絲堵式空冷器管束密封技術(shù)研究

楊峰

摘 要：管束產(chǎn)品的運行情況為整個設(shè)備運行的核心部分。文章對空冷器管束絲堵密封技術(shù)進行深入研究，分析影響密封重要因素，并闡述在設(shè)計制造中重點問題的解決方案，以便于現(xiàn)場運行時，減少維修提高運行效率。

關(guān)鍵詞：密封面；絲堵；墊片；絲堵板

中圖分類號：TK172 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0152-02

Abstract： The operation of the pipe bundle product is the core part of the whole equipment operation. In order to reduce maintenance and improve operation efficiency， the sealing technology of air cooler bundle wire is studied in depth， the important factors affecting sealing are analyzed， and the solutions to the key problems in design and manufacture are expounded in this paper.

Keywords： sealing surface； wire plug； gasket； wire plug plate

1 概述

對于石油、化工、發(fā)電行業(yè)中所用空冷器，往往因絲堵密封穩(wěn)定性問題導(dǎo)致泄漏，影響設(shè)備正常運行，然而對于如何提高絲堵密封的穩(wěn)定性、安全性問題尤為重要，因此針對影響絲堵密封重要因素進行深入分析，以確定重點、難點問題的解決方案。

2 絲堵密封原理分析

空冷器絲堵密封結(jié)構(gòu)是一種榫槽型密封方式，它是由一榫面（絲堵密封面）和一槽面（絲堵板密封面）相配合而形成的，墊片置于槽內(nèi)，由于墊片較窄，壓緊面積較小，能夠產(chǎn)生較高且均勻墊片應(yīng)力，受介質(zhì)沖刷和腐蝕傾向少，因此能夠適用于高溫、高壓、高腐蝕工況場合。

絲堵密封機理是在絲堵-墊片-絲堵板連接中，通過對絲堵施加壓緊載荷，以產(chǎn)生壓緊應(yīng)力，提高墊片與絲堵板密封面的接觸程度，當(dāng)應(yīng)力增大到足以引起表面產(chǎn)生明顯的塑形變形時，就可以填補絲堵板密封面的微小凹凸不平，堵塞泄露通道，從而實現(xiàn)密封。其連接形式見圖1。

3 影響絲堵密封重要因素

3.1 墊片選擇

絲堵是否能夠可靠密封，其中最重要因素之一就是墊片材料的選擇，不同材料的墊片在相同載荷壓縮當(dāng)量下，墊片的應(yīng)力是不同的。絲堵密封結(jié)構(gòu)墊片的選擇應(yīng)根據(jù)工況環(huán)境的溫度、壓力以及密封介質(zhì)種類、化學(xué)性能、物理性能等綜合考慮。一般要求墊片材料不污染設(shè)備介質(zhì)、具有較好的變形能力和回彈力。墊片的耐用溫度應(yīng)大于實際操作溫度，且在溫度波動較大時不易變質(zhì)硬化或軟化。

空冷式換熱器絲堵密封一般采用：（1）金屬平墊片，是目前應(yīng)用廣泛的一種密封墊片。在空冷器中一般采用碳鋼軟鐵、不銹鋼或耐腐蝕含有微量元素的合金材料，能夠適應(yīng)高溫、高壓、高腐蝕工況；（2）波齒形墊片，將金屬不銹鋼平墊片的兩接觸面利用車床加工出同心、間隔均勻的溝槽，并將柔性石墨、蒙乃爾或其它一些軟金屬，附著在兩溝槽面上，在較低的預(yù)緊力下作用下，表面附著材料將墊片與絲堵隔離避免直接接觸且與二者緊密的結(jié)合，在較高的載荷下保護了絲堵密封面與絲堵板密封線不被損傷。在空冷器中波齒形墊片一般用于高溫、高壓，低腐蝕工況條下；（3）金屬纏繞式墊片，由W形、V形薄鋼帶均勻環(huán)向交替纏繞，在每層鋼帶之間填充能夠耐高溫、高壓的軟性材料，此種墊片回彈性極好，且通過不同材料組合，可解決各種介質(zhì)對墊片的化學(xué)腐蝕問題，其結(jié)構(gòu)纏繞密度、填充介質(zhì)厚度、鋼帶高度可依據(jù)不同的鎖緊力要求來制作，以加強加強主體承載力和準(zhǔn)確定位，在空冷器中金屬纏繞式墊片一般采用石墨+316L材料組合，適用于高溫、高壓、交變工況下，并能夠適應(yīng)密封面的表面精度要求不高狀態(tài)。

