高溫高壓換熱器密封結構的分析

陳小紅，王永勤

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

高溫高壓換熱器密封結構的分析

陳小紅1，王永勤2

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

根據高溫高壓換熱器的設計條件，從設計參數、材料選擇、密封原理、結構特點等方面對煉油化工裝置中常用的高溫高壓換熱器密封結構進行了分析。

雙殼程換熱器；材料；設計；計算

陜西延長石油（集團）有限責任公司煉化公司化工廠合成氨裝置合成鍋爐給水預熱器，屬于高溫高壓換熱設備。由于該換熱器工作壓力高和溫度較高，操作條件苛刻，如何合理進行換熱器選型，尤其是如何保證在運行過程中避免在高溫高壓狀況下的出現泄漏，成為設計的重點。筆者就該類型換熱的設計，尤其是密封結構的選擇進行分析及討論，以便為工程應用提供合理的參考。

1 設計數據

本換熱所設計壓力（MPa）(G)：殼程20、管程24.3；設計溫度（℃）：殼程340/-10，管程370/-10；工作介質：殼程為鍋爐給水，管程為合成氣；焊縫系數：殼程是1，管程是1；程數：殼程是2，管程是2；換熱面積是370 m2；換熱管等級為1級；換熱器的結構尺寸是Φ 1 200×4 780/（管箱內徑Φ 1 280）；焊接系數：殼程是1，管程是1；程數：殼程是2，管程是2；地震列度為7度；風壓400 Pa。

2 換熱器選型

2.1 雙殼程結構

為了提高殼程的傳熱系數，實現全逆流傳熱，采用了雙殼程結構。采用雙殼程結構，可使殼程介質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、換熱效率得以提高。

2.2 管箱密封結構

高溫高壓換熱器密封結構設計的需要考慮多方面因素，如盡可能的減少密封面直徑；少用法蘭結構；結構要簡單，便于維護。密封結構直接影響密封的可靠性、制造難易程度和制造成本， 因此成為設計中的重要環節。下面為一般常用換熱器的幾種密封形式。

2.2.1 金屬八角環墊密封

金屬八角環墊密封結構屬于強制密封, 由于結構簡單、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構[1]。但同樣存在密封面窄, 鋼墊彈性小, 回彈力差,對溫度、壓力波動敏感, 安裝預緊力度的均勻性要求高,易泄漏等問題，不適用于壓力和溫度高、內徑大的換熱器。

2.2.2 Ω環密封

Ω環密封( 也稱焊接密封) 屬于非強制密封，該密封形式是在法蘭-墊片密封結構的基礎上改進得到的。Ω形環是密封元件, 為焊接結構, 由2個半Ω形環組焊而成。Ω形環為焊接結構, 使介質和環境完全隔絕, 是一種無泄漏密封結構。Ω形環本身具有較好的軸向變形能力, 不受溫度、壓力波動和結構變形不一致的影響。適用壓力可達7～ 32 MPa[2]。密封結構主螺栓具有很小的預緊力，螺栓主要承受內壓引起的軸向力，可減少設備法蘭和主螺栓的尺寸。密封可靠，造價低，適合開工周期長不允許泄漏的場合。但存在以下缺點：①拼接焊縫焊接時要求高度對中, 錯邊量非常小, 制造精度要求、焊接難度大；②留在Q環中的積液無法清除，會造成密封環的腐蝕[3]

。

2.2.3 螺紋鎖緊環密封

螺紋鎖緊環密封結構屬于強制密封。管箱與筒體焊接為整體, 固定管板置于管箱內, 管箱蓋板由螺紋鎖緊環固定, 螺紋鎖緊環與管箱通過長節距梯形螺紋連接。優點是①密封可靠，可以帶壓排除泄漏，全機械拆裝, 不需要動火焊割；②設計結構巧妙,減少了高溫高壓密封點數［4］。缺點是結構復雜，密封元件繁多，容易泄漏，不易判斷內泄漏環節，緊環加工精度要求高，鑒于結構要求,殼體大端的鍛件粗大，造價較高。

2.2.4 隔膜式密封結構分析

隔膜式密封屬于半強制密封。管箱與殼體通過焊接連為一體, 殼程通過固定管板螺柱—固定管板—密封墊片達到密封, 屬于強制密封。安裝管程密封盤時, 密封盤支架安裝在管箱內, 密封盤掛在支架上, 內側面與管箱接觸。蘭蓋通過螺柱固定在管箱上, 并壓緊密封盤, 密封盤與管箱搭接焊死, 達到密封作用, 屬于非強制密封。2006 年,中國石化工程建設公司開發并設計出了首臺隔膜密封式高壓熱交換器

