螺紋鎖緊環換熱器的密封和強度設計

2021-08-23 11:49:22丁金翔

化工設計通訊 2021年8期

丁金翔

（北京燕華工程建設有限公司，北京 102502）

1 概述

隨著國內煉油加氫裝置日趨高參數大型化發展，螺紋鎖緊環式換熱器以結構緊湊、耐高溫、耐高壓、密封性能比較可靠，得到了越來越廣泛的應用。螺紋鎖緊環換熱器作為高溫高壓換熱器的一種結構形式，具有泄漏點少等特點，如果在運行中出現泄漏，可在不停車的情況下緊固頂緊螺栓即可達到密封要求，此外螺紋鎖緊環換熱器還是一種的高效換熱器，通常能夠提高換熱器效率30%左右，經濟效益十分顯著。但是此類設備由于處于高溫、高壓、臨氫等十分苛刻的操作環境，結構復雜，承壓件多，各承壓件的強度計算方法和密封結構設計均有獨特之處，密封和強度設計直接影響到整個高壓螺紋鎖緊環換熱器的安全運行，因此對其設計制造提出了更高要求，本文對螺紋鎖緊環換熱器各部件的結構和計算設計上做出一些總結，供設計者借鑒和參考。

2 結構特點

螺紋鎖緊環式換熱器管箱結構是其獨特之處，管箱筒體與殼程筒體焊接為一個整體，所有的內構件都安裝在管程殼體內，從外觀看好像只有一個殼體，螺紋鎖緊環如一個大絲堵旋入管箱內，從圖1可以看出，管程密封墊片11將換熱器內部介質與外界隔開，只要該墊片密封牢靠，設備本身再也沒有其他的外泄漏點，因而對外的泄漏點較少，減少了泄漏點就降低了泄漏的可能性；但在減少對外泄漏點同時是增加了內漏點，或者說是把外漏點轉化成了內漏點。螺紋鎖緊環的特點在于強度設計與密封設計合理的分離，實現了密封壓力與內壓力由不同的零部件來承擔，由此降低了密封螺栓載荷的要求，提高了密封的可靠性；而內壓力由螺紋鎖緊環上的大螺紋承載，與螺栓相比提高了承載能力，由此提高了設備的安全性能。而螺紋鎖緊環的強度設計與密封設計合理的分離，由此最大的優點是可以在帶壓情況下進行二次緊固，排除泄漏，實現了操作的可調性和靈活性。

圖1 管箱結構圖

3 密封結構設計

3.1 密封結構特點

螺紋鎖緊環換熱器的密封包括管殼程間的密封和管程的密封兩部分。

（1）管程的密封是通過擰緊螺紋鎖緊環處的外圈壓緊螺栓來實現的。其原理是將螺栓力通過頂銷、外圈壓環、密封盤傳遞給管程墊片，來實現密封。通過下列零件來實現力的傳遞：由螺紋鎖緊環外圈壓緊螺栓6依次傳遞給外圈頂銷8、外圈壓環10、密封盤1和管程密封墊片11，墊片傳給螺紋鎖緊外螺柱的反力最終作用在螺紋鎖緊環3上和殼體端部大螺紋上，由此可知，螺紋鎖緊環外圈壓緊螺栓6只承擔壓緊管程密封墊片11一種功能，因此，螺栓的直徑可以很小，而且在帶壓的條件下，也可以給外壓緊螺栓施力，排除外泄漏。

（2）管殼程間的密封，理論上說管殼程間的密封是靠擰緊內部螺栓來實現，而在實際操作中，由于長期的高溫運行和溫度壓力波動變化，內部螺栓會出現應力松弛，高溫蠕等變導致它們對管殼程的密封性能下降，而在設備運行期間，無法實現再次擰緊內部螺栓，此時，就可以通過擰緊內圈壓緊螺栓來實現管殼程的密封，該密封實際上是將螺栓力通過頂銷、內圈壓環、密封盤、壓環、分合環和套筒等傳遞給管板和管殼程墊片，實現密封。管殼程側密封墊片20，起著管程與殼程分隔開的作用，它的力傳遞路徑為：由螺紋鎖緊環內圈壓緊螺栓5依次傳遞給內圈頂銷4、內圈壓環9、密封盤1、壓環12、分合環13、管程內套筒16、管板和管殼程側密封墊片20。同樣，殼程側墊片的反力最終傳給螺紋鎖緊環3上和殼體端部大螺紋上，螺紋鎖緊環內圈壓緊螺栓5也只能承擔壓緊內密封墊片的一個功能，螺栓的直徑也很小。在換熱器操作運行中墊片可隨時被壓緊排除泄漏，實現了換熱器的操作靈活性。內圈螺柱為備用螺柱，是為了運行過程中管殼程一旦發生竄漏而備用的。

由上所述，管程的密封，由于僅承擔較小的內部介質壓力，而且在帶壓的條件下，也可以給外壓緊螺栓施力，排除外泄漏，其密封性能遠優于普通換熱器的密封性能，故設計上選擇好合適的墊片一般不存在太大問題。

