高壓熱交換器管口螺紋密封失效及改進(jìn)措施

(中國(guó)天辰工程有限公司， 天津 300400)

高壓熱交換器管口螺紋密封失效及改進(jìn)措施

李先彪

(中國(guó)天辰工程有限公司， 天津 300400)

某不銹鋼制高壓立式熱交換器殼程放空口，按專利商工藝包要求設(shè)計(jì)為NPT圓錐管螺紋密封結(jié)構(gòu)。在制造過(guò)程中水壓試驗(yàn)時(shí)設(shè)備未發(fā)生泄漏，但當(dāng)設(shè)備運(yùn)到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行1 a后此放空口出現(xiàn)了泄漏，雖采取了一些臨時(shí)堵漏措施，但因不符合定檢要求，必須加以改造。分析了該熱交換器殼程放空口用NPT圓錐管螺紋密封產(chǎn)生失效的可能原因，并提出了幾項(xiàng)防止螺紋密封失效的改進(jìn)措施。實(shí)際改造中用安放式接管結(jié)構(gòu)代替螺紋密封結(jié)構(gòu)，既使連接可靠，又方便拆卸。改造后再未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，設(shè)備一直運(yùn)行良好。

高壓熱交換器； 螺紋密封； 失效； 改進(jìn)措施

在進(jìn)行熱交換器設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)需要在管程、殼程的適當(dāng)位置設(shè)置放空口、排凈口，以便在熱交換器水壓試驗(yàn)或停車檢修時(shí)能將設(shè)備內(nèi)的氣體排空、液體排凈[1，2]。熱交換器的放空口、排凈口一般設(shè)置成普通接管法蘭+盲法蘭型或凸緣+螺塞型。對(duì)立式熱交換器，若介質(zhì)比較清潔，不易造成開(kāi)孔堵塞且易于清理，也可直接在管板上開(kāi)孔設(shè)置放空口、排凈口[3]。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮熱交換器的形式、壓力和溫度等因素，選取適當(dāng)?shù)姆趴湛凇⑴艃艨谛问?。文中?duì)某立式高壓熱交換器殼程放空口NPT圓錐管螺紋密封失效的原因進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。

1 高壓熱交換器放空口泄漏情況

某項(xiàng)目的1臺(tái)高壓熱交換器由外方提供工藝包和數(shù)據(jù)單，國(guó)內(nèi)工程公司進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。熱交換器管程、殼程材料均為15CrMoR+S30403復(fù)合板，換熱管材料為S30403，管板材料為S30403Ⅳ，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高壓熱交換器設(shè)計(jì)參數(shù)

該熱交換器為立式熱交換器，在殼程頂部上管板上開(kāi)有一個(gè)放空口(圖1)，專利商要求此放空口的形式為NPT 3/4″[4]，即采用60°圓錐管螺紋。放空口螺紋結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，螺塞結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。螺塞材料為S30403Ⅲ鍛件。

圖1 熱交換器放空口示圖

圖2 管板上放空口螺紋結(jié)構(gòu)

圖3 螺塞結(jié)構(gòu)

此熱交換器在制造廠經(jīng)過(guò)了14.2 MPa(g)的水壓試驗(yàn)，未出現(xiàn)泄漏，后發(fā)至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行正常。但設(shè)備正常運(yùn)行1 a左右發(fā)生泄漏，現(xiàn)場(chǎng)將螺塞絲扣全部擰緊仍無(wú)法止漏。隨后，業(yè)主采取臨時(shí)堵漏措施，在不取出3/4″螺塞的情況下，在殼程放空口處焊接M42不銹鋼高壓螺母，后注入密封膠，再用螺栓擰緊焊接[5]。但此處理方法不符合定檢要求[6]，必須加以改造。

2 高壓熱交換器放空口泄漏原因分析

NPT 3/4″屬于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的60°密封錐管螺紋，螺紋具體形式參見(jiàn)ASME B1.20.1—2013《Pipe Threads，General Purpose(Inch)》[7]，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)可參見(jiàn)GB/T 12716—2011《60°密封管螺紋》[8]。NPT管螺紋用作密封連接相當(dāng)普遍，理論上可用到約41.38 MPa(6 000 psi)[4]。綜合分析，高壓熱交換器放空口螺紋密封失效原因有以下幾點(diǎn)。

