一類高參數(shù)多管程換熱器的管箱泄漏機(jī)理及防漏設(shè)計(jì)

元少昀

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

管殼式換熱器是應(yīng)用最廣泛的一種換熱設(shè)備。與其他幾種間壁式換熱器相比，管殼式換熱器的最大優(yōu)點(diǎn)是能承受高溫高壓、結(jié)垢耐受力強(qiáng)、制造相對簡單、生產(chǎn)成本低、清洗方便、適應(yīng)性較強(qiáng)。

泄漏是管殼式換熱器運(yùn)行中的常見病和多發(fā)病，除常見的管接頭泄漏、管束內(nèi)漏或浮頭法蘭泄漏外，還有一類頻發(fā)的泄漏現(xiàn)象，即多管程換熱器的管板與管箱法蘭密封面處發(fā)生泄漏。該類換熱器具有如下特點(diǎn):管程進(jìn)出口溫差大、壓力高、采用夾持管板結(jié)構(gòu)，且泄漏發(fā)生在法蘭密封面局部區(qū)域。這類泄漏的原因可能多種多樣，但如排除制造、安裝、操作等因素，這類泄漏現(xiàn)象其實(shí)有深層次的共性原因，而這些原因在設(shè)計(jì)過程中常被忽略。

本文對此進(jìn)行分析，并提出防泄漏的一些處理方法，以便在設(shè)計(jì)階段就未雨綢繆，提前采取必要的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，從本質(zhì)上減小泄漏幾率。

1 管箱法蘭密封面泄漏案例

某石化廠一U形管換熱器運(yùn)行不久即在管箱法蘭和管板連接處發(fā)生泄漏，經(jīng)檢查，管箱法蘭密封面和管板密封面及墊片未發(fā)現(xiàn)異常，即使在重新加工密封面后仍然泄漏，而泄漏點(diǎn)為分程隔板附近區(qū)域，見圖1(a)～圖1(b)。這類泄漏事故在其他生產(chǎn)裝置中也常發(fā)生，文獻(xiàn)【1】列舉了其他類似的泄漏案例。

圖1 管箱法蘭密封面泄漏示意

2 泄漏機(jī)理

這類換熱器有一個(gè)共同特點(diǎn)，即多管程、物料進(jìn)出口溫差大、壓力較高、管板為夾持結(jié)構(gòu)。是否這個(gè)特點(diǎn)就是致漏因素?可從如下方面進(jìn)行分析，以找出泄漏的內(nèi)在原因。

2.1 法蘭密封機(jī)理

法蘭－管板連接處的密封從機(jī)理上屬于典型的強(qiáng)制密封，為達(dá)到密封目的，墊片單位面積上的壓緊力不能小于墊片比壓力y。在操作狀態(tài)下，內(nèi)壓使法蘭和管板產(chǎn)生分離趨勢，墊片壓緊力減小，墊片能否有效密封的決定性因素是殘余預(yù)緊力(墊片殘余比壓)的大小，要求單位有效密封面積上的殘余比壓不小于m P(m為墊片系數(shù)，P為介質(zhì)密封面兩側(cè)的壓力差【2】)，否則，就有可能發(fā)生泄漏。

2.2 管程壓力對墊片應(yīng)力分布的影響

對單管程管箱，壓力作用下墊片的殘余比壓沿圓周是均勻分布的。但在螺柱作用下法蘭環(huán)會發(fā)生均勻偏轉(zhuǎn)，造成墊片內(nèi)圈松弛，外圈被壓緊，有效密封寬度b只約為基本密封寬度N的1/4～1/5【2】。這種壓緊狀態(tài)使得墊片的殘余比壓沿徑向分布不均，當(dāng)墊片外側(cè)的殘余比壓小于m P時(shí)，就可能發(fā)生泄漏。

2.3 分程隔板對密封性能的影響

由于分程隔板影響管箱法蘭的局部剛度，造成法蘭在螺柱力作用下的偏轉(zhuǎn)在周向不一致，這樣，同樣在壓力作用下，墊片殘余比壓沿周向不再均布，而是以分程隔板中面為對稱面對稱分布，在隔板處的殘余比壓相對偏小?？梢?，由于分程隔板的存在，將使分程隔板附近成為薄弱環(huán)節(jié)(見圖2)。同樣地，在管箱受熱膨脹時(shí)，管箱法蘭的變形和熱應(yīng)力也類似地受分程隔板的影響，溫度越高，則這種影響效果越明顯。

