換熱器管箱球面隔膜密封關鍵結構的制造技術

陳孫藝

（茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名525024）

換熱器管箱球面隔膜密封關鍵結構的制造技術

陳孫藝

（茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名525024）

根據換熱器管箱球面隔膜密封的技術原理，介紹了各關鍵零部件或其局部結構的設計及其技術背景，包括球面隔膜、管箱端部、緊固件和管箱端蓋，以及隔膜的組焊等，相應還提出了主要的制造技術及質量要求，指出了應注意避免的問題。

球面隔膜；換熱器；制造技術

類似高溫、高壓、高腐蝕性和臨氫、易燃、易爆高危介質且大直徑、大流量、變動工況的高參數換熱器在裝置中的應用越來越多。圖1所示換熱器管箱的球形面隔膜密封是圖2示意的一種新的密封結構，據中國石化報報道，隔膜密封結構屬公知技術，但在設計、制造等環節形成技術秘密，其關鍵在于管箱端部和端蓋之間的隔膜密封的設計與制造。由于對膜密封結構功能認識不夠，結合強度設計的結構初步分析表明，目前隔膜密封的技術路線仍然是從管箱主體到密封元件的單向度獨立設計，或者說先進行傳統的管箱設計，再進行局部的隔膜密封設計，隔膜對管箱殼體沒有反過來的修正要求。文獻［1］介紹了換熱器管箱球膜密封的功能原理和強度設計方法，文獻［2］介紹了隔膜式熱交換器結構及制造要點，本文結合文獻［1］案例參數表1進一步對其密封結構詳細設計及制造質量要求進行討論。

圖1　敞開式管箱

圖2　密封結構

表1　高壓管箱設計參數

1　球面隔膜設計

如果管箱在疲勞工況下運行，則隔膜的結構質量重點是防疲勞開裂。如果管箱的運行工況不會引起疲勞，則只需要求平穩的開停車操作。

1.1結構設計

文獻［3］關于球面隔膜球面半徑計算結果的小數相對巨大的整數而言工程意義不大，只不過是保證球膜厚度和球膜拱高度均在整數的前提下，所得計算值。

（1）膜拱總高。在比較球面膜彈性補償量與管箱端口徑向位移時，基本滿足變形協調即可，補償量多也無用。另外，不銹鋼材料熱膨脹系數較大、塑性好、韌性高，所以球面膜可以緊密彌補上管箱端口徑向位移。并且，在管箱直徑已確定的前提下，補償量的增加需通過縮小其球面半徑來實現，不但占用更多的管箱空間，而且需要增加球面膜的總高度，制造困難。根據圖3，膜拱總高等于膜拱高h與膜厚δ之和，即3.46+6=9.46mm，圓整為10 mm.

如果設Rs=10 000mm，則α=1.72°，得膜拱高h≈4.50 mm，膜拱總高可圓整為12mm.如圖3所示。

圖3　球膜盤示意圖

（2）隔膜邊環高。球面隔膜邊環高度與管箱端口裝配的凹面止口深度有關，止口深一般是6 mm，邊環與管箱端口的密封焊腳高取k＝6 mm是合適的施焊操作，既可滿足密封焊要求、也不會給日后的檢修拆卸帶來很大的困難，再考慮邊環高度留有2 mm的余量，則邊環高H一般為14 mm.由此，隔膜墊總高取膜拱總高與邊環高的較大值，即14 mm.如果邊環太高，需按內壓圓筒核算其厚度。

（3）邊環直徑及邊環寬。邊環外直徑較箱端部裝配凹面止口直徑約小2 mm，內直徑較箱端部內直徑約大2 mm，邊環外半徑與內半徑之差即是其寬度，金屬平墊密封是第一道密封，起基礎作用。其基本密封寬度按GB150-1998標準的表9-1選取。

隔膜墊邊環高度只需要滿足密封焊的結構要求，圖4所示較厚的邊環寬度可增大圖2中密封焊施焊時的操作空間，但是會削弱來自螺栓的墊片壓緊力。

圖4　隔膜成品

（4）減薄區。圓平板隔膜墊的邊緣和中心部分稍厚，兩者之間的環形區域較薄，只有大約5 mm［4］.減薄區的功能或許是誘導整體彈性變形。文［5］有限元模擬分析表明，圓平板隔膜的應力強度很低，而這里球面膜的大變行力學行為有明顯區別，失穩可能性與其失穩的形態是關聯而又有區別的兩個概念，為避免局部失穩，可在球膜的凸面設置減薄區，更利于變形行為，且宜在球面成形前加工。對于球面半徑很大、拱高很淺的球面膜可不設減薄區。

