螺紋鎖緊環(huán)換熱器的密封和強(qiáng)度設(shè)計

丁金翔

（北京燕華工程建設(shè)有限公司，北京 102502）

1 概述

隨著國內(nèi)煉油加氫裝置日趨高參數(shù)大型化發(fā)展，螺紋鎖緊環(huán)式換熱器以結(jié)構(gòu)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(yīng)用。螺紋鎖緊環(huán)換熱器作為高溫高壓換熱器的一種結(jié)構(gòu)形式，具有泄漏點(diǎn)少等特點(diǎn)，如果在運(yùn)行中出現(xiàn)泄漏，可在不停車的情況下緊固頂緊螺栓即可達(dá)到密封要求，此外螺紋鎖緊環(huán)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(jīng)濟(jì)效益十分顯著。但是此類設(shè)備由于處于高溫、高壓、臨氫等十分苛刻的操作環(huán)境，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承壓件多，各承壓件的強(qiáng)度計算方法和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計均有獨(dú)特之處，密封和強(qiáng)度設(shè)計直接影響到整個高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器的安全運(yùn)行，因此對其設(shè)計制造提出了更高要求，本文對螺紋鎖緊環(huán)換熱器各部件的結(jié)構(gòu)和計算設(shè)計上做出一些總結(jié)，供設(shè)計者借鑒和參考。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器管箱結(jié)構(gòu)是其獨(dú)特之處，管箱筒體與殼程筒體焊接為一個整體，所有的內(nèi)構(gòu)件都安裝在管程殼體內(nèi)，從外觀看好像只有一個殼體，螺紋鎖緊環(huán)如一個大絲堵旋入管箱內(nèi)，從圖1可以看出，管程密封墊片11將換熱器內(nèi)部介質(zhì)與外界隔開，只要該墊片密封牢靠，設(shè)備本身再也沒有其他的外泄漏點(diǎn)，因而對外的泄漏點(diǎn)較少，減少了泄漏點(diǎn)就降低了泄漏的可能性；但在減少對外泄漏點(diǎn)同時是增加了內(nèi)漏點(diǎn)，或者說是把外漏點(diǎn)轉(zhuǎn)化成了內(nèi)漏點(diǎn)。螺紋鎖緊環(huán)的特點(diǎn)在于強(qiáng)度設(shè)計與密封設(shè)計合理的分離，實(shí)現(xiàn)了密封壓力與內(nèi)壓力由不同的零部件來承擔(dān)，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(nèi)壓力由螺紋鎖緊環(huán)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(shè)備的安全性能。而螺紋鎖緊環(huán)的強(qiáng)度設(shè)計與密封設(shè)計合理的分離，由此最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在帶壓情況下進(jìn)行二次緊固，排除泄漏，實(shí)現(xiàn)了操作的可調(diào)性和靈活性。

圖1 管箱結(jié)構(gòu)圖

3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

螺紋鎖緊環(huán)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(huán)處的外圈壓緊螺栓來實(shí)現(xiàn)的。其原理是將螺栓力通過頂銷、外圈壓環(huán)、密封盤傳遞給管程墊片，來實(shí)現(xiàn)密封。通過下列零件來實(shí)現(xiàn)力的傳遞：由螺紋鎖緊環(huán)外圈壓緊螺栓6依次傳遞給外圈頂銷8、外圈壓環(huán)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(huán)3上和殼體端部大螺紋上，由此可知，螺紋鎖緊環(huán)外圈壓緊螺栓6只承擔(dān)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(nèi)部螺栓來實(shí)現(xiàn)，而在實(shí)際操作中，由于長期的高溫運(yùn)行和溫度壓力波動變化，內(nèi)部螺栓會出現(xiàn)應(yīng)力松弛，高溫蠕等變導(dǎo)致它們對管殼程的密封性能下降，而在設(shè)備運(yùn)行期間，無法實(shí)現(xiàn)再次擰緊內(nèi)部螺栓，此時，就可以通過擰緊內(nèi)圈壓緊螺栓來實(shí)現(xiàn)管殼程的密封，該密封實(shí)際上是將螺栓力通過頂銷、內(nèi)圈壓環(huán)、密封盤、壓環(huán)、分合環(huán)和套筒等傳遞給管板和管殼程墊片，實(shí)現(xiàn)密封。管殼程側(cè)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(huán)內(nèi)圈壓緊螺栓5依次傳遞給內(nèi)圈頂銷4、內(nèi)圈壓環(huán)9、密封盤1、壓環(huán)12、分合環(huán)13、管程內(nèi)套筒16、管板和管殼程側(cè)密封墊片20。同樣，殼程側(cè)墊片的反力最終傳給螺紋鎖緊環(huán)3上和殼體端部大螺紋上，螺紋鎖緊環(huán)內(nèi)圈壓緊螺栓5也只能承擔(dān)壓緊內(nèi)密封墊片的一個功能，螺栓的直徑也很小。在換熱器操作運(yùn)行中墊片可隨時被壓緊排除泄漏，實(shí)現(xiàn)了換熱器的操作靈活性。內(nèi)圈螺柱為備用螺柱，是為了運(yùn)行過程中管殼程一旦發(fā)生竄漏而備用的。

