螺紋鎖緊環(huán)換熱器內(nèi)漏失效分析及檢修

南哲(中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯神華煤制油分公司017209)

一、螺紋鎖緊環(huán)換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器由殼體、管束、螺紋鎖緊環(huán)、螺紋鎖緊環(huán)、壓蓋、管箱內(nèi)套筒等幾部分組成。具有密封可靠，生產(chǎn)維護(hù)簡(jiǎn)便，能及時(shí)排除設(shè)備運(yùn)行中的泄露等優(yōu)點(diǎn)。有以下最凸顯的優(yōu)點(diǎn)：

1.特殊的管箱和殼體一體結(jié)構(gòu)

螺紋鎖緊環(huán)換熱器中的管箱、殼體是渾然一體的，這種結(jié)構(gòu)有效的使大法蘭結(jié)構(gòu)換熱器在設(shè)備法蘭處容易出現(xiàn)泄漏的問題得以消除，使其在生產(chǎn)實(shí)踐中起到重要的作用。

螺紋鎖緊環(huán)換熱器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，去掉了大法蘭，更有效的使管板端的換熱面積得到充分的利用，加大了螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)的總換熱面積，提高了換熱面積的利用率。

管箱和殼體一體化，在設(shè)備的拆卸過程中，抽出管束的時(shí)候不用移動(dòng)管箱和殼體部件，而采用直接將換熱器的接管和管線焊在一起的方式，這樣可以減少焊點(diǎn)的數(shù)量，在一定程度上減少了泄露點(diǎn)。

2.起關(guān)鍵作用的大螺紋設(shè)計(jì)

螺紋承受著來自于管程和殼程的綜合載荷，對(duì)于大螺紋而言，它的配合公差范圍比較廣。螺紋處在高溫的環(huán)境下，若配合公差不合理，內(nèi)外螺紋就會(huì)有出現(xiàn)旋合過松或過緊的可能，甚至?xí)霈F(xiàn)要死的情況。螺紋的齒數(shù)越多越好的理論長(zhǎng)期以來都被人們所接受，但根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，針對(duì)整個(gè)端部螺紋來說，承受壓力最大的是靠近管箱內(nèi)部的少數(shù)量的齒，其他部位的齒承受力是越來越小的。從這個(gè)結(jié)論來看，整個(gè)端部螺紋中每個(gè)齒的受力是不一樣的，即力不能均勻的分布在每個(gè)齒上。因此，螺紋鎖緊環(huán)換熱器采用嚙合高度、抗剪抗彎能力強(qiáng)的短齒梯形大螺栓。

3.卡環(huán)的特殊位置

螺紋鎖緊環(huán)換熱器的卡環(huán)是限位在管箱的凹槽內(nèi)的，其作用是裝配時(shí)通過擰其上的內(nèi)部螺栓使管殼程間達(dá)到密封。在管殼程的試壓過程中，還可以起到試壓環(huán)的作用。為了符合裝配的要求，卡環(huán)被設(shè)計(jì)成多瓣。這樣的位置設(shè)計(jì)雖然在制造方面帶來復(fù)雜性，但它增大了實(shí)際操作的可靠性。

4.波齒復(fù)合墊的選用

螺紋鎖緊環(huán)換熱器的管、殼程間的墊片選用的是波齒復(fù)合型。這種墊片是采用特殊結(jié)構(gòu)的金屬骨架與柔性石墨復(fù)合而成，在一定的預(yù)緊力下石墨層與密封面緊密接觸，形成了良好的密封。除此之外，環(huán)形波齒具有多道密封、壓縮回彈的作用，更加驗(yàn)證了這種墊片的良好實(shí)用性。

二、主要結(jié)構(gòu)的受力分析

在螺紋鎖緊環(huán)式換熱器中，殼體、封頭、管板、分合環(huán)螺栓、分合環(huán)、管箱蓋板、鎖緊環(huán)、鎖緊環(huán)螺紋、內(nèi)圈螺栓、外圈螺栓以及管箱端部是主要的受力結(jié)構(gòu)，其中的殼體和封頭的受力僅來自于殼程內(nèi)壓力。

1.管箱蓋板的受力

管箱蓋板的作用相當(dāng)于一塊受均布載荷且邊緣簡(jiǎn)支色圓形板，其主要受力來自于管程內(nèi)壓，所承受的載荷大小為管程內(nèi)壓施加在整個(gè)蓋板面積上的力。除此之外，還有來自蓋板邊緣彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力和蓋板與鎖緊環(huán)接觸面上的壓應(yīng)力。

