陳小紅，王永勤

（1. 陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煉化公司，陜西 延安 727406； 2. 陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司榆林煉油廠，陜西 榆林 727406）

高溫高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)的分析

陳小紅1，王永勤2

（1. 陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煉化公司，陜西 延安 727406； 2. 陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司榆林煉油廠，陜西 榆林 727406）

根據(jù)高溫高壓換熱器的設(shè)計(jì)條件，從設(shè)計(jì)參數(shù)、材料選擇、密封原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面對(duì)煉油化工裝置中常用的高溫高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

雙殼程換熱器；材料；設(shè)計(jì)；計(jì)算

陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煉化公司化工廠合成氨裝置合成鍋爐給水預(yù)熱器，屬于高溫高壓換熱設(shè)備。由于該換熱器工作壓力高和溫度較高，操作條件苛刻，如何合理進(jìn)行換熱器選型，尤其是如何保證在運(yùn)行過(guò)程中避免在高溫高壓狀況下的出現(xiàn)泄漏，成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。筆者就該類型換熱的設(shè)計(jì)，尤其是密封結(jié)構(gòu)的選擇進(jìn)行分析及討論，以便為工程應(yīng)用提供合理的參考。

1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

本換熱所設(shè)計(jì)壓力（MPa）(G)：殼程20、管程24.3；設(shè)計(jì)溫度（℃）：殼程340/-10，管程370/-10；工作介質(zhì)：殼程為鍋爐給水，管程為合成氣；焊縫系數(shù)：殼程是1，管程是1；程數(shù)：殼程是2，管程是2；換熱面積是370 m2；換熱管等級(jí)為1級(jí)；換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸是Φ 1 200×4 780/（管箱內(nèi)徑Φ 1 280）；焊接系數(shù)：殼程是1，管程是1；程數(shù)：殼程是2，管程是2；地震列度為7度；風(fēng)壓400 Pa。

2 換熱器選型

2.1 雙殼程結(jié)構(gòu)

為了提高殼程的傳熱系數(shù)，實(shí)現(xiàn)全逆流傳熱，采用了雙殼程結(jié)構(gòu)。采用雙殼程結(jié)構(gòu)，可使殼程介質(zhì)由原單殼程的一半并流、一半逆流變成全逆流傳熱，溫差校正系數(shù)接近于1，在殼徑不變的前提下，使殼程流速提高了1倍，因而使總傳熱系數(shù)、換熱效率得以提高。

2.2 管箱密封結(jié)構(gòu)

高溫高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要考慮多方面因素，如盡可能的減少密封面直徑；少用法蘭結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。密封結(jié)構(gòu)直接影響密封的可靠性、制造難易程度和制造成本， 因此成為設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。下面為一般常用換熱器的幾種密封形式。

2.2.1 金屬八角環(huán)墊密封

金屬八角環(huán)墊密封結(jié)構(gòu)屬于強(qiáng)制密封, 由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封可靠、裝配、拆卸、維修容易, 是煉油和加氫裝置中高溫、高壓熱交換器常用的密封結(jié)構(gòu)[1]。但同樣存在密封面窄, 鋼墊彈性小, 回彈力差,對(duì)溫度、壓力波動(dòng)敏感, 安裝預(yù)緊力度的均勻性要求高,易泄漏等問(wèn)題，不適用于壓力和溫度高、內(nèi)徑大的換熱器。

2.2.2 Ω環(huán)密封

Ω環(huán)密封( 也稱焊接密封) 屬于非強(qiáng)制密封，該密封形式是在法蘭-墊片密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。Ω形環(huán)是密封元件, 為焊接結(jié)構(gòu), 由2個(gè)半Ω形環(huán)組焊而成。Ω形環(huán)為焊接結(jié)構(gòu), 使介質(zhì)和環(huán)境完全隔絕, 是一種無(wú)泄漏密封結(jié)構(gòu)。Ω形環(huán)本身具有較好的軸向變形能力, 不受溫度、壓力波動(dòng)和結(jié)構(gòu)變形不一致的影響。適用壓力可達(dá)7～ 32 MPa[2]。密封結(jié)構(gòu)主螺栓具有很小的預(yù)緊力，螺栓主要承受內(nèi)壓引起的軸向力，可減少設(shè)備法蘭和主螺栓的尺寸。密封可靠，造價(jià)低，適合開(kāi)工周期長(zhǎng)不允許泄漏的場(chǎng)合。但存在以下缺點(diǎn)：①拼接焊縫焊接時(shí)要求高度對(duì)中, 錯(cuò)邊量非常小, 制造精度要求、焊接難度大；②留在Q環(huán)中的積液無(wú)法清除，會(huì)造成密封環(huán)的腐蝕[3]