(1)螺紋加工公差較大 設(shè)備制造廠在加工螺紋時(shí)，圓錐內(nèi)、外螺紋的公差較大，使得螺紋配合較為寬松。而在安裝螺塞時(shí)，未采取填加密封膠帶或密封劑等輔助密封措施。

(2)管板、螺塞材料強(qiáng)度低 管板、螺塞材料均為S30403鍛件，強(qiáng)度相對(duì)較低，在高溫、高壓環(huán)境操作中螺紋易發(fā)生應(yīng)力松弛而導(dǎo)致失效[9]。

(3)螺紋表面粗糙度較大 設(shè)備制造廠在加工螺紋時(shí)，螺紋的表面粗糙度超標(biāo)。若不在NPT螺紋間填加密封填充材料，則高壓密封螺紋的表面粗糙度應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高要求，Ra宜為0.4～0.8 μm。而一般機(jī)加工的螺紋表面粗糙度Ra在3.2～12.5 μm[10]，難以達(dá)到密封要求。

(4)現(xiàn)場(chǎng)緊固螺塞不規(guī)范 現(xiàn)場(chǎng)操作人員安裝螺塞時(shí)未按規(guī)定擰緊程序執(zhí)行，隨意性較大，使螺塞擰緊過(guò)度，損傷螺紋，導(dǎo)致螺紋絲扣失效泄漏。

3 高壓熱交換器放空口改進(jìn)措施

針對(duì)螺紋制造公差可能偏大的工況，可在外螺紋與內(nèi)螺紋之間填加密封膠帶或涂密封膠，通過(guò)螺紋配合擠壓膠帶，使螺紋間空隙被填滿，實(shí)現(xiàn)螺紋的密封。NPT螺紋間的密封膠帶通常采用PTFE膠帶，這種膠帶柔軟結(jié)實(shí)，可耐較高溫度和化學(xué)腐蝕，是很好的密封填充材料，但需注意膠帶或密封膠的適用溫度范圍[11，12]，以免造成密封材料高溫失效。

對(duì)高溫、高壓工況，可在設(shè)備水壓試驗(yàn)合格后將螺塞密封焊，以防后續(xù)操作中發(fā)生泄漏。

放空口可采用NPTF干密封螺紋，螺紋具體形式參見(jiàn)ASME B1.20.3—1976《Dryseal Pipe Threads(Inch)》[13]。NPTF干密封螺紋的牙型加工精度比NPT螺紋的高，配合時(shí)不用附加密封劑，完全依靠螺紋自身輕微的變形實(shí)現(xiàn)密封，適用于高溫、高壓的場(chǎng)合[14]。

此外，可將螺紋連接改為安放式接管+盲法蘭結(jié)構(gòu)，安放式接管具體形式可參考GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》的圖D.7[15]。針對(duì)此高壓熱交換器，筆者建議將放空口由螺紋連接改為安放式接管連接，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 放空口改為安放式接管示圖

圖5 安放式接管結(jié)構(gòu)

安放式接管具有結(jié)構(gòu)拘束度低、焊縫截面小、較易進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。焊接完接管和管板后再將接管加工至最終內(nèi)徑，可以將未焊透部分全部去除，從而保證接管和管板全焊透，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)的高可靠性。安放式接管結(jié)構(gòu)方便拆卸，操作、維護(hù)便利。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)高溫、高壓工況的管口密封，盡量不要采用NPT式螺紋密封，若必須采用螺紋密封，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拿芊獯胧┮员ＷC可靠密封。對(duì)高溫、高壓工況，建議盡量采用法蘭+盲法蘭形式，既能使連接可靠，又方便拆卸。此高壓熱交換器放空口改用安放式接管結(jié)構(gòu)后未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行良好。

[1] GB/T 151—2014，熱交換器[S].

(GB/T 151—2014，Heat Exchangers[S].)

[2] TEMA—2007，Standards of the Tubular Exchanger Manufactures Association[S].

[3] 秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū) 換熱器[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：99.

(QIN Shu-jing，YE Wen-bang. Encyclopedia for Chemical Equipment Design—Heat Exchanger[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2002：99.)

[4] ASME B16.11—2011，F(xiàn)orged Fittings，Socket-welding and Threaded[S].