2.分合環(huán)的受力

分合環(huán)在管箱凹槽的位置上，在裝配時(shí)，把分合環(huán)上的內(nèi)部螺栓擰緊使管殼程間達(dá)到良好密封，同時(shí)部分螺栓力通過分合環(huán)傳向管箱凸臺(tái)。因此分合環(huán)的壓力主要來自于剪應(yīng)力和分合環(huán)與管箱凸臺(tái)接觸面上的壓應(yīng)力。

3.鎖緊環(huán)的受力

鎖緊環(huán)所受的壓力主要來自于：1）維持管殼程密封傳遞的載荷；2）維持管程主密封螺栓傳遞的載荷；3）經(jīng)管箱蓋板傳遞的由管程內(nèi)壓引起的軸向力；4）管程內(nèi)壓作用于鎖緊環(huán)上內(nèi)卡環(huán)外徑到外卡環(huán)內(nèi)徑范圍內(nèi)的軸向力。

4.主螺紋的受力

主螺紋承受的載荷主要來自：1）維持管殼程密封螺栓傳遞的載荷；2）管程主密封操作狀態(tài)下的墊片反力；3）管程內(nèi)壓引起的軸向力。

5.管箱端部的受力

螺紋鎖緊環(huán)換熱器的管程內(nèi)壓主要作用于管箱內(nèi)部，傳遞到主螺紋上全部載荷主要作用于管箱端部，如果不進(jìn)行校核，會(huì)因?yàn)閯偠炔蛔阍斐啥瞬孔冃?，進(jìn)而使住螺紋失效。管箱內(nèi)部筒體承受來自管程內(nèi)壓引起的的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力使這部分筒體發(fā)生彎曲變形，而管箱端部的筒體只受軸向載荷。管箱內(nèi)部筒體的操作介質(zhì)溫度較高，管箱端部筒體與接觸介質(zhì)沒有直接接觸，所以溫度較低，此處的溫差導(dǎo)致內(nèi)部筒體環(huán)向變形大而端部變形小。

三、螺紋鎖緊環(huán)內(nèi)漏失效的原因分析

1.內(nèi)部墊片預(yù)緊力不均勻

螺栓上產(chǎn)生的力是通過內(nèi)合環(huán)將內(nèi)部墊片所需要的壓緊力傳遞到管板，然后再施加到墊片上，這使得各螺栓的擰入深度相差很大，有的甚至超出一圈。這樣使得預(yù)緊力不均勻造成墊片局部的壓緊力不夠產(chǎn)生泄露。

2.安裝時(shí)內(nèi)部墊片壓緊力過大

當(dāng)內(nèi)部墊片壓緊力過大時(shí)，會(huì)使得墊片的變形過大和回彈率變小，遇到溫度和壓力載荷有大浮動(dòng)變動(dòng)的情況，墊片不能及時(shí)的給予補(bǔ)償，將發(fā)生內(nèi)漏的現(xiàn)象。

3.管箱內(nèi)法蘭螺栓在高溫環(huán)境下出現(xiàn)應(yīng)力松弛

內(nèi)法蘭螺栓的塑性變形在高溫和應(yīng)力的共同作用下回隨著時(shí)間的增加而增大，相反的彈性應(yīng)力在這種情況下回隨著時(shí)間的增加而減小。開工過程中遇到操作溫度大幅度波動(dòng)的情況下，墊片會(huì)因?yàn)槊芊鈮罕炔粔蛟斐蓛?nèi)漏。但再次緊固內(nèi)圈壓緊螺栓后，應(yīng)力松弛現(xiàn)象還會(huì)再發(fā)生而且速度很快，使得塑性變形的程度加劇，彈性應(yīng)力減小，造成越嚴(yán)重的泄露。

4.復(fù)合墊片遭到?jīng)_擊破壞

出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象，試圖通過對(duì)螺紋環(huán)上的內(nèi)外圈壓緊螺栓進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，減輕冷態(tài)泄露。但進(jìn)行合理調(diào)節(jié)后，效果并不理想，所以進(jìn)行了全面的排查。裝置處于合理正常的操作范疇、設(shè)備的檢修階段沒有發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)內(nèi)漏的現(xiàn)象，分析內(nèi)漏現(xiàn)象發(fā)生在堿洗過程中。堿洗過程中，水壓推動(dòng)管束，這種壓力使得殼程側(cè)的波齒復(fù)合墊片遭到?jīng)_擊破壞，使得石墨復(fù)層脫落，造成了設(shè)備的內(nèi)漏。