（5）隔膜整體性。即便是非疲勞工況，隔膜也是整體加工成形，膜拱與邊環之間一般不焊接連接，也不宜存在貫穿膜厚的環焊縫或拼板對接焊縫。

從設計受力分析說，文［6］通過有限元分析模擬了圖5所示薄平板的圓盤形平板封頭的內壓爆破試驗，該封頭中φ254/φ125.4×25.4mm的邊環內側通過圓弧R3.175 mm過渡連接中間的φ146.05×3.175 mm圓平板隔膜，結果發現，對于304材料，圓盤中心鼓起近似球形，最終破裂。而對于A553-B材料，圓盤中心變形相對不大時，就已經在邊緣內圓角區域開裂而失效。對于設計溫度高、溫差應力較大的場合，文［7］建議選擇不銹鋼或鎳基合金作為隔膜板材料，文［5］選擇耐腐蝕合金作為隔膜板材料。從制造工藝說，這些材料的焊接工藝有明顯區別。由此可見，隔膜的質量技術要求按所選材料不同而有所區別。

對于平面膜墊，如果不嫌平面膜墊太重，可以不設減薄區，更沒有必要強調其整體性。

1.2質量技術要求

（1）隔膜墊選取不銹鋼材料可不考慮腐蝕余量，減薄厚度提高柔性。在GB150.1-2011附錄B中，爆破片材料奧氏體不銹鋼的最高適用溫度為400℃，鎳鉻合金（因康鎳）和鎳鉬鉻合金（哈氏鎳）和的最高適用溫度則達480℃，如果為了高溫下的耐腐蝕選用奧氏體不銹鋼材料，應確認其服役工況不屬于敏化溫度范圍。不銹鋼材料涉及到與高等級管箱常用的鉻鉬鋼類材料的異種鋼焊接技術及其質量檢驗，這是其工藝關鍵之一，必要時應在管箱端口設置過渡層材料，如圖1所示。

（2）隔膜墊的制造技術路線分整體機加工成形、先沖壓成形后機加工和先機加工后沖壓成形等三種。均需輔助工裝支承以免加工過程中球膜的彈性變形造成幾何尺寸超差，夾持隔膜的著力點數量要足夠，點與點之間的夾持力要均衡。

應優先采用數控技術精加工隔膜，加工過程應注意小量進刀，注入充分的冷卻液以避免熱變形，及時檢測，見圖6.根據操作工況是否穩定，判斷隔膜在機加工后是否需要進行雙面拋光，提高抗疲勞性能。

圖6　隔膜機加工

（3）隔膜墊是否需要固熔熱處理要根據材料和加工成形過程而定。

（4）隔膜的密封功能也體現在其薄壁的致密性上，在組裝之前應經雙面PT檢查或其他滲透試驗。

（5）邊環作為第一道密封的作用是基礎性的，其產品質量要求基本與傳統的金屬平墊同，但是不與介質接觸、即與端蓋貼合的一側其質量要求應與另一側不同。為使邊環取得足夠的摩擦力以免密封焊縫受到徑向收縮拉力作用，與端蓋貼合的一側其功能主要是壓緊面，而不要理解為密封面，為取得足夠的摩擦力以免密封焊縫受力，該壓緊面要粗糙而不要光滑，具體可參考GB150.1-2011表7-1的壓緊面形狀來選取。

2　管箱端部設計

2.1結構設計

（1）端部結構6種形式。鍛制縮口、圓平板加人孔、正向法蘭、反向法蘭、厚壁小徑圓筒倘開，殼體收口等，具體選擇應考慮到人員進出管箱施工的便利性。

（2）止口臺階。球面隔膜邊環材料是金屬且與管箱端口相焊，圖2中的止口高度Z沒必要取凹凸法蘭的止口高度，這里可取矮一些，以便在同樣的邊環厚度下增大管箱端面與端蓋之間的空間。球膜墊應與管箱端部的臺階止口靜配合安裝，目的之一是減少密封焊封與墊片之間圍閉的空間，提高焊縫質量，減少焊封徑向受力，也便于拆卸。

（3）主螺柱孔直徑和深度。主螺柱及配對螺孔的有效螺紋深度與螺紋直徑有關，宜設計成相對小直徑的細牙螺紋。主螺柱數目應取4的倍數。螺柱孔中心距與螺柱孔徑之比不應大于5［8］，但是應有足夠的扳手空間，如果設計要求使用液壓拉伸器上緊緊固件，設計者應對拉伸器的外形尺寸有所了解。文［7］、［9］均認為隔膜密封焊結構的密封比壓為零，可以不考慮預緊工況而使主螺柱的直徑或數量減少。這對于設備制造組裝中的密封焊接操作或者設備檢修過程端蓋的拆裝都是有利的。作為重要的密封結構，為了保證每一個主螺柱孔的螺紋質量，加工中應控制螺紋基孔最大深度，保證有效螺紋長度和有效嚙合長度［10］。

