范勇波

摘 要：本文從高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構及其應用特點出發(fā)，對換熱器的結(jié)構設計、材料選擇、強度計算這三個方面進行論述，確保換熱器的安全運行。

關鍵詞：高壓;螺紋;鎖緊環(huán);換熱器;設計

1 高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構設計

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，廣泛應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，如下圖所示。

如上圖所示，螺紋鎖緊環(huán)換熱器管箱結(jié)構的管程筒體和殼程筒體能焊接為整體，所有內(nèi)構件都安裝在內(nèi)部，有效減少泄漏點和泄漏概率。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)構更加緊湊，顯著提高結(jié)構的密封可靠性及運行安全性能。對密封結(jié)構來說，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，其密封主要依靠內(nèi)部螺栓擰緊來實現(xiàn)。在操作中，因換熱器長期處于高溫高壓狀態(tài)，管殼程間密封墊片和內(nèi)部螺栓間會出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象，導致管殼程間密封性降低，此時可擰緊內(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，提高結(jié)構密封性。

在結(jié)構設計中，針對管箱部件設計時，使用ASME梯形螺紋作為鎖緊螺紋，其螺距為15或16In，內(nèi)圈壓緊螺栓直徑應與內(nèi)套筒直徑一致，外圈壓緊螺栓直徑應當與管程密封墊片直徑一致，壓環(huán)和內(nèi)套管結(jié)構在設計中應當能抵抗由內(nèi)圈壓緊螺栓傳遞形成的拓展作用力，使其避免變形。對于接管和殼體焊接結(jié)構，由于管箱殼體較厚，通常采用安放結(jié)構式焊接結(jié)構，該結(jié)構受力情況良好、應力集中小，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，當設備直徑較大時，管束端部振動幅度較大，此時要在管束尾端處沿殼體中心線設置適當數(shù)量的管箍，以此提供支撐作用力，減少管束振動，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算

從設備材料選擇、結(jié)構設計以及計算方面出發(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，需根據(jù)設計溫度和氫分壓，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，同時存在硫腐蝕時，選擇與高溫氫和硫化氫腐蝕環(huán)境一致。對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)晶對換熱管的腐蝕，因此采用鎳基合金鋼管材料。

當換熱器殼體采用2.25Cr-1Mo材料時，應注意其在371-575℃溫度范圍內(nèi)長期操作時，有較明顯回火脆化傾向，要嚴格執(zhí)行以下要求：

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

≤15ppm;Si+Mn ≤1.20，Cu≤0.20，Ni≤0.20

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

且材料要進行回火脆化傾向評定試驗，有關指標應滿足：vTr54+2.5△vTr54≤10℃。

在計算中，對管板計算模型可使用國家標準中管板計算a型連接方式作參考，即使用管板邊緣為簡支的力學模型，計算管板厚度、換熱管軸向力校核、換熱管拉脫力校核及管板外邊彎曲力、剪應力、組合應力的校核。在螺栓計算中，內(nèi)圈壓緊螺栓、外圈壓緊螺栓的荷載作用力是此次計算關鍵。管箱筒體和螺紋鎖緊環(huán)的主螺紋計算中，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，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螺紋的作用力。在確定結(jié)構設計參數(shù)后，要先假設主螺紋扣數(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行，一旦發(fā)生事故，將會造成嚴重后果。因此，在螺紋鎖緊環(huán)換熱器設計時，應從結(jié)構設計、材料選擇、計算等方面綜合考慮，對換熱器進行優(yōu)化設計，使其能夠滿足操作工況的需求。

參考文獻：

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