圖2 內(nèi)壓作用下墊片殘余比壓分布

2.4 管程溫度對密封的影響

當(dāng)管箱溫度增加時(shí)，如果螺柱的熱膨脹量小于法蘭墊片系統(tǒng)的熱膨脹量，則墊片法蘭的膨脹將受到螺柱的抑制，相當(dāng)于增加了預(yù)緊力，墊片被進(jìn)一步壓緊;反之，若螺柱的膨脹量大于法蘭墊片系統(tǒng)，則墊片殘余比壓進(jìn)一步減小，除非墊片殘余比壓有足夠裕量，否則容易發(fā)生泄漏。

2.5 管程溫度梯度對密封的影響

當(dāng)管箱程間溫差比較大時(shí)，管箱筒體、法蘭墊片系統(tǒng)在圓周方向的溫度梯度也較大，將對管箱法蘭的密封產(chǎn)生重大影響，具體分析如下。

管箱受熱自由膨脹時(shí)，其伸長量e可按式(1)計(jì)算:

式中:e——自由膨脹時(shí)的伸長量，mm;

α——材料熱膨脹系數(shù)，mm/(mm·℃);

L——管箱筒體和法蘭的長度和，mm;

Δt——操作溫度與安裝溫度之差，℃。

可見，當(dāng)管箱程間溫度梯度較大時(shí)，管箱各部分的熱膨脹量將相差較大。以上述換熱器為例，其有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 U形管換熱器參數(shù)

假設(shè)管箱進(jìn)、出口兩程內(nèi)各自的溫度是均勻的，且管箱殼體的這兩部分都能自由膨脹(即假想沿分程隔板剖開管箱)，則其伸長量分別為:

進(jìn)口側(cè)

出口側(cè)

所以，操作時(shí)管箱的進(jìn)、出口兩側(cè)殼體間存在5.56－3.99＝1.57 mm的膨脹差，經(jīng)過變形協(xié)調(diào)，管箱法蘭端面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不再保持原來與管板表面平行的狀態(tài)，當(dāng)然，管板表面也發(fā)生類似的微小偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，由于管箱法蘭沿圓周方向存在較大的溫度梯度，法蘭環(huán)的熱膨脹量沿周向也存在較大的梯度，將引起法蘭環(huán)的變形，由于分程隔板的存在，該處的局部剛度要高于其他區(qū)域，使得隔板附近的變形量最小，并最終導(dǎo)致管箱法蘭密封面發(fā)生翹曲變形，呈現(xiàn)“兩頭翹，中間凹”的特點(diǎn)，見圖3。這種變形將直接導(dǎo)致墊片各處的壓緊程度不同、墊片的殘余比壓分布發(fā)生較大變化，而隔板附近墊片殘余壓緊力下降最明顯。

圖3 管程溫度梯度對法蘭的影響

3 前述案例泄漏原因

再看本文案例中的那臺換熱器，其管程溫度梯度達(dá)到110℃，設(shè)計(jì)壓力為2.8 MPa，也屬于發(fā)生管箱密封面泄漏“潛能”很大的設(shè)備。該設(shè)備不是沿法蘭圓周整體泄漏，可以排除螺柱面積不夠等原因。泄漏僅在分程隔板兩側(cè)這一局部區(qū)域發(fā)生(見圖1)，符合上述造成泄漏的因素特點(diǎn)，說明泄漏就是由于分程隔板的存在加上管箱側(cè)有大的溫度梯度和內(nèi)壓聯(lián)合作用引起的。文獻(xiàn)【1】也詳細(xì)地分析了這類換熱器管箱法蘭泄漏的原因。

4 防泄漏措施

基于上述泄漏機(jī)理及原因分析，可以有針對性地采取“預(yù)防性”和“補(bǔ)救性”防泄漏措施。預(yù)防性措施即從設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)判，采取必要的措施，從源頭上減小泄漏的可能性;補(bǔ)救性措施就是在泄漏發(fā)生后所采取的消除泄漏的手段。

4.1 預(yù)防性措施

4.1.1 管箱元件設(shè)計(jì)

