高壓螺紋鎖緊環換熱器的設計

范勇波

摘 要：本文從高壓螺紋鎖緊環換熱器結構及其應用特點出發，對換熱器的結構設計、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;換熱器;設計

1 高壓螺紋鎖緊環換熱器結構設計

高壓螺紋鎖緊環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。螺紋鎖緊環換熱器具有特殊管箱結構，如下圖所示。

如上圖所示，螺紋鎖緊環換熱器管箱結構的管程筒體和殼程筒體能焊接為整體，所有內構件都安裝在內部，有效減少泄漏點和泄漏概率。螺紋鎖緊環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構的換熱器主螺栓需承受內壓和壓緊力兩種載荷，在相同工況下，螺紋鎖緊環結構更加緊湊，顯著提高結構的密封可靠性及運行安全性能。對密封結構來說，高壓螺紋鎖緊環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，其密封主要依靠內部螺栓擰緊來實現。在操作中，因換熱器長期處于高溫高壓狀態，管殼程間密封墊片和內部螺栓間會出現應力松弛現象，導致管殼程間密封性降低，此時可擰緊內圈螺栓來提高其密封性，并利用內嵌螺栓作用力借助密封盤、頂銷、壓環等傳遞給管殼程和管板的墊片結構，提高結構密封性。

在結構設計中，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，內圈壓緊螺栓直徑應與內套筒直徑一致，外圈壓緊螺栓直徑應當與管程密封墊片直徑一致，壓環和內套管結構在設計中應當能抵抗由內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構，由于管箱殼體較厚，通常采用安放結構式焊接結構，該結構受力情況良好、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 高壓螺紋鎖緊環換熱器材料選擇及計算

從設備材料選擇、結構設計以及計算方面出發。首先在選材上，由于加氫裝置高壓換熱器常處于介質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境、高壓臨氫腐蝕環境、高溫硫腐蝕環境、氯化銨和硫氰化銨腐蝕環境，需根據不同腐蝕環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境時，需根據設計溫度和氫分壓，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境，同時存在硫腐蝕時，選擇與高溫氫和硫化氫腐蝕環境一致。對于高溫氫和硫化氫及氯化銨和硫氰化銨腐蝕環境，需考慮氯化銨結晶對換熱管的腐蝕，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℃溫度范圍內長期操作時，有較明顯回火脆化傾向，要嚴格執行以下要求：

對于焊接接頭材料：X系數=（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=（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的主螺紋計算中，要確定主螺紋螺距和其他參數，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。在確定結構設計參數后，要先假設主螺紋扣數，經多次校核，選取合適的主螺紋扣數，確保主螺紋安全可靠。

3 小結

由于高壓螺紋鎖緊環換熱器一般都在高溫高壓的加氫工況運行，一旦發生事故，將會造成嚴重后果。因此，在螺紋鎖緊環換熱器設計時，應從結構設計、材料選擇、計算等方面綜合考慮，對換熱器進行優化設計，使其能夠滿足操作工況的需求。

參考文獻：

[1]潘善志.高壓加氫換熱器密封結構的選型[J].安徽化工，2013（02）.

[2]李鉆.螺紋鎖緊環換熱器內漏原因分析及處理[J].中國新技術新產品，2012（07）.