螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)分析

徐福勝 李春濤

（中航黎明錦西化工機(jī)械（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125000）

1 常見的換熱器多為大法蘭型式，這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于中低壓操作，能夠很好地保證密封性能，但在高溫高壓情況下，尤其是在設(shè)備大型化后，這種型式換熱器的大法蘭連接螺栓將受很大的載荷，難以保證管殼程的密封。而且螺栓很大，給緊固和拆卸帶來(lái)很大的困難。近年來(lái)加氫裂化裝置中經(jīng)常用到螺紋鎖緊環(huán)換熱器。螺紋鎖緊環(huán)換熱器的優(yōu)點(diǎn)是密封可靠，生產(chǎn)維護(hù)簡(jiǎn)便，能及時(shí)排除設(shè)備運(yùn)行中的泄露。相對(duì)于大法蘭結(jié)構(gòu)還有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.1 管箱和殼體是一體的，消除了法蘭型換熱器在設(shè)備法蘭處容易泄露的問題。

1.2 去掉了大法蘭，殼程接管能盡量地靠近管板，避免了法蘭型換熱器有一段換熱管不能有效利用（死區(qū)）的問題，增大了有效換熱面積。

1.3 管束抽出時(shí)不必移動(dòng)管箱和殼體部件，可以把換熱器的接管與管線相焊，減少泄露點(diǎn)。

螺紋鎖緊環(huán)的密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖1可以看出，管箱上管程密封墊片的壓緊力是通過下列零件的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的：螺紋鎖緊環(huán)上3的外壓圈緊固螺栓2--外壓桿5--外壓環(huán)9--密封盤10壓緊外密封墊片11。換熱器操作時(shí)隨時(shí)可以緊固外壓緊螺栓而消除管程泄露。管程和殼程之間密封墊片的壓緊力傳遞途徑是：內(nèi)壓緊固螺栓1--內(nèi)壓桿6--內(nèi)壓圈8--密封盤10--壓環(huán)12--卡環(huán)13--內(nèi)筒壓蓋15--內(nèi)筒16--內(nèi)密封墊片17。設(shè)備運(yùn)行時(shí)若發(fā)現(xiàn)管程和殼程串漏可通過上緊內(nèi)壓環(huán)螺栓1，推動(dòng)內(nèi)壓桿6，內(nèi)壓環(huán)8，有彈性的密封盤10，將力傳到壓環(huán)12而推到卡環(huán)13再通過內(nèi)套筒壓緊內(nèi)密封墊片14?？梢娐菁y鎖緊環(huán)換熱器的維護(hù)簡(jiǎn)單靈活，在不停車時(shí)既可及時(shí)消除管殼程之間的泄漏。以減少不必要的停車所帶來(lái)的損失。

2 大螺紋設(shè)計(jì)是螺紋鎖緊環(huán)換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處。大螺紋承受著管程和殼程的綜合載荷。螺紋鎖緊環(huán)換熱器一般采用的是AISI B1.8標(biāo)準(zhǔn)的15/16in的短齒梯形螺紋。該螺紋具有嚙合高度大（不小于6mm），抗剪、抗彎能力大的特點(diǎn)。特別適用于螺紋鎖緊環(huán)換熱器。大螺紋的標(biāo)準(zhǔn)公差范圍較寬，因螺紋用在高溫的環(huán)境下，如果配合公差不合理，就有內(nèi)外螺紋旋合過松或過緊的可能，嚴(yán)重的情況螺紋可能咬死。因些設(shè)計(jì)螺紋公差時(shí)，充分考慮螺紋鎖緊環(huán)和管箱螺紋之間的徑向膨脹間隙和其它相關(guān)因素。根據(jù)制造廠的制造經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)，確定一個(gè)合理的公差值。長(zhǎng)期以來(lái)，一直認(rèn)為螺紋的齒數(shù)越多越好，而根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于整個(gè)端部螺紋來(lái)說(shuō)承壓最大是靠近管箱內(nèi)部的少數(shù)齒，其它的齒承受的力越來(lái)越小。因此，整個(gè)端部螺紋每個(gè)齒受力不一樣，即力不能均勻地分布在每個(gè)齒上，這也是這種換熱器的不足之處。螺紋鎖緊環(huán)換熱器的管板采用壓差設(shè)計(jì)，按GB151中U形管換熱器進(jìn)行計(jì)算即可。這樣能使管板的厚度大減薄，既減少了材料也控制了換熱器的體積。值得注意的是在操作過程中管殼程的壓差在任何情況下都不能超過設(shè)計(jì)壓差。必要時(shí)可在設(shè)備的醒目位置設(shè)一警示牌，以提醒工作人員的注意。