1)管箱法蘭、墊片設(shè)計(jì)

a)墊片計(jì)算和選型

若管箱壓力和溫度比較高，墊片、螺柱在高溫、高壓的作用下將產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛，非金屬墊片或金屬復(fù)合墊片長期在高溫下工作也容易發(fā)生氧化或熱分解引起屈服限降低，導(dǎo)致塑性變形量增大、回彈性能下降.為避免因這兩種情況引起的墊片回彈不足造成介質(zhì)泄漏，設(shè)計(jì)時(shí)宜避免使用纏繞墊片或金屬包墊，而是選用密封性能更好的金屬墊片，如八角墊片、橢圓墊片，并相應(yīng)地改變管箱法蘭的密封面形式。

b)管箱法蘭壓力等級

根據(jù)文獻(xiàn)【3】，在材料和直徑相同的條件下，壓力等級高的法蘭剛度更大，因此，適當(dāng)提高法蘭壓力等級、增加法蘭剛度，可提高法蘭防泄漏的能力。但采用這種方式將造成材料的浪費(fèi)，尤其是大直徑高壓法蘭，法蘭等級提高過多將使得經(jīng)濟(jì)性變差。另外，在溫度梯度過高時(shí)，這種方法的有效性可能不再明顯。

2)螺柱設(shè)計(jì)

a)調(diào)整隔板部位螺柱的材質(zhì)或規(guī)格，以滿足該處墊片壓緊力要求。

b)由于在周向溫差梯度作用下，墊片殘余比壓最低點(diǎn)出現(xiàn)在2個(gè)螺柱之間，為使墊片的壓緊力盡量均勻，在一定的壓緊力要求下，宜增加螺柱的數(shù)量并適當(dāng)減小螺柱的直徑，這樣既可減小螺柱載荷分布的不均勻性，提高墊片殘余比壓的最小值，又可適當(dāng)減小螺柱的剛度，減小其對連接處法蘭的影響。

c)由于在溫度梯度和壓力作用下，螺柱將出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛，引起壓緊力下降，同時(shí)墊片的殘余比壓變化也不均勻，因此，為保證操作時(shí)墊片的最小比壓仍滿足密封要求，要求螺柱的設(shè)計(jì)壓緊力(螺柱總面積)必須具有一定的裕量，但為避免螺柱載荷過大在預(yù)緊時(shí)壓毀墊片，對平面密封應(yīng)控制的墊片預(yù)緊力不大于4y(y為墊片比壓力)，文獻(xiàn)【2】提出，單位有效密封面積上的壓緊力不宜超過2y。

d)螺柱材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡量低于法蘭材料或與法蘭材料相近，不應(yīng)選用熱膨脹系數(shù)大于法蘭材料的螺柱材料。為便于保證足夠的壓緊力、確保螺柱材料在高溫下的操作性能、防止應(yīng)力松弛，對低合金高強(qiáng)度鋼制法蘭，螺柱材料選用25Cr2Mo VA時(shí)，螺母材料宜選用25Cr2Mo VA，且采用加厚型，厚度不小于螺柱直徑【4】。

e)由于螺柱的熱膨脹量與其長度成正比，因此，不宜采用過長的螺柱。

3)管箱長度

由于管箱軸向熱膨脹量與其長度成正比，為減小管箱的變形和熱應(yīng)力，設(shè)計(jì)管箱時(shí)，在滿足軸向開口的管箱最小長度要求、相鄰管程間最小流通面積要求【5】、分程隔板焊接要求、管程開孔補(bǔ)強(qiáng)寬度要求【6】的基礎(chǔ)上，管箱的軸向長度應(yīng)盡可能小。

4.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

除上述原則外，還可以采取多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，如改變管板與管箱間的連接形式、采用異形分程隔板并相應(yīng)地改變管箱封頭形式等綜合手段。這種防泄漏措施需對換熱器管箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性改進(jìn)，相對比較復(fù)雜，但效果較好，可從根本上杜絕因管程溫度梯度引起的管箱法蘭泄漏問題。下面以工程中對某高溫差U形管換熱器所進(jìn)行的成功優(yōu)化為例，簡述此預(yù)防性方法的實(shí)施。

1)換熱器設(shè)計(jì)條件

某渣油催化熱裂解(CPP)制乙烯裝置中，1臺結(jié)構(gòu)型式為BJU的蒸汽加熱器的初始工藝條件見表2，工藝方案示意見圖4。

圖4 氧反應(yīng)器蒸汽加熱器的工藝方案示意

表2 氧反應(yīng)器蒸汽加熱器工藝條件

2)泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析

按工藝條件，該換熱器為夾持管板、2管程的U形管換熱器，管程進(jìn)出口溫差達(dá)150℃，是典型的本文所分析的這類換熱器。該設(shè)備的工況較前述換熱器更苛刻，結(jié)構(gòu)型式(BJU)也與前述換熱器完全相同，若完全按原工藝條件指定的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，則操作中管箱法蘭與夾持的管板密封處發(fā)生泄漏的幾率將非常高，為避免泄漏，在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，采取了預(yù)防性措施優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