（4）密封面。端部密封面側向剖視結構見圖1，實物局部見圖7.在密封面堆焊的不銹鋼過渡層和非堆焊面之間可設如圖7所示的隔離槽。如堆焊層選用鎳基金屬，則與的線膨脹系數較為接近，可減少熱應力。

圖7　管箱端部

（5）對于反向法蘭式端部人孔，其內側面里端拐角處應圓滑過渡。

2.2質量技術要求

（1）根據螺柱孔的直徑大小、深度和精度要求，加工螺柱孔螺紋的5條不同工藝路線如圖8中帶圓圈的序號標記所示，實踐表明路線①已可以滿足一般的質量要求，路線⑤可以滿足盲底深孔螺紋的加工質量要求［11］。在鉆好基礎孔后，可對孔壁表面專門處理改善其硬度等性能以提高螺紋強度。應優先采用數控專用機床加工螺紋，如果是手工攻螺紋，應根據材料性能及基孔尺寸專門設計絲攻數量及其加工量，絲攻應檢測后才能使用，并且經過首個螺紋孔加工檢測合格后才繼續加工第二個及其他螺紋孔。螺紋加工后，可通過對比試樣檢測螺栓孔內的光潔度。螺紋檢測合格后如管箱還需整體熱處理，應對螺紋專門保護。

圖8　螺柱孔加工流程

3　密封緊固件設計

3.1結構設計

（1）主螺柱。螺柱數量與螺柱直徑有關，但螺柱直徑不僅僅與內壓大小有關。由于主螺柱一端擰進管箱端部，另一端露于空氣，以及隔膜對端蓋的隔熱作用，致使螺柱兩端的配合零部件之間存在溫差載荷，該附加載荷與溫差或螺柱截面積均成正比，這也是設計小直徑螺紋的理由之一。再考慮到高壓高溫工況的波動性，因此應適當考慮安全系數，并要求螺柱進行彈性設計，高溫工況下采用圓根細牙螺紋，對中間段芯桿直徑、長度和全長直度進行控制，按標準指定螺柱型式。

對于圖1的敞開式管箱端部，熱量更多從側面傳遞給螺柱，對于圖9的反向法蘭或緊縮口式管箱端部，熱量更多從端面傳遞給螺柱，螺柱孔直徑和深度對管箱端部結構強度及附加溫差載荷都有不良影響，應加以控制。

圖9　反向法蘭管箱

對于大直徑主螺柱（M45及以上規格）應在外端設置加油孔，且其擰進螺柱孔里面的端部應設置一段與螺柱孔底部緊貼配合的光桿，以便在預緊時取得螺柱孔底部的反作用力，從而擴大有效螺紋深度并降低螺紋受力的不均勻性。

預留有足夠長度以便使用螺柱拉伸器上緊螺母，預留長度設置保護帽。

（2）主螺母。高度及外接圓直徑決定于主螺柱公稱直徑。

3.2質量技術要求

（1）螺柱應在材料熱處理后抽取一件進行力學性能試驗，每根進行硬度檢測，以保證它們與螺母之間的硬度差不小于30 HB.

（2）螺柱熱處理后才加工螺紋，不推薦車加工螺紋，應一次滾壓且通絲成形以獲取均勻的壓應力、較高的精度和光潔度，牙底是圓根光滑的，包括螺紋在內的表面進行磁粉檢測。成品表面應經磷化處理。

（3）高強螺柱螺母副出廠前，建議增做承載試驗，按設定的力矩上緊，模擬實際安裝和受力過程進行以強度為主的綜合性檢驗。

（4）管箱端部與球膜墊裝配的臺階止口直徑宜根據球膜墊的外圓實際尺寸配尺加工，且應在管箱整體熱處理后機加工。

4　管箱端蓋設計

4.1結構設計

首先，端蓋按GB 150.3-2011進行強度設計。

為取得較大間隔的軸向空間以便于密封焊，端蓋周邊是錐形斜角結構，外圓與端蓋中間不等厚，見圖1.文獻［9］認為，15°的斜角設計是不會削弱平蓋強度的。此時，密封已有焊縫保證，隔膜墊邊環所受到的預緊力的周向均勻性對密封的影響力已下降，可以把主螺柱設計成直徑大而數量少的方案，以取得較大間隔的周向空間才最終取得便于密封焊的操作環境，也減少裝配和拆卸的工作量。考慮到前文需要把主螺柱設計成直徑小的方案，主螺柱直徑及其數量就存在一個合適的范圍。最后，管箱上適宜設置端蓋的鉸鏈吊桿，以便保證組裝質量。