。

2.2.3 螺紋鎖緊環(huán)密封

螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)屬于強(qiáng)制密封。管箱與筒體焊接為整體, 固定管板置于管箱內(nèi), 管箱蓋板由螺紋鎖緊環(huán)固定, 螺紋鎖緊環(huán)與管箱通過(guò)長(zhǎng)節(jié)距梯形螺紋連接。優(yōu)點(diǎn)是①密封可靠，可以帶壓排除泄漏，全機(jī)械拆裝, 不需要?jiǎng)踊鸷父睿虎谠O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)巧妙,減少了高溫高壓密封點(diǎn)數(shù)［4］。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封元件繁多，容易泄漏，不易判斷內(nèi)泄漏環(huán)節(jié)，緊環(huán)加工精度要求高，鑒于結(jié)構(gòu)要求,殼體大端的鍛件粗大，造價(jià)較高。

2.2.4 隔膜式密封結(jié)構(gòu)分析

隔膜式密封屬于半強(qiáng)制密封。管箱與殼體通過(guò)焊接連為一體, 殼程通過(guò)固定管板螺柱—固定管板—密封墊片達(dá)到密封, 屬于強(qiáng)制密封。安裝管程密封盤(pán)時(shí), 密封盤(pán)支架安裝在管箱內(nèi), 密封盤(pán)掛在支架上, 內(nèi)側(cè)面與管箱接觸。蘭蓋通過(guò)螺柱固定在管箱上, 并壓緊密封盤(pán), 密封盤(pán)與管箱搭接焊死, 達(dá)到密封作用, 屬于非強(qiáng)制密封。2006 年,中國(guó)石化工程建設(shè)公司開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)出了首臺(tái)隔膜密封式高壓熱交換器

[ 5]。其優(yōu)點(diǎn)是集合了Ω環(huán)密封和螺紋鎖緊環(huán)密封兩種結(jié)構(gòu)的部分優(yōu)點(diǎn), 密封性能好、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、制造周期短、且成本低。缺點(diǎn)有：①隔膜密封式熱交換器密封盤(pán)與管箱的密封焊空間狹小且深,施工不方便；②管箱和密封盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸及所處環(huán)境不同,熱脹冷縮應(yīng)力不同,密封焊易產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致密封失效；③密封盤(pán)與管箱接觸面間有縫隙,可能產(chǎn)生縫隙應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2.2.5 密封板焊接密封

在遇到一些高溫高壓的情況時(shí)，對(duì)于被連接件（其中包括蓋板或者法蘭、墊片）和可以拆卸的法蘭結(jié)構(gòu)的連接件（指螺栓）的溫度不同，一般來(lái)說(shuō)兩者的線膨脹系數(shù)也不會(huì)相同。而線膨脹系數(shù)不同在安裝時(shí)很容易發(fā)生螺拴松動(dòng)，最終導(dǎo)致需要壓緊的兩個(gè)面分離開(kāi)來(lái)，導(dǎo)致密封墊片移動(dòng)，從而導(dǎo)致了泄漏。這種泄漏出現(xiàn)率還是比較高的。好的辦法就是對(duì)密封的元件采取密封焊接的辦法，這樣有很好的解決的這一問(wèn)題。

密封焊結(jié)構(gòu)由蓋板(或法蘭)、密封板、螺栓組成。其特點(diǎn)是不設(shè)置墊片，在主螺栓壓緊下，對(duì)密封元件進(jìn)行密封焊。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠，密封面加工精度要求不高，適用范圍比較大，維護(hù)檢修容易等，國(guó)內(nèi)外許多高壓高溫設(shè)備中應(yīng)用較多。但不適用多次拆卸的密封結(jié)構(gòu)。

焊接密封結(jié)構(gòu)的機(jī)理是靠對(duì)密封元件的封焊來(lái)密封。密封板與管箱殼體接觸，蓋板壓在密封板上。此結(jié)構(gòu)是將密封板外周焊于管箱法蘭或管箱殼體周邊上。當(dāng)受壓時(shí)， 內(nèi)壓加壓與密封板上，從而把密封板緊密壓在背面蓋板上，蓋板的推力由螺栓承受。本設(shè)備采用該種焊接密封結(jié)構(gòu)。