本文主要討論的管殼程間的密封結構設計，因為目前國內螺紋鎖緊環換熱器存在的主要問題是內漏，即管殼程間的密封泄漏。密封的好壞有諸多影響因素，這除了設計中合理的分析載荷和好墊片供應質量外，墊片選擇、分合環設計、內套筒的設計、安裝定位精度保證、管板密封面的加工是密封設計的要點，下面就這幾方面進行探討。

3.2 管殼程間的密封墊片的選擇

（1）螺紋鎖緊環換熱器的操作條件復雜，不僅溫度壓力等工藝參數高，而且有管殼程溫度壓力波動變化都會對管殼程間的密封造成影響，這是造成墊片容易泄漏的重要原因。管殼程間的密封，螺栓密封壓力傳遞路徑很長，溫度升高時，由于內套筒16等內部結構材料一般不同于管箱筒體7，由此產生膨脹差，使內墊片受到較大的壓力，過高的墊片壓力能造成墊片失去彈性或直接失效；反之溫度下降時，內墊片表面的壓力降低；這種壓力降低可能無法維持內墊片的密封而產生泄漏；當出現溫度下降較大，內墊片壓力下降很多，發生內泄漏時，通過擰緊內圈螺栓，保持內墊片的壓力，阻止泄漏；這時如果操作溫度回到了原來的狀態或更高度，墊片表面的壓力會更大，反復的這種操作會造成墊片壓力過高或墊片壓縮量的不斷積累，從而失效。因此設計中應選擇密封性和回彈性好的墊片，回彈能力強的墊片能彌補墊片作用力因溫度發生變化而造成的泄漏，另外承受過載后可再次使用的性能也是問題的關鍵，設計中應選擇回彈量較大、再次使用性好的墊片。金屬墊片回彈能力差，當溫度波動時，容易發生泄漏；金屬包墊片過高的墊片壓力可能造成墊片過度變形而失效，可再次使用性差，故不宜作為螺紋鎖緊環換熱器的密封墊片。工程實踐中有通過加厚纏繞墊及采用W形纏繞墊，來解決高溫高壓螺紋鎖緊環換熱器內漏問題。但纏繞墊的結構決定其承受過載的能力較差，且受制造質量的影響較大，尤其大直徑纏繞式墊片，結構松散，容易散架和翹曲，易在運輸安裝過程中損壞而增加成本，拖延工期造成額外損失。

（2）柔性石墨波齒復合墊片具有優異的密封性、壓縮回彈性好、密封壽命長、使用時不會被壓潰，安全可靠性高、使用安裝方便、適應性廣等性能，自研制開發成功后，在普通法蘭密封方面效果很好，因此也被用在螺紋鎖緊環換熱器上，且在工程實踐應用效果良好，在螺紋鎖緊環密封也得到了大量的應用。柔性石墨波齒復合墊片的彈性主要由特殊構造的金屬彈性骨架產生，不必擔心使用時會發生應力松弛，因此能長期保持優異的密封性能，石墨材料具有極好的耐高溫、耐流體侵蝕的性能，不會老化，墊片的彈性主要由特殊構造的金屬彈性骨架產生，不必擔心使用時會發生應力松弛，因此能長期保持優異的密封性能；具有較大的壓縮變形量，能很好補償溫度壓力波動變化都會對管殼程間的密封造成影響而獲得良好的密封，并且它的整體性好，完全克服了纏繞式墊片在生產制造、運輸和安裝時容易散架潰壞的缺點，特別適用于大直徑密封。因此，對操作溫度和壓力略有波動的螺紋鎖緊環換熱器，推薦選用性能優異的柔性石墨金屬波齒復合墊。

（3）雙金屬自密封波齒復合墊片是在原有柔性石墨金屬波齒復合墊片結構的基礎上進一步改進發展的新型密封墊片，因此它除了具有原來柔性石墨金屬波齒復合墊片的所有優異性能外，還有它的“壓力自密封”作用。由于雙金屬自密封波齒復合墊片是雙層骨架結構，使用時介質壓力進入兩金屬間的間隙并形成向外作用力，此力在墊片和密封表面形成與介質壓力相當的新增墊片壓力，（此即為由介質壓力形成的“壓力自密封”），其自密封壓力隨介質壓力的存在而存在，在墊片的預緊應力不管是因墊片本身的特性（如應力松弛）還是因介質壓力的升高或操作溫度的波動其變形不協調等各種原因而引起墊片預緊力減少時，使墊片密封壓力得到補償和加強，從而使墊片始終保持高的墊片密封壓力，甚至在螺栓初始預緊力接近消失的極端情況下，由于其“壓力自密封”作用所形成的相當于介質壓力的墊片密封壓力的存在，墊片仍能保持一定密封性，而且隨壓力的增大而增大，使得墊片避免了普通墊片因介質壓力形成的軸向分離力的作用而減少的預緊力的下降，從而使墊片的原有密封能力得以保持，有利于墊片對密封面上任何部位的變形進行自動補償，因而其密封性能比現有的其他墊片更能得以長期保持。徐彬[8]證明雙金屬自波齒復合墊片作為內墊片，已經在解決螺紋鎖緊環換熱器內漏上得到了成功的使用；我公司在一些螺紋鎖緊環換熱器改造項目也選用過雙金屬自波齒復合墊片，取得比較滿意的改造效果。因此，在高溫高壓場合，壓力溫度波動變化較大的場合，尺寸較大的場合和對密封性和安全可靠性要求高的重要場合推薦選用性能更好的雙金屬自密封波齒復合墊片。

