高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器的設(shè)計(jì)

范勇波

摘 要：本文從高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、強(qiáng)度計(jì)算這三個(gè)方面進(jìn)行論述，確保換熱器的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：高壓;螺紋;鎖緊環(huán);換熱器;設(shè)計(jì)

1 高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器具有密封可靠、承載能力高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高溫高壓工況的加氫裝置。螺紋鎖緊環(huán)換熱器具有特殊管箱結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

如上圖所示，螺紋鎖緊環(huán)換熱器管箱結(jié)構(gòu)的管程筒體和殼程筒體能焊接為整體，所有內(nèi)構(gòu)件都安裝在內(nèi)部，有效減少泄漏點(diǎn)和泄漏概率。螺紋鎖緊環(huán)上的壓緊螺栓只需提供墊片密封所需壓緊力，而管箱端部大法蘭結(jié)構(gòu)的換熱器主螺栓需承受內(nèi)壓和壓緊力兩種載荷，在相同工況下，螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)更加緊湊，顯著提高結(jié)構(gòu)的密封可靠性及運(yùn)行安全性能。對(duì)密封結(jié)構(gòu)來說，高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器的密封包括管程和殼程間密封兩部分，相比管箱端部大法蘭結(jié)構(gòu)的換熱器來說密封效果要好。從管殼程間密封上看，其密封主要依靠?jī)?nèi)部螺栓擰緊來實(shí)現(xiàn)。在操作中，因換熱器長(zhǎng)期處于高溫高壓狀態(tài)，管殼程間密封墊片和內(nèi)部螺栓間會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致管殼程間密封性降低，此時(shí)可擰緊內(nèi)圈螺栓來提高其密封性，并利用內(nèi)嵌螺栓作用力借助密封盤、頂銷、壓環(huán)等傳遞給管殼程和管板的墊片結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)密封性。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)管箱部件設(shè)計(jì)時(shí)，使用ASME梯形螺紋作為鎖緊螺紋，其螺距為15或16In，內(nèi)圈壓緊螺栓直徑應(yīng)與內(nèi)套筒直徑一致，外圈壓緊螺栓直徑應(yīng)當(dāng)與管程密封墊片直徑一致，壓環(huán)和內(nèi)套管結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)能抵抗由內(nèi)圈壓緊螺栓傳遞形成的拓展作用力，使其避免變形。對(duì)于接管和殼體焊接結(jié)構(gòu)，由于管箱殼體較厚，通常采用安放結(jié)構(gòu)式焊接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)受力情況良好、應(yīng)力集中小，且焊縫填充金屬量較少，施工便捷。

換熱器管束一般采用U型管結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)備直徑較大時(shí)，管束端部振動(dòng)幅度較大，此時(shí)要在管束尾端處沿殼體中心線設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的管箍，以此提供支撐作用力，減少管束振動(dòng)，防止損壞換熱管。

2 高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器材料選擇及計(jì)算

從設(shè)備材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及計(jì)算方面出發(fā)。首先在選材上，由于加氫裝置高壓換熱器常處于介質(zhì)條件相對(duì)惡劣的工況，包括以下4種條件：高溫氫和硫化氫共存腐蝕環(huán)境、高壓臨氫腐蝕環(huán)境、高溫硫腐蝕環(huán)境、氯化銨和硫氰化銨腐蝕環(huán)境，需根據(jù)不同腐蝕環(huán)境合理選擇高壓換熱器的材料，并遵循下列原則：若為高溫臨氫腐蝕環(huán)境時(shí)，需根據(jù)設(shè)計(jì)溫度和氫分壓，按照Nelson曲線選擇材料;若為高溫氫和硫化氫，管程和殼程材料一般為2.25Cr-1Mo，內(nèi)部堆焊超低碳不銹鋼，雙層堆焊TP.309+347，換熱管材料選用S32168;若為高溫臨氫腐蝕環(huán)境，同時(shí)存在硫腐蝕時(shí)，選擇與高溫氫和硫化氫腐蝕環(huán)境一致。對(duì)于高溫氫和硫化氫及氯化銨和硫氰化銨腐蝕環(huán)境，需考慮氯化銨結(jié)晶對(duì)換熱管的腐蝕，因此采用鎳基合金鋼管材料。

當(dāng)換熱器殼體采用2.25Cr-1Mo材料時(shí)，應(yīng)注意其在371-575℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期操作時(shí)，有較明顯回火脆化傾向，要嚴(yán)格執(zhí)行以下要求：

對(duì)于焊接接頭材料：X系數(shù)=（10P+5Sb+4Sn+As）×10-2

≤15ppm;Si+Mn ≤1.20，Cu≤0.20，Ni≤0.20

對(duì)于主體材料：J系數(shù)=（Si+Mn）×（P+Sn） ×104≤100;（P+Sn）<0.012%

且材料要進(jìn)行回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)，有關(guān)指標(biāo)應(yīng)滿足：vTr54+2.5△vTr54≤10℃。

在計(jì)算中，對(duì)管板計(jì)算模型可使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中管板計(jì)算a型連接方式作參考，即使用管板邊緣為簡(jiǎn)支的力學(xué)模型，計(jì)算管板厚度、換熱管軸向力校核、換熱管拉脫力校核及管板外邊彎曲力、剪應(yīng)力、組合應(yīng)力的校核。在螺栓計(jì)算中，內(nèi)圈壓緊螺栓、外圈壓緊螺栓的荷載作用力是此次計(jì)算關(guān)鍵。管箱筒體和螺紋鎖緊環(huán)的主螺紋計(jì)算中，要確定主螺紋螺距和其他參數(shù)，通常使用較大抗彎能力和抗剪能力的15或16In梯形螺絲螺紋。

其次在操作時(shí)，主螺紋承受的荷載作用力包括：管殼程密封所需螺栓傳遞荷載作用力，管程荷載傳至管箱相關(guān)螺紋的作用力。在確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)后，要先假設(shè)主螺紋扣數(shù)，經(jīng)多次校核，選取合適的主螺紋扣數(shù)，確保主螺紋安全可靠。

3 小結(jié)

由于高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器一般都在高溫高壓的加氫工況運(yùn)行，一旦發(fā)生事故，將會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此，在螺紋鎖緊環(huán)換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、計(jì)算等方面綜合考慮，對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠滿足操作工況的需求。

參考文獻(xiàn)：

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