高溫高壓換熱器密封結構類型分析

周小錫，李麗麗，李科艷

(1.青島蘭石重型機械設備有限公司，山東 青島 266555；2.青島北船管業有限責任公司，山東 青島 266555)

0 引言

在煉油、煤化工等行業中廣泛使用的設備就是換熱器。而在其具體的運行過程中出于有效滿足工業操作、生產制造等諸多方面的要求需要對其進行全面合理的設計，而其中最為重要的環節之一就是密封結構的合理設計。對于一般情況下使用的中低壓換熱器而言，根據我國現行的有關標準中所規定的法蘭和墊片組合的常規密封結構就可以滿足換熱器自身在設計、運行方面的具體要求。但對于一些高溫高壓發射器而言，密封結構的設計則是需要根據實際的使用狀況做出針對性的設計[1]。

1 高溫高壓換熱器密封結構的類型分析

1.1 金屬八角環性質換熱器密封結構

這種密封結構從其本質上來說屬于強制性密封，因為自身在裝配、拆卸和維修等工作上有著較強的便利性，也是在煉油和加氫裝置中的高溫高壓換熱器中使用最為頻繁且廣泛的密封結構。在這種密封結構下，熱交換管箱和筒體二者屬于分體性質，并且在固定管板的時候，通過法蘭和螺栓的連接可以將之固定在殼體法蘭和管箱法蘭之間。而密封結構中所使用的密封墊片，則是在管線法蘭、固定管板、殼程法蘭三者之間夾持。并借助螺栓的緊固力來確保整個密封結構的密封力水平。

該種密封結構自身具備如下幾種優勢：第一，密封結構較為簡單，在生產制作安裝和維修的工作上具備著較大的便利性，并且對于熱交換器出現泄漏的環節判斷難度較低。第二，雖然該種結構屬于強制密封結構的一類，但具備一定程度的自緊密封作用。該種密封結構也同樣存在著如下幾種缺陷：第一，這類密封結構自身的密封面相對較窄，且鋼墊的彈性相對較小，同時對于溫度和壓力的數值波動較為敏感在安裝過程中對于預緊力的均勻性有著較高的要求。第二，在這種密封結構中，法蘭和螺栓需要同時承受密封預緊力和介質壓力。這也就意味著這個密封結構在處于工作狀態下的時候，很容易在管箱法律和殼程法蘭之間形成一個較大數值的彎矩。因為螺栓的荷載和計算壓力之間呈現出一個正相關關系，同時也與密封環墊的中徑數值的平方呈現正比關系。故此在熱交換器直徑數值越大的情況下，法蘭、螺栓的尺寸也會逐漸加大，而這也就意味著整體的密封結構造價會顯著的提高。

1.2 Ω環性質密封結構

該類的高溫高壓換熱器密封結構也被業界稱之為焊接密封，該種密封結構經過大量的實踐證明值得規模化應用及推廣，且其屬于非強制密封一類。同時，該種密封結構是以法蘭墊片密封結構作為基礎經過改良而得到的。其中所用的Ω形環是一種焊接結構的密封元件，是由兩個半Ω形環焊接組成的。該種密封結構密封原理如下：在在高溫高壓換熱器的法蘭和管板上分別將兩個半Ω形環焊接其上，在之后的組裝換熱器殼體及管箱部分工作中，針對兩個半Ω形環做出密封焊接，最終組成一個完整的密封結構[2]。在經過這一步操作之后，Ω環實際上就成為了管箱或者是殼體的組成部分之一，也就意味著需要同時承擔來自管程和殼程的壓力，換熱器內部的螺栓則需要全面承受因為介質壓力引發的軸向力。

該種密封結構具備如下幾點優勢：第一，Ω形環環殼部分雖然直徑較小且殼壁較薄，但卻可以承受較高的壓力數值。第二，Ω形環作為焊接結構的一種，能夠做到將盛裝介質和外界環境完全隔絕。第三，Ω形環因其自身在軸向變形能力上具備優勢，不會受到來自溫度、壓力等方面的變形差異的影響。第四，該密封結構體系、制造和拆裝較為便利，密封效果較為優秀，很好的避免了使用其他類型墊片可能會出現的密封面失效現象的出現，同時也不會因為受密封面的變形錯位影響出現介質泄漏問題。同時，其缺陷也較為明顯，在制造過程中有著較高的精度要求。第二，焊接工作需要在兩片法蘭深處的縫隙和連接螺栓的內側完成，這也為焊接工作的順利有效進行帶來了一定的阻礙。第三，在換熱器拆裝檢修工作進行的時候，需要針對金屬密封環進行焊接和切割，同時這種密封環在重復使用次數達到一定限制之后，需要及時進行更新。第四，使用該種密封結構的設施很容易在密封環中的較低位置上產生積液，并繼而使得密封環出現腐蝕破損現象。

1.3 螺紋鎖緊環性質密封結構

該種類型的密封結構可以從管程和殼程的壓力差異出發，將之分為高-高壓型和高-低壓型。前者是需要在管程和殼程均處于高壓工作狀態下的時候選用的。這兩種形式的密封結構大致上是相似的，而其中高-低壓性質結構的螺紋鎖緊環密封結構只組成相對較為簡便，而高-高壓結構下的管程和殼程密封全部是需要通過螺紋鎖緊環的形式來實現的。因為這種密封結構屬于一種雙重性質結構，殼程的密封可以借助內部螺栓在壓緊分程箱的前提下通過傳遞到管板來實現。