由上所述，管程的密封，由于僅承擔(dān)較小的內(nèi)部介質(zhì)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(yuǎn)優(yōu)于普通換熱器的密封性能，故設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計，因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)螺紋鎖緊環(huán)換熱器存在的主要問題是內(nèi)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(shè)計中合理的分析載荷和好墊片供應(yīng)質(zhì)量外，墊片選擇、分合環(huán)設(shè)計、內(nèi)套筒的設(shè)計、安裝定位精度保證、管板密封面的加工是密封設(shè)計的要點(diǎn)，下面就這幾方面進(jìn)行探討。

3.2 管殼程間的密封墊片的選擇

（1）螺紋鎖緊環(huán)換熱器的操作條件復(fù)雜，不僅溫度壓力等工藝參數(shù)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(nèi)套筒16等內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料一般不同于管箱筒體7，由此產(chǎn)生膨脹差，使內(nèi)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(nèi)墊片表面的壓力降低；這種壓力降低可能無法維持內(nèi)墊片的密封而產(chǎn)生泄漏；當(dāng)出現(xiàn)溫度下降較大，內(nèi)墊片壓力下降很多，發(fā)生內(nèi)泄漏時，通過擰緊內(nèi)圈螺栓，保持內(nèi)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(tài)或更高度，墊片表面的壓力會更大，反復(fù)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(shè)計中應(yīng)選擇密封性和回彈性好的墊片，回彈能力強(qiáng)的墊片能彌補(bǔ)墊片作用力因溫度發(fā)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(guān)鍵，設(shè)計中應(yīng)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(dāng)溫度波動時，容易發(fā)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(huán)換熱器的密封墊片。工程實(shí)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(huán)換熱器內(nèi)漏問題。但纏繞墊的結(jié)構(gòu)決定其承受過載的能力較差，且受制造質(zhì)量的影響較大，尤其大直徑纏繞式墊片，結(jié)構(gòu)松散，容易散架和翹曲，易在運(yùn)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(fù)合墊片具有優(yōu)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(yīng)性廣等性能，自研制開發(fā)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(huán)換熱器上，且在工程實(shí)踐應(yīng)用效果良好，在螺紋鎖緊環(huán)密封也得到了大量的應(yīng)用。柔性石墨波齒復(fù)合墊片的彈性主要由特殊構(gòu)造的金屬彈性骨架產(chǎn)生，不必?fù)?dān)心使用時會發(fā)生應(yīng)力松弛，因此能長期保持優(yōu)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(gòu)造的金屬彈性骨架產(chǎn)生，不必?fù)?dān)心使用時會發(fā)生應(yīng)力松弛，因此能長期保持優(yōu)異的密封性能；具有較大的壓縮變形量，能很好補(bǔ)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(chǎn)制造、運(yùn)輸和安裝時容易散架潰壞的缺點(diǎn)，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(huán)換熱器，推薦選用性能優(yōu)異的柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊。