除了以上幾種，還可能是壓差關(guān)系導(dǎo)致管殼程短路、管板殼程密封面存在缺陷致使密封失效、內(nèi)部螺栓預(yù)緊力不夠使管殼程串漏等。

四、改進(jìn)措施

根據(jù)以上對(duì)換熱器內(nèi)漏的分析，確定內(nèi)漏的原因，有針對(duì)性的制定改進(jìn)方案。

1.嚴(yán)格保證安裝精度

由于螺紋鎖緊環(huán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，零部件的數(shù)量多，裝配的要求高，所以導(dǎo)致設(shè)備的檢修難度加大。在安裝前，對(duì)每個(gè)螺孔用絲錐進(jìn)行過絲檢查；涂抹耐高溫咬合劑；預(yù)緊時(shí)保證預(yù)緊力均勻?qū)ΨQ。螺紋鎖緊環(huán)的拆裝過程中，，要嚴(yán)格的保證安裝精度，稍有卡住現(xiàn)象的出現(xiàn)要及時(shí)的調(diào)整；若卡住現(xiàn)象很嚴(yán)重的話，在檢查和修正后重新安裝。

2.應(yīng)用專門的工具拆裝

在管束拆裝過程中，要使用專門的工具對(duì)管箱螺紋進(jìn)行拆裝。因?yàn)閷Ｓ玫墓ぞ吣軠?zhǔn)確的定位，不會(huì)使換熱器中的零部件因自重的原因而產(chǎn)生重心的偏移，對(duì)螺紋鎖緊環(huán)的咬合和密封墊片的定位產(chǎn)生不良的影響。還要保證各個(gè)零部件要安裝在正確的位置上，以及保證各個(gè)零部件的安裝與拆卸尺寸一致。

3.改進(jìn)殼程側(cè)管板的密封墊片

密封墊片回彈能力的好壞決定了泄露的程度，因此墊片的回彈能力很重要。回彈能力越強(qiáng)，就能夠很好的彌補(bǔ)因壓力、溫度波動(dòng)所引起的泄漏，從一定程度上消除內(nèi)漏問題的發(fā)生。所以選擇密封墊片成為關(guān)鍵。

目前，新型雙金屬自密封波齒墊采用“壓力自密封”原理設(shè)計(jì)而成，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力介質(zhì)通過自密封波齒復(fù)合墊片的微小間隙進(jìn)入兩金屬片間，并對(duì)上下金屬片施壓，把介質(zhì)壓力傳遞給墊片，使墊片可以多出此附加應(yīng)力，且這種應(yīng)力會(huì)隨著壓力和溫度的變化而變化，始終保持合適的應(yīng)力范圍，保證良好的密封性。

這種墊片不僅繼承了以前傳統(tǒng)墊片的優(yōu)異性能，而且還具備壓力、溫度的均布性和追隨的補(bǔ)償性，解決了設(shè)備在高溫、高壓等苛刻工作條件下由于密封性而引起的內(nèi)漏問題。

4.改進(jìn)堿洗過程

內(nèi)漏發(fā)生在堿洗的過程中，是因?yàn)椴X墊柔性石墨遭到破壞，最終殼程側(cè)泄露。所以在正常生產(chǎn)時(shí)降低堿洗頻次，在堿洗的時(shí)候，要使堿液同時(shí)進(jìn)入管殼程，還要保證施加的壓力一致，這樣可以減少對(duì)墊片的沖擊力，也避免溫度大幅度波動(dòng)對(duì)管箱內(nèi)構(gòu)件造成不利影響，同時(shí)也可以避免大量的腐蝕物進(jìn)入下游設(shè)備，對(duì)設(shè)備造成破壞。堿洗結(jié)束后要及時(shí)把水放出。

如果不采用堿洗這種方式，可以沖入氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)。在壓緊螺栓擰緊后對(duì)殼體進(jìn)行氮?dú)庠噳?，試壓值選用管板工作時(shí)最大壓差和管板設(shè)計(jì)壓差之間的數(shù)值。

結(jié)語(yǔ)

高壓螺紋鎖緊環(huán)熱交換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件的數(shù)量多，裝配的要求高，檢修的難度大。在設(shè)備的使用過程中，要嚴(yán)格遵守操作規(guī)則，在設(shè)備的制造中要加大裝配的精確度，在安裝和檢修過程中都要做到精細(xì)。尤其要注意設(shè)備在運(yùn)行期間的保養(yǎng)和工藝管理，避免換熱器在非正常下運(yùn)行，及時(shí)的保養(yǎng)檢修，保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定高效的運(yùn)行。

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