，也容易出現冷熱流體的泄漏，這些均影響了熱管鍋爐的可靠性和經濟性。

2.2 傳統的焊接密封

2.2.1 傳統的焊接密封結構特點

焊接密封是一種可靠的密封方式，可以做到安全、牢固、無泄漏;但這種方式僅僅適用于一端無翅片的熱管，其結構形式如圖4所示。為了焊接的安全性，熱管壁需要一定的厚度，同時應加一段焊接套管。采用電弧焊密封時，熱管和套管的壁厚不得小于2 mm[3]；采用釬焊密封時，對兩者的壁厚沒有嚴格要求。

圖4 套管焊接密封示意

2.2.2 傳統焊接密封結構缺點

由于熱管密集排列，現場焊接操作困難，因此熱管冷側無翅片的一端長度受限。另外，焊接密封完成后，熱管更換將非常困難，不利于后續檢維修操作。

3 熱管鍋爐隔板新型密封結構設計

3.1 新型套管焊接密封結構設計

熱管鍋爐一側走高溫煙氣，另一側為被加熱的水，需要可靠的密封結構。針對熱管鍋爐設計出的新型套管焊接密封結構如圖5所示。

圖5 新型套管焊接密封結構示意

先把密封套管焊接在隔板上，嚴格控制焊接質量，從而起到密封抗壓的作用，隨后把熱管的光管一端插入套管中。為了方便安裝熱管并保證良好的傳熱性能，在插入熱管前，套管里填充導熱性能良好的潤滑脂類物質。在此基礎上可以采用雙重管板，起到隔離密封的作用。

3.2 新型密封結構對傳熱的影響

從圖5可以看出，由于有整體套管的存在，會增加冷側的熱阻，對傳熱效率帶來一定的影響。分析認為，熱阻的增加是極其有限的，其對總換熱系數UH影響很小，可用式(1)分析計算。

(1)

4 結 語

分析了熱管鍋爐隔板密封的特點和現有密封結構的缺點，設計了一種密封性好、可靠性高、方便檢修更換的熱管鍋爐隔板密封新結構。這種結構能夠有效解決鍋爐冷熱介質泄漏造成的能量損失和設備腐蝕問題，同時滿足高溫高壓安全穩定運行的要求。分析計算了該結構的傳熱特性，為今后熱管鍋爐隔板密封結構的設計和制造提供了新思路。