a)改變管板連接形式

由于管箱的2管程結(jié)構(gòu)不能更改，即管板在管箱側(cè)無法避免同時(shí)接觸溫差為150℃的介質(zhì)，故只要仍采取夾持管板的結(jié)構(gòu)，就無法避免這種泄漏的可能性。為杜絕此處的泄漏，將管板與管箱的連接形式改為焊接式，即取消管箱法蘭，將管板與管箱筒體的連接方式由a型(夾持式管板)改為f型【5】(即前端管箱結(jié)構(gòu)由B型改為C型)，見圖5。由于該形式管板與管箱筒體間為強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)，因此，徹底避免了泄漏問題。同時(shí)，進(jìn)一步采取了下述配套的輔助措施，以滿足工藝的功能要求。

b)改變封頭形式

將原橢圓封頭改為平蓋，相應(yīng)增加設(shè)備法蘭，并將該管箱法蘭改為反向法蘭結(jié)構(gòu)【6】。

c)改變分程隔板形式

改變原分程隔板形式，設(shè)計(jì)了一種新型的異形分程隔板(見圖5)，經(jīng)此改進(jìn)后，消除了平蓋側(cè)導(dǎo)致本文所述泄漏現(xiàn)象的誘因。

圖5 采取防泄漏結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施后的蒸汽加熱器示意

上述防泄漏措施已在筆者負(fù)責(zé)的多個(gè)工程項(xiàng)目中實(shí)施，采取優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的換熱器均已服役多年，一直未發(fā)生泄漏事故，證明該方法是非常有效和可靠的。

由于蒸汽加熱器的操作工況比前述換熱器更苛刻，對比來看，應(yīng)該說這臺換熱器發(fā)生管箱法蘭泄漏的概率原本是非常大的，但其實(shí)際并未發(fā)生泄漏，說明設(shè)計(jì)階段采取預(yù)防性措施是最有效、最科學(xué)、最經(jīng)濟(jì)的防泄漏手段。

4.2 補(bǔ)救性措施

4.2.1 采用回彈性能好的墊片或墊圈

當(dāng)墊片的回彈不足以補(bǔ)償溫度、壓力引起的密封面分離和密封系統(tǒng)的蠕變松弛時(shí)，可以利用彈性墊圈優(yōu)異的回彈性能補(bǔ)充高溫下法蘭和墊片間的松弛，即在螺柱與法蘭之間增加彈性元件——碟簧墊圈，見圖6，圖6中h為碟簧墊圈的自由高度。

圖6 碟簧示意

4.2.2 其他補(bǔ)救措施

還可考慮采取一些其他措施，如在安裝螺柱時(shí)，為提高螺柱壓緊力的準(zhǔn)確性，采用力矩扳手增加對螺柱力控制的準(zhǔn)確度。另外，還可考慮對管箱低溫側(cè)的螺柱適當(dāng)增加張緊度，加大局部區(qū)域螺柱的壓緊力，以便在高溫梯度作用下，使低溫側(cè)墊片能夠保留足夠的壓緊力。上述方法僅為筆者的設(shè)想，其效果有待實(shí)際檢驗(yàn)。

5 結(jié)語

針對多管程、進(jìn)出口溫差大、壓力高、夾持管板的換熱器，在分析法蘭密封機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了周向溫度梯度、內(nèi)壓、分程隔板對墊片殘余壓緊力的影響，得到如下結(jié)論:

1)在管箱溫度梯度和內(nèi)壓的作用下，管箱軸向熱膨脹和變形在周向分布的差異導(dǎo)致墊片殘余壓緊力沿周向分布不均勻;

2)管箱周向的溫度梯度是引起管箱法蘭翹曲變形的主要因素;

3)分程隔板嚴(yán)重影響管箱筒體和法蘭的局部剛度，是造成泄漏的重要原因;

4)可以采取預(yù)防性和補(bǔ)救性措施防止泄漏，包括進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理地進(jìn)行法蘭、螺柱等元件的設(shè)計(jì)和選材以及選用碟簧墊圈等措施;

5)預(yù)防性結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施主要指在設(shè)計(jì)階段采取的成體系的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，實(shí)踐證明這是最有效、最科學(xué)、最經(jīng)濟(jì)的防泄漏手段。