3.2 絲堵孔螺紋加工

在整個空冷式換熱器絲堵孔螺紋加工中，通常采用的方法有絲錐加工與螺紋銑加工，其均有各自有優(yōu)缺點，根據(jù)加工材料、螺紋公稱直徑、絲堵孔結(jié)構(gòu)以及所適用的工況不同進行選用。其中絲錐攻絲具有相對較低加工成本優(yōu)勢目前普遍使用，但又因為其在攻絲的過程中，由于受應(yīng)力大，速度較低，而且還必須反向退刀等因素容易導(dǎo)致折斷、崩齒、磨損過快加工尺寸不穩(wěn)定、螺紋表面粗糙度大等不利因素，因此在使用過程中常常受到限制，隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，螺紋銑加工技術(shù)越來越多的在空冷器制造中使用，其原理是通過數(shù)控機床的三軸聯(lián)動加工模式，利用螺紋銑刀進行螺旋插補銑削而完成的。螺紋銑相比于傳統(tǒng)絲錐優(yōu)點在于：（1）度高、光潔度好，螺紋銑刀以刀補實現(xiàn)精度，可以實現(xiàn)所需要的精度等級；（2）對于孔直徑較大、板較厚的絲堵孔，螺紋銑刀的加工效率高于絲錐；（3）不怕折斷，絲錐折斷后取出難度大，且存在絲堵孔重新補焊修復(fù)風(fēng)險，螺紋銑刀不會因扭力過大折斷，即使人為折斷也容易??；（4）螺紋銑刀非全齒接觸切削，機床負(fù)載和切削力都比絲錐小；（5）相同螺距不同直徑的螺紋孔，絲錐需要更換幾支，螺紋銑刀可通用，一把螺紋銑刀可以加工一定范圍的孔徑，而不是只能加工一個尺寸的螺紋。且一把絲錐只能生產(chǎn)一種旋向（左旋或右旋）的螺紋，這是在絲錐上已經(jīng)磨好的。（6）對于盲孔加工時，由于絲錐端頭存在錐度，無法加工至孔根部，且最后幾扣不是有效螺紋，在孔的其余深度留下未完成的螺紋，螺紋銑刀有平的底部，不存在這個問題。它能向下更深，加工出完整的螺紋，更接近同樣盲孔的底部。（7）螺紋銑刀切削為粉末狀短屑，絲錐加工為螺旋狀鐵屑，容易纏刀。

針對以上優(yōu)缺點對比空冷器螺紋銑加工與絲錐加工適用范圍可按如下區(qū)分：（1）對于常規(guī)螺紋孔M30×2、M36×

2一般采用絲錐數(shù)控加工，對于公稱尺寸較大絲堵孔M42×2、M56×2采用螺紋銑數(shù)控加工；（2）對于碳鋼、耐熱鋼材料采用絲錐數(shù)控加工，不銹鋼、合金鋼采用螺紋銑加工；（3）對于螺紋通孔且絲堵板厚度小于等于50mm的一般采用絲錐數(shù)控加工，而雙絲堵密封形式或板厚較大的可采用螺紋銑加工。