3 換熱器選材

據(jù)雙殼程換熱器的設(shè)計(jì)要求，換熱器的筒體要求使用的是120 mm的鋼材板Q345R，16MnR鋼板最厚為120 mm，考慮到卷板制造中厚度會(huì)減薄，制造加工后的厚度應(yīng)不小于名義厚度，由于鋼廠軋制設(shè)備條件的限制，軋制的鋼板內(nèi)部致密度及中心組織質(zhì)量稍差，選用鍛件比選用鋼板合理，為此選用16MnⅣ鍛件。

因?yàn)樗褂玫氖呛铣山橘|(zhì)，在工作過(guò)程是能夠產(chǎn)生出氫氣的，氫對(duì)換熱器的管箱及管板的材質(zhì)有較強(qiáng)的腐蝕作用，因此換熱器管板和管箱材質(zhì)按有關(guān)規(guī)定選用了抗氫鋼2．25Cr一1Mo(SA一336F22 class3)鍛件。計(jì)算后管箱簡(jiǎn)體，殼程簡(jiǎn)體厚度基本一致。這使得殼程筒體、管程簡(jiǎn)體與管板焊接連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，過(guò)渡平緩， 可減少由溫差應(yīng)力引起的內(nèi)應(yīng)力。

4 關(guān)于強(qiáng)度計(jì)算

一種是蓋板的計(jì)算，另一種是對(duì)于換熱器的主螺栓的計(jì)算，計(jì)算依據(jù)為HG20582及GB150-98中7.4條[6]。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意盡量減少密封面直徑，以便減少平蓋和主螺栓尺寸，減少密封結(jié)構(gòu)的重量。螺栓圓直徑越小，所需要的螺栓直徑和數(shù)量越少，平蓋厚度越薄。

5 結(jié) 語(yǔ)

換熱器采用雙殼程結(jié)構(gòu)，可以提高換熱效果；同時(shí)與其他密封結(jié)構(gòu)相比，密封板焊接密封具有使用周期長(zhǎng)，可多次重復(fù)使用的特點(diǎn)，其密封的可靠性及維修的便利性都是其他密封形式不可比擬的。

目前該設(shè)備自投運(yùn)以來(lái)，項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。隨著石油化工業(yè)的蓬勃發(fā)展，高溫高壓換熱器的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛，該設(shè)備的投運(yùn)為焊接密封結(jié)構(gòu)換熱器在高溫高壓換熱器的設(shè)計(jì)、制造等方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

［1］楊允達(dá). 八角墊在集碳塔密封結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[ J]. 石油化工設(shè)備, 1991, 20( 5) : 25- 27.

［2］郭曉嵐, 范熙烜.Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)在高壓換熱器中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備,2002,31(5):51-52.

［3］宋秉棠, 顧雪東, 鄒建東. 加氫換熱器Ω環(huán)泄漏原因與對(duì)策[ J]. 石油化工設(shè)備, 2003, 32( 1) : 57- 58.

［4］尹丹勤. 螺紋鎖緊環(huán)式雙殼程換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[ J].石油化工設(shè)備技術(shù), 2001, 22( 5) : 9- 10；36.

［5］余勇,張凱,王迎君. 螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的制造工藝[ J]. 電焊機(jī), 2004, 34( 5) : 12- 18.

［6］GB150-1998 鋼制壓力容器[S].

Analysis on Seal Structure of High Temperature and High Pressure Heat Exchangers

CHEN Xiao-hong1， WANG Yong-qin2
（1. Shaanxi Yanchang Petroleum (Group ) limited liability Company Petrochemical Company, Shaanxi Yan’an 727406，China；
2. Shaanxi Yanchang Petroleum (Group ) limited liability company Yulin refinery, Shaanxi Yulin 718500，China）

Based on design conditions of high temperature and high pressure heat exchangers, seal structure of high temperature and high pressure heat exchangers was analyzed from the aspects of design parameters, materials selection, seal principle, structural characteristics and so on.

Double shell side heat exchanger; Material; Design; Calculation

TQ 051

A

1671-0460（2012）03-0282-02

2011-10-13

陳小紅（1978-），男，陜西延安人，助理工程師，2010年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)畢業(yè)，主要從事石油化工設(shè)備技術(shù)管理工作。E-m ail：cxh780408@163.com。