[ 5]。其優點是集合了Ω環密封和螺紋鎖緊環密封兩種結構的部分優點, 密封性能好、結構較簡單、制造周期短、且成本低。缺點有：①隔膜密封式熱交換器密封盤與管箱的密封焊空間狹小且深,施工不方便；②管箱和密封盤結構尺寸及所處環境不同,熱脹冷縮應力不同,密封焊易產生裂紋,導致密封失效；③密封盤與管箱接觸面間有縫隙,可能產生縫隙應力腐蝕開裂。

2.2.5 密封板焊接密封

在遇到一些高溫高壓的情況時，對于被連接件（其中包括蓋板或者法蘭、墊片）和可以拆卸的法蘭結構的連接件（指螺栓）的溫度不同，一般來說兩者的線膨脹系數也不會相同。而線膨脹系數不同在安裝時很容易發生螺拴松動，最終導致需要壓緊的兩個面分離開來，導致密封墊片移動，從而導致了泄漏。這種泄漏出現率還是比較高的。好的辦法就是對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題。

密封焊結構由蓋板(或法蘭)、密封板、螺栓組成。其特點是不設置墊片，在主螺栓壓緊下，對密封元件進行密封焊。由于結構簡單，密封可靠，密封面加工精度要求不高，適用范圍比較大，維護檢修容易等，國內外許多高壓高溫設備中應用較多。但不適用多次拆卸的密封結構。

焊接密封結構的機理是靠對密封元件的封焊來密封。密封板與管箱殼體接觸，蓋板壓在密封板上。此結構是將密封板外周焊于管箱法蘭或管箱殼體周邊上。當受壓時， 內壓加壓與密封板上，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。本設備采用該種焊接密封結構。

3 換熱器選材

據雙殼程換熱器的設計要求，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減薄，制造加工后的厚度應不小于名義厚度，由于鋼廠軋制設備條件的限制，軋制的鋼板內部致密度及中心組織質量稍差，選用鍛件比選用鋼板合理，為此選用16MnⅣ鍛件。

因為所使用的是合成介質，在工作過程是能夠產生出氫氣的，氫對換熱器的管箱及管板的材質有較強的腐蝕作用，因此換熱器管板和管箱材質按有關規定選用了抗氫鋼2．25Cr一1Mo(SA一336F22 class3)鍛件。計算后管箱簡體，殼程簡體厚度基本一致。這使得殼程筒體、管程簡體與管板焊接連接結構簡單，過渡平緩， 可減少由溫差應力引起的內應力。

4 關于強度計算

一種是蓋板的計算，另一種是對于換熱器的主螺栓的計算，計算依據為HG20582及GB150-98中7.4條[6]。在設計中應注意盡量減少密封面直徑，以便減少平蓋和主螺栓尺寸，減少密封結構的重量。螺栓圓直徑越小，所需要的螺栓直徑和數量越少，平蓋厚度越薄。

5 結 語

換熱器采用雙殼程結構，可以提高換熱效果；同時與其他密封結構相比，密封板焊接密封具有使用周期長，可多次重復使用的特點，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。

目前該設備自投運以來，項性能指標均達到了設計要求。隨著石油化工業的蓬勃發展，高溫高壓換熱器的運用也越來越廣泛，該設備的投運為焊接密封結構換熱器在高溫高壓換熱器的設計、制造等方面積累了一定經驗。

［1］楊允達. 八角墊在集碳塔密封結構中的應用[ J]. 石油化工設備, 1991, 20( 5) : 25- 27.

［2］郭曉嵐, 范熙烜.Ω環密封結構在高壓換熱器中的應用[J].石油化工設備,2002,31(5):51-52.

［3］宋秉棠, 顧雪東, 鄒建東. 加氫換熱器Ω環泄漏原因與對策[ J]. 石油化工設備, 2003, 32( 1) : 57- 58.

［4］尹丹勤. 螺紋鎖緊環式雙殼程換熱器的結構設計[ J].石油化工設備技術, 2001, 22( 5) : 9- 10；36.

［5］余勇,張凱,王迎君. 螺紋鎖緊環式換熱器的制造工藝[ J]. 電焊機, 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年畢業于中國石油大學（華東）機械設計專業畢業，主要從事石油化工設備技術管理工作。E-m ail：cxh780408@163.com。