該種密封乳結構具備如下幾個優點：第一，密封性能較為可靠，因其殼程密封使用的是雙重保護級別，即便是在使用的過程中出現了泄露問題，也可以通過再次將內、外圈壓緊螺栓擰緊的方式防止泄漏問題的進一步擴展[3]。第二，密封系統由于是從管板到螺紋鎖緊環逐步壓緊之后實現密封目的的，本身具備一種較高的回彈性，同時密封結構的密封性也不會受到溫度、壓力波動的較大影響。第三，在檢修的過程中管線完全不需要進行拆動。第四，壓緊螺栓自身的規格較小并且受力情況較為均勻。該密封模式具備的缺點如下：第一，組成零件較多，結構較為復雜，在整個結構的設計和組裝方面有著較高的專業性和精密性要求。第二，內件需要進行機械加工，并且在精度、工序方面要求較高，經濟投入成本較高。第三，在拆裝檢修的過程中需要使用到特殊工裝，導致維修工作變得較為復雜。

1.4 隔膜性質密封結構

這種形式的密封結構是通過焊接密封盤和管箱的端部，使得管箱的法蘭蓋可以在背面對密封盤形成一個支撐力，并借助螺栓使得管箱法蘭和管箱端部連成一體，從而達到應有的密封效果。這種密封結構中所使用的密封盤材料，一般情況下選擇的都是不銹鋼或者是鎳基合金。該種密封結構具備如下幾個優勢：第一，密封結構組成較為簡潔，生產制造所需周期相對較短。除了密封盤之外其余所需的全部零件加工難度相對較小。第二，由于是將管箱和密封盤進行了焊接密封，這也就意味著密封結構本身具備著較強的承壓能力和密封性。第三，檢修工作落實的過程中不需要特殊的工裝進行操作，也不需要針對管線進行任何的差動。該種密封結構的缺點包括如下：第一，管箱法蘭蓋的直徑數值相對較大且受力較差。第二，管箱端部所需要的鍛件尺寸數值相對較大。第三，在密封盤焊接的過程中，由于操作空間十分有限，使得整體的焊接工作難度有所提升。第四，在連接密封盤和管線端的位置上存在一定的縫隙，很容易因此而產生縫隙腐蝕現象[4]。

2 設計選擇高溫高壓換熱器密封結構需要遵循的事項

2.1 安全為先兼顧經濟性

高溫高壓換熱器自身密封結構的性能良好與否，直接會影響到換熱器的運行過程中的安全性，由此也不難看出，在設計密封結構的過程中，需要優先重視安全性。而設施自身的經濟性，則需要通過方案或者是密封結構的優化來保障，除此之外，單臺設備作為整套裝置的一個基本組成單元，其最大的經濟性就是確保整個裝置的平穩高效運行。在上面所提到的四種高溫高壓或者其密封結構中，八角墊密封的結構組成相對較為簡單，且技術較為成熟，對于在壓力和直徑方面設計要求相對不高的換熱器而言，是一種可以優先選擇的密封結構形式。此外，在設計高溫高壓換熱器密封結構的過程中，需要針對設計條件做出全面的分析，以免在過分強調新型密封結構優勢的情況下忽略其經濟性。

2.2 Ω環性質密封結構選用謹慎

使用高溫高壓換熱器的裝置，其處理的介質通常都帶有一定程度的腐蝕性。在選用密封結構的過程中，需要將盛裝介質所具有的腐蝕性水平進行全面的考慮，至少要確保在一個檢修周期之內所使用的這類密封結構不會因為介質的腐蝕性而產生失效的現象。如果在介質具備較強的腐蝕性，又必須要采用Ω環性質密封結構的情況下，需要對其材質進行合理的升級。同時需要注意的一點是，在每次拆卸之后需要進行切割焊縫，并在檢修工作完成之后進行二次的焊接和檢測，這也就意味著Ω環重復使用次數為2～3次[5]。

2.3 重視隔膜盤性質密封結構的創新及應用

對于那些直徑較大且壓力設計方面要求相對較低的換熱器而言，需要優先考慮使用隔膜板密封結構，可大幅度的降低整個裝置和設備所需要的造價投入。由于該種密封結構將換熱器管箱和殼體焊接在一起，設備自身就會具備較為良好的軸向剛性，而在管束拆卸的過程中也不需要針對管箱進行的處置，使得整體的安裝和檢修工作變得更為便利。除此之外，也正是因為管程接管無需拆除，并且將焊接結構使用在管口和工藝管道上，極大的降低了泄漏點出現的概率，同時因為法蘭盤的取消降低了設備的整體重量水平。但一般情況下來說，使用該種密封結構的管箱內通常都設置有可拆卸形式的分程箱，而在其直徑小于DN800的情形下安裝工作相對較為困難，故此一般不采用這種密封結構形式[6]。而對于那些直徑大于DN800這個數值的高溫高壓換熱器而言，螺紋鎖緊環密封結構基本全部適用，同時其也具備隔膜盤密封結構的一些優勢，在設備造價等方面不具備明顯劣勢的情況下，該種密封結構可以優先進行選用。

3 結語

高溫高壓換熱器作為我國煤化工等諸多行業中所使用廣泛的承壓設備，由于其中所盛裝的介質帶有腐蝕性，故此密封結構的性能良好與否直接關系到整體裝置的安全運行。在設計換熱器密封結構的過程，需要在遵循安全為先并重經濟等原則的前提下，通過有效的分析設計條件，合理的選擇換熱器密封結構形式。