（3）雙金屬自密封波齒復(fù)合墊片是在原有柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)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(fù)合墊片的所有優(yōu)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(fù)合墊片是雙層骨架結(jié)構(gòu)，使用時介質(zhì)壓力進(jìn)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(zhì)壓力相當(dāng)?shù)男略鰤|片壓力，（此即為由介質(zhì)壓力形成的“壓力自密封”），其自密封壓力隨介質(zhì)壓力的存在而存在，在墊片的預(yù)緊應(yīng)力不管是因墊片本身的特性（如應(yīng)力松弛）還是因介質(zhì)壓力的升高或操作溫度的波動其變形不協(xié)調(diào)等各種原因而引起墊片預(yù)緊力減少時，使墊片密封壓力得到補(bǔ)償和加強(qiáng)，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(yù)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(dāng)于介質(zhì)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(zhì)壓力形成的軸向分離力的作用而減少的預(yù)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(jìn)行自動補(bǔ)償，因而其密封性能比現(xiàn)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(fù)合墊片作為內(nèi)墊片，已經(jīng)在解決螺紋鎖緊環(huán)換熱器內(nèi)漏上得到了成功的使用；我公司在一些螺紋鎖緊環(huán)換熱器改造項(xiàng)目也選用過雙金屬自波齒復(fù)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(fù)合墊片。

3.3 分合環(huán)設(shè)計

分合環(huán)在設(shè)備運(yùn)行中起承擔(dān)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(qiáng)度應(yīng)滿足密封所需的載荷的要求。為了實(shí)現(xiàn)力的傳遞，分合環(huán)安放在管箱內(nèi)壁溝槽內(nèi)，由于裝配的需要，分合環(huán)應(yīng)設(shè)計成分瓣形，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)安裝需要進(jìn)行分瓣，宜減少分瓣，以減少受力不均勻性。

3.4 內(nèi)套筒的設(shè)計

內(nèi)套筒是管殼間密封設(shè)計的一個關(guān)鍵所在。高溫操作中溫度波動是不可避免的，螺紋鎖緊環(huán)換熱器密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了溫度波動對管殼程間的密封造成很大影響，這是因?yàn)闇囟炔▌?，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(shè)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(guān)鍵了，膨脹差大小取決于溫度變化幅度、結(jié)構(gòu)長度、材料線膨脹系數(shù)、變形協(xié)調(diào)性能。對設(shè)計來說溫度變化幅度不可控制的，因此從結(jié)構(gòu)上或選材上改進(jìn)才是解決問題的根本。內(nèi)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(guān)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(shù)與管箱材料的線膨脹系數(shù)相同或相近，在整個溫度波動過程中不產(chǎn)生膨脹差或很小，管殼間密封墊片受載穩(wěn)定，就能杜絕泄漏保證很好密封這是最理想情況。就這一點(diǎn)而言，在腐蝕余量允許的條件下，內(nèi)套筒材質(zhì)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(shè)計是合理的；但一般情況下由于介質(zhì)等操作條件的限制，管箱材料與管板及管程內(nèi)套筒材料往往不同，而且兩者線膨脹系數(shù)相差很大的情況下，應(yīng)從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，減小內(nèi)套筒長度，即產(chǎn)生熱膨脹差的長度，也有利于保證其密封；由于內(nèi)套筒長度受管程接管大小限制不能減小，那么應(yīng)減小內(nèi)套筒剛度以吸收溫度變化及波動引起的管板及管程內(nèi)套筒與管箱的膨脹差，一般來說合理的內(nèi)套筒設(shè)計能極大地提高換熱器承受溫度波動的能力，通過上述設(shè)計能解決很大一部分管殼間密封設(shè)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(nèi)套筒設(shè)計基礎(chǔ)上，采用雙金屬自密封波齒復(fù)合墊片的同時可附加彈性補(bǔ)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(nèi)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(shè)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(zhì)量顯然對密封起關(guān)鍵作用。直徑特別大的設(shè)備由于換熱管根數(shù)過多，焊接換熱管時所釋放的線能量更多，會導(dǎo)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(jìn)行精加工以保證密封的可靠性。

4 強(qiáng)度設(shè)計

4.1 主要承載件受力分析

從螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)可以看出它的主要受力元件為：殼體、封頭、管板、分合環(huán)螺栓、管箱蓋板、鎖緊環(huán)、鎖緊環(huán)螺紋、內(nèi)圈螺栓、外圈螺栓及管箱端部。殼體、封頭僅受殼程內(nèi)壓作用，按 GB/T 150 —2011 相關(guān)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(huán)螺栓鎖、內(nèi)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(huán)、鎖緊環(huán)螺紋強(qiáng)度計算為重點(diǎn)進(jìn)行介紹，其強(qiáng)度設(shè)計的要點(diǎn)是計算模型和受力分析。