4.2質量技術要求

由于高壓下端蓋撓度的存在，技術對策一是選取高強度的材料，二是以足夠的厚度使撓度趨于零，或以預變形抵消撓度的影響。前者成本略高，后者設計需精確。

為使隔膜墊取得足夠的摩擦力以免密封焊縫受到徑向收縮拉力作用，端蓋上壓緊隔膜墊的臺階功能是壓緊面，不是密封面，該壓緊面沒必要過高的粗糙度要求。

5　組焊設計

5.1隔膜密封焊設計

文獻［12］對球面隔膜密封焊縫具體案例的受力分析表明，外載施加給焊縫很大的應力，球膜與管箱端部的密封焊縫無法承受高溫高壓對密封面處徑向位移變形的協調要求，密封主要由密封焊縫來保證，但是密封焊縫自身的安全一方面主要依靠球面隔膜的彈性補償來保證，除了球膜墊應與管箱端部的臺階止口在徑向采取靜配合公差外，同時還需要管箱端部和端蓋起輔助作用。因此文獻［13］在對球面隔膜或圓平板隔膜受力狀態進行定性分析的基礎上，提出了保證隔膜組焊質量的關鍵工藝，其中的密封焊接技術包括施焊前提、焊接方向等。

文獻［14，15］模擬分析了加氫換熱器圓平板隔膜密封焊縫手電焊的殘余應力，難以保證密封質量，利用有限元軟件ABAQUS，開發了一組使焊接殘余應力最小的最優焊接工藝參數。結果表明，焊接速度對焊接殘余應力的影響最大，該角焊縫焊接殘余應力的最高值集中在焊縫和熱影響區附近。因此，密縫焊縫施焊中要注意的是按文［13］的要求采用低參數的氬弧焊，控制焊縫高度，保持整圈焊縫外形尺寸的均勻性，特別是要避免出現圖10所示焊焊接的兩個質量問題：一是焊縫大部分分布在管箱端部密封面上，二是焊接參數過大造成隔膜邊環外緣過熱燒損或變形，兩者的成因都與該密封焊縫下部一段的仰焊操作有關，這些問題是在垂直的密封面上進行360°的全位置焊所造成的。當換熱器臥置在滾輪架上，利用滾輪架轉動換熱器，則可持續實現在管箱端面的頂部對密封焊縫進行平焊，焊縫成形質量較好，但是管束在轉動過程中會對管頭造成一定的損傷。因此，最好是運用專用裝備進行焊接。

圖10　仰焊的隔膜密封

5.2隔板組焊設計

文獻［16］報道了表1案例的失效歷程，在重新設計制造該帶管束管箱時，增加了隔板厚度，并在隔板兩側組焊加強筋，在隔板上增設平衡孔，隔板之間以及隔板與管箱之間采用全焊透結構，改善了隔板抵抗動態工況下的疲勞作用，實現了換熱器的安全運行。

6　結束語

（1）提出了球面隔膜密封系統主要零部件及其局部結構的設計注意事項，提出有關零部件的主要制造技術及質量要求。

（2）球面膜密封的技術路線仍然是從管箱主體到密封元件的單向度獨立設計，這是不夠的，隔膜密封結構設計可以從制造質量技術的角度對管箱殼體有反過來的修正要求。

（3）球面隔膜墊屬新技術產品，由此帶來對管箱整體功能的影響值得注意，零部件加工中不宜隨便改變設計尺寸，否則會影響密封元件的協調性。

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Fabrication Technology of Key Structure about SphericalDiaphragm Sealing on Tube Channel in Heat Exchanger

CHEN Sun-yi
（The Challenge Petrochemical Machinery Corporation of Maoming，Maoming Guangdong 525024，China）

This paper introduces the design and technology background of all key parts or their local structure according to the technology principle of spherical diaphragm sealing of channel of heat exchanger，which includes the spherical diaphragm，the ends of channel，fasteners，channel cover and fit-up welding of diaphragm.It also put forwards its key fabrication technology and quality requirementaswellas some attention questions to be prevented.

spherical diaphragm；heat exchanger；fabrication technology

TQ05

A

1672-545X（2016）05-0044-06

2016-02-03

陳孫藝（1986-），男，廣東化州人，工學博士，教授級高級工程師，從事承壓設備及管件的設計開發、制造工藝、失效分析及技術管理。