3.3 尺寸配合

對于絲堵、墊片、密封面尺寸配合一般原則為：（1）墊片厚度與絲堵板密封槽深度、絲堵密封平臺高度匹配，防止絲堵與絲堵板非密封面接觸，影響密封面間接觸干涉；（2）墊片內(nèi)外徑與絲堵板密封槽直徑、絲堵密封面直徑匹配，保證墊片在安裝過程中能夠?qū)χ?，不出槽、不偏槽，絲堵密封面能夠與墊片完全接觸，不偏壓；（3）尺寸公差匹

配。對于三者匹配尺寸可參照表1。

3.4 安裝力矩

在絲堵安裝過程中，墊片與密封面之間產(chǎn)生一定的墊片預(yù)緊力，其大小與裝配墊片時的預(yù)壓縮量以及墊片的變形特性有關(guān)，而其分布狀況與墊片截面的幾何形狀以及變形有關(guān)，從理論上講墊片預(yù)緊應(yīng)力越大，墊片中儲存的彈性應(yīng)變能力也越大，因而補償絲堵板密封面分離和連接松弛的能力也越強。密封性隨墊片的壓縮變形而變化，配合期間首先接觸的是表面最突出部分，如毛刺、顆粒狀雜物。在預(yù)緊力加載初期，因局部載荷很大，這些突出部分很快被壓平或嵌入凹陷部分，此時盡管墊片產(chǎn)生了一定的壓縮變形，但仍未達到很好的密封，在此階段，配合表面大部分呈自由狀態(tài)，間隙很大，基本上沒有密封能力，尚不能構(gòu)成初始密封，當(dāng)繼續(xù)加載預(yù)緊載荷，配合面間波峰、波谷相互穿插、嵌合，微小間隙逐漸減少直至配合面吻合，在該階段中流道截面隨預(yù)緊力增加而減小，流到阻力隨之增大，即增加預(yù)緊力載荷可有效控制、提高絲堵密封可靠性，因此合理控制預(yù)緊力對絲堵起到關(guān)鍵作用，其可按式（1）進行計算。

T=K0KFd=K0KδSASd=0.785K0KδSd（D12-D22） （1）

其中，D1-墊片外徑，mm；D2-墊片內(nèi)徑，mm；AS-墊片橫截面積，mm2；δS-墊片材料屈服強度，MPa；K-擰緊力矩系數(shù)，取0.13～0.15；K0-絲堵與絲堵孔密封面接觸系數(shù)，取1.3；F-絲堵預(yù)緊力，N；T-絲堵擰緊力矩，N·m。系數(shù)K0的變化范圍很大，與絲堵板絲堵孔潤滑狀態(tài)有關(guān)，一般取0.2-1.0，根據(jù)絲堵板材質(zhì)不同、螺紋加工方法不同選擇潤滑劑或抗咬合劑，潤滑越好系數(shù)K0取值越小，一般采用經(jīng)驗值或通過模擬試驗測得。

在絲堵安裝過程中應(yīng)注意：（1）墊片盡量與絲堵孔對

中，防止偏口密封寬度減小；（2）墊片安裝前檢查密封面是否光潔、有無機械損傷、徑向刻痕或銹蝕；（3）必須均勻、勻速施加預(yù)緊力；（4）緊固后采用扭力矩扳手進行校驗證；

（5）絲堵孔螺紋適當(dāng)涂抹潤滑劑或抗咬合劑。

4 結(jié)束語

在空冷器設(shè)計制造中對影響絲堵密封重要因素進行嚴(yán)格質(zhì)量控制，并通過不斷優(yōu)化改進來提高絲堵密封穩(wěn)定性，更好地保證設(shè)備平穩(wěn)運行。

參考文獻：

[1]NB/T 47007-2010.空冷式熱交換器[S].國家能源局.1-47.

[2]吳曉鈴，袁麗娟.密封設(shè)計入門[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013（5）：6-27.

[3]成大先.機械設(shè)計手冊（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007（11）：69-83.

[4]吳永海.淺析空冷器管束組裝工藝[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（21）：38.