3.3 分合環設計

分合環在設備運行中起承擔管殼間密封所需的載荷的作用，并最終把載荷傳遞給管箱，對管殼間密封起著主要的作用，因此強度應滿足密封所需的載荷的要求。為了實現力的傳遞，分合環安放在管箱內壁溝槽內，由于裝配的需要，分合環應設計成分瓣形，設計時應根據安裝需要進行分瓣，宜減少分瓣，以減少受力不均勻性。

3.4 內套筒的設計

內套筒是管殼間密封設計的一個關鍵所在。高溫操作中溫度波動是不可避免的，螺紋鎖緊環換熱器密封結構特點決定了溫度波動對管殼程間的密封造成很大影響，這是因為溫度波動，造成管箱長度膨脹量變化及管板及管程長度膨脹量變化，其膨脹差造成管殼間墊片密封壓力的變化，顯然對設計來講，降低這種影響是有利密封的。因此控制減少膨脹差影響就成為關鍵了，膨脹差大小取決于溫度變化幅度、結構長度、材料線膨脹系數、變形協調性能。對設計來說溫度變化幅度不可控制的，因此從結構上或選材上改進才是解決問題的根本。內套筒是螺栓密封壓力傳遞路徑上作為力的傳遞元件，是決定螺栓密封壓力傳遞路徑長度關鍵元件，其材料和長度及剛度決定了膨脹差的大小。

如果選擇套筒材料線膨脹系數與管箱材料的線膨脹系數相同或相近，在整個溫度波動過程中不產生膨脹差或很小，管殼間密封墊片受載穩定，就能杜絕泄漏保證很好密封這是最理想情況。就這一點而言，在腐蝕余量允許的條件下，內套筒材質盡可能不采用熱膨脹量大的奧氏體不銹鋼而改為與管箱材料相同的鉻鉬鋼或碳鋼是對密封設計是合理的；但一般情況下由于介質等操作條件的限制，管箱材料與管板及管程內套筒材料往往不同，而且兩者線膨脹系數相差很大的情況下，應從結構上進行改進，減小內套筒長度，即產生熱膨脹差的長度，也有利于保證其密封；由于內套筒長度受管程接管大小限制不能減小，那么應減小內套筒剛度以吸收溫度變化及波動引起的管板及管程內套筒與管箱的膨脹差，一般來說合理的內套筒設計能極大地提高換熱器承受溫度波動的能力，通過上述設計能解決很大一部分管殼間密封設計問題。但溫度波動較大時，特別是溫度變化激烈的場合，在合理的內套筒設計基礎上，采用雙金屬自密封波齒復合墊片的同時可附加彈性補償裝置，如碟型彈簧，一起抵消溫度和壓力波動。

3.5 安裝定位精度保證

管殼程間的密封，考慮裝配其墊片及分程箱墊片密封一般以管板密封面內徑作為定位，而管板由于安裝時重力影響，會使其與墊片壓緊面上下寬度不一致甚至壓偏，設計中考慮在管箱中管板安裝位置堆焊出一定高度凸臺，把管板支起，避免安裝后重力影響下垂影響密封。

3.6 管板密封面的加工

管板密封面加工質量顯然對密封起關鍵作用。直徑特別大的設備由于換熱管根數過多，焊接換熱管時所釋放的線能量更多，會導致管板密封面變形，影響管板處的密封性能，管板密封面一般需要焊后進行精加工以保證密封的可靠性。

4 強度設計

4.1 主要承載件受力分析

從螺紋鎖緊環換熱器結構可以看出它的主要受力元件為：殼體、封頭、管板、分合環螺栓、管箱蓋板、鎖緊環、鎖緊環螺紋、內圈螺栓、外圈螺栓及管箱端部。殼體、封頭僅受殼程內壓作用，按 GB/T 150 —2011 相關的計算公式確定壁厚，管板按 GB/T 151 —2014 中 U 形管換熱器管板的計算公式確定厚度。而分合環螺栓鎖、內圈螺栓、外圈螺栓計算很容易通過受力分析得出，因此本文以管箱蓋板、鎖緊環、鎖緊環螺紋強度計算為重點進行介紹，其強度設計的要點是計算模型和受力分析。