[5] HG/T 20634—2009，鋼制管法蘭緊固件(Class系列)[S].

(HG/T 20634—2009，Bolting for Use with Steel Pipe Flanges(Class Designated)[S].)

[6] TSG 21—2016，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

(TSG 21—2016，Supervision Regulation on Safety Technology for Stationary Pressure Vessel[S].)

[7] ASME B1.20.1—2013，Pipe Threads，General Purpose(Inch)[S].

[8] GB/T 12716—2011，60°密封管螺紋[S].

(GB/T 12716—2011，Pipe Threads with the Thread Angle of 60 Degrees where Pressure-tight Joints are Made on Threads [S].)

[9] 魏偉，牟義慧.防止法蘭緊固螺栓失效的對(duì)策[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2012，33(4)：65.

(WEI Wei，MOU Yi-hui. Countermeasures for Preventing Failure of Tightening Bolt for Flanges[J].Petro-chemical Equipment Technology，2012，33(4)：65.)

[10] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第1卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

(CHENG Da-xian. Handbook of Mechanical Design. Volume 1[M].Beijing：Chemical Industry Press，2007.)

[11] HG/T 20606—2009，鋼制管法蘭用非金屬墊片(PN系列)[S].

(HG/T 20606—2009，Non-metallic Flat Gaskets for Use with Steel Pipe Flanges(PN Designated)[S].)

[12] HG/T 20627—2009，鋼制管法蘭用非金屬墊片(Class系列)[S].

(HG/T 20627—2009，Non-metallic Flat Gaskets for Use with Steel Pipe Flanges(Class Designated)[S].)

[13] ASME B1.20.3—1976，Dryseal Pipe Threads(Inch)[S].

[14] 胡慧峰.NPTF干密封螺紋的特性[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014(1)：79.

(HU Hui-feng. Characters of NPTF[J]. Automation & Instrumentation，2014(1)：79.)

[15] GB 150.3—2011，壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)[S].

(GB 150.3—2011，Pressure Vessels—Part 3：Design[S].)

(張編)

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(1)期刊:[序號(hào)]作者名(給全,多于3人后用“等”字).文章名[J].期刊名,出版年,卷(期):起止頁(yè)碼.

例:[1]羅小平,黎廷新,李添詳,等.聚四氟乙烯膨脹節(jié)內(nèi)壓爆破試驗(yàn)研究[J].石油化工設(shè)備, 1999,28(3):1-5.

(2)書(shū)籍:[序號(hào)]作者名(給全,多于3人后用“等”字).書(shū)名[M].出版地:出版社,出版年∶起止頁(yè)碼.

例:[2]陳浩元.科技期刊標(biāo)準(zhǔn)化18講[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,1998∶15-25.

(3)標(biāo)準(zhǔn):[序號(hào)]編號(hào),名稱[S].

例:[3]GB 150—1998,鋼制壓力容器[S].

(4)學(xué)位論文:[序號(hào)]作者名.論文名[D].保存地:保存者,年份.

例:[4]張筑生.微分半動(dòng)力系統(tǒng)的不變集[D].北京:北京大學(xué)數(shù)學(xué)系研究所,1983 .

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FailureofNozzleThreadSealforHighPressureHeatExchangerandSomeImprovedMethods

LIXian-biao

(China Tianchen Engineering Corporation， Tianjin 300400， China)

For a high pressure vertical heat exchanger，the main parts of which，such as tubes，tubesheet，and vents，etc. were made of stainless steel. The top vent was designed as a NPT nozzle according to the process design package. There was no leakage during the hydrostatic test. But when the heat exchanger was delivered to the site and operated for about one year，leakage was found for the NPT nozzle. Some temporary measures were made to resist the leakage by the client. But this was not accepted by the periodic inspection，so it must be modified. Some possible reasons for the leakage of the NPT nozzle were analyzed. And some improved methods to resist the leakage were recommended. The abutted nozzle instead of thread seal for the heat exchanger was applied to solve the problem. After the modification，no leakage was found and the heat exchanger runs very well.

high pressure heat exchanger； thread seal； failure； improve method

TQ051.5； TE965

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.015

1000-7466(2017)03-0067-03①

2016-11-30

李先彪(1975-)，男，四川射洪人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。