4.2 管程的密封載荷計算

式中：WP1為管程的密封載荷，N；

DG1為管程墊片壓緊力作用中心直徑，mm；

G為外圈壓環(huán)內(nèi)徑，mm；

pt為管程設(shè)計壓力，MPa；

m1為管程墊片系數(shù)；

b1為管程墊片有效密封寬度，mm。

4.3 管殼程間的密封載荷計算

管殼程間的密封載荷為管殼間壓差作用力和管板墊片需要的最小壓緊力之和：

式中：WP2為管殼程間的密封載荷，N；

pd為管殼程間壓差，MPa；

DG2為管殼間墊片壓緊力作用中心直徑，mm；

m2為管殼程間墊片系數(shù)；

b2為管殼程間墊片有效密封寬度，mm。

4.4 管箱蓋板強(qiáng)度計算

從圖2 中可看出，管箱蓋板承受的是管程內(nèi)壓，相當(dāng)于受均布載荷、邊緣簡支的圓形板，載荷為管程內(nèi)壓作用在整個蓋板面積上的力。

圖2 螺紋鎖緊環(huán)受力示意圖

管箱蓋板厚度的計算：

式中：δp為管箱蓋板的計算厚度，mm；

Dc為管箱蓋板的計算直徑，mm；

[σ]t為管箱蓋板的許用應(yīng)力，MPa；

φ為焊縫系數(shù)；

K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)。

4.5 鎖緊環(huán)強(qiáng)度計算

從圖3中可看出，鎖緊環(huán)承受的載荷由四部分組成：

圖3 螺紋鎖緊環(huán)螺紋計算用圖

（1）維持管程密封螺栓傳遞的載荷

（2）維持管殼程密封螺栓傳遞的載荷

（3）管程內(nèi)壓作用于鎖緊環(huán)上 D1 到 D2 范圍內(nèi)的軸向力

（4）由管程內(nèi)壓引起的并經(jīng)管箱蓋板傳遞的軸向力

式中：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4為鎖緊環(huán)受的載荷，N；

L1，L2，L3，L4為鎖緊環(huán)受力的力臂，mm；

M1，M2，M3，M4為鎖緊環(huán)受的力矩，N.mm；

Mo為鎖緊環(huán)受的總力矩，N.mm；

D4為外卡環(huán)外徑，mm；

D3為內(nèi)卡環(huán)內(nèi)徑，mm。

以鎖緊環(huán)上螺紋的節(jié)徑為基準(zhǔn)，算出各載荷所對應(yīng)的力臂，可算出鎖緊環(huán)上的總力矩 Mo，按 GB/T150 —2011 的相關(guān)公式可算出鎖緊環(huán)的厚度。

4.6 主螺紋強(qiáng)度計算

主螺紋承受的載荷W包括以下三部分：

（1）管程密封操作狀態(tài)下的墊片反力W1：

（2）維持管殼程密封螺栓傳遞的載荷W2：

（3）由管程內(nèi)壓引起的軸向力W3：

螺紋鎖緊環(huán)的單螺紋所受正彎曲應(yīng)力為：

螺紋鎖緊環(huán)的單螺紋所受剪應(yīng)力：

螺紋鎖緊環(huán)的單螺紋所受的當(dāng)量組合應(yīng)力：

W1，W2，W3，W為鎖緊環(huán)受的載荷，N；

D為螺紋根徑，mm；

n為螺紋鎖緊環(huán)的齒數(shù)；

a為螺紋的齒根厚度，mm；

σf為螺紋鎖緊環(huán)的單螺紋所受正彎曲應(yīng)力，MPa；

τ為螺紋鎖緊環(huán)的單螺紋所受剪應(yīng)力，MPa；

σc為螺紋鎖緊環(huán)的單螺紋所受的當(dāng)量組合應(yīng)力，MPa。

5 結(jié)束語

對螺紋鎖緊環(huán)換熱器的密封和強(qiáng)度設(shè)計進(jìn)行了分析和總結(jié)。螺紋鎖緊環(huán)換熱器還有很多值得深入研究的地方。隨著國內(nèi)煉油加氫裝置日趨高參數(shù)大型化發(fā)展，螺紋鎖緊環(huán)換熱器將得到了越來越廣泛的應(yīng)用，需要設(shè)計者在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計，以確保設(shè)備長周期安全平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。