螺紋鎖緊環(huán)換熱器管箱的受力不同于一般的受壓筒體，管箱內(nèi)部承受管程內(nèi)壓，而管箱端部承受著傳遞到螺紋上的全部載荷，管箱端部將產(chǎn)生很大的彎矩，如果不進(jìn)行應(yīng)力校核，而直接用內(nèi)壓計(jì)算筒體壁厚，會(huì)由于剛度的不足，造成端部變形，引起主螺紋失效。因此先給定管箱厚度，計(jì)算出管箱端部最小截面的彎矩來(lái)校核彎曲應(yīng)力和軸向拉伸應(yīng)力。為防止管箱端部變形。管箱筒體厚度應(yīng)滿足計(jì)算應(yīng)力要求并適當(dāng)取厚，同時(shí)主螺紋的個(gè)數(shù)也應(yīng)比實(shí)際計(jì)算的多取幾個(gè)。這樣就能有效地控制管箱端部變形并保證主螺紋不失效。

卡環(huán)限位在管箱的凹槽內(nèi)，其作用是裝配時(shí)通過擰其上的內(nèi)部螺栓以達(dá)到管殼程間的密封，殼程試壓時(shí)它還可以起到試壓環(huán)的作用。由于裝配的需要，卡環(huán)設(shè)計(jì)成分瓣的?？ōh(huán)的設(shè)置雖然給制造帶來(lái)了復(fù)雜性，但增了實(shí)際操作的可靠性。

墊片的選擇主要是考慮墊片的密封性和回彈性。管、殼程間的密封墊片有的采用波齒復(fù)合墊，也有的采用W形高強(qiáng)纏繞墊。波齒復(fù)合墊是采用特殊結(jié)構(gòu)的金屬骨架與柔性石墨復(fù)合而成。金屬骨架的上下表面有相互錯(cuò)開的特殊形狀的同心圓溝槽形成的波齒。金屬骨架上下表面復(fù)合一層柔性膨脹石墨，構(gòu)成整體復(fù)合墊片。在一定的預(yù)緊力下石墨層與密封面緊密接觸而實(shí)現(xiàn)密封。同時(shí)環(huán)形波齒還具有多道密封的作用。早于特殊構(gòu)造的波齒環(huán)就象一道彈性元件。具有壓縮回彈性能。柔性石墨作為密封面具有良好的密封性能。工程實(shí)踐中應(yīng)用效果良好。

結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在慈溪博格曼密封材料公司已攻關(guān)研制出耐高溫、高壓、大直徑W形膨脹石墨纏繞墊。它是采用W形不銹鋼帶和柔性石墨纏繞而成。W形高強(qiáng)纏繞墊片與普通V形纏繞墊片相比具有回彈性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，密封性能優(yōu)越的特點(diǎn)。一般大直徑纏繞墊片在制作過程中易散架和翹曲。而W形高強(qiáng)纏繞墊片由于采用W形鋼帶而增加了與填充料的結(jié)合面，從而增加了墊片的穩(wěn)定性。墊片在使用過程中與不銹鋼件緊貼，回此W形高強(qiáng)纏繞墊片中的膨脹石墨的S、CL等離子的含量極低，并在高純石墨中摻入少量緩蝕材料，避免石墨材料與金屬之間的電位差腐蝕。W形高強(qiáng)纏繞墊片與其它常用的高溫高壓金屬墊相比，具有制作簡(jiǎn)單，密封面要求低、密封可靠等優(yōu)點(diǎn)。在螺紋鎖緊環(huán)換熱器上有廣泛的應(yīng)用。

[1]GB151-1999《管殼式換熱器》.

[2]GB150-1998《鋼制壓力容器》.

[3]《石油化工設(shè)備技術(shù)》.