溫度應(yīng)力對(duì)環(huán)式換熱器殼程密封結(jié)構(gòu)的影響

余勝麟

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器最早是由美國(guó)雪弗龍(Chevron)公司和日本千代田公司共同研究開發(fā)成功的。當(dāng)殼程為低壓而管程為高壓時(shí)，采用H-L型，當(dāng)管殼程均為高壓時(shí)采用H-H型。

這種換熱器的殼體與管箱鍛成或焊為一體，殼程側(cè)頂端為封頭，管箱端部用螺紋鎖緊環(huán)旋入，就像一個(gè)大的絲堵旋入管箱內(nèi)。與法蘭式換熱器相比，其最大的一個(gè)特點(diǎn)就是把由內(nèi)壓引起的軸向力傳遞到了螺紋鎖緊環(huán)和管箱端部螺紋上，而壓緊螺栓只提供墊片密封所需的壓緊力，一旦發(fā)生泄漏只需調(diào)節(jié)壓緊螺栓即可壓緊墊片。而傳統(tǒng)的法蘭式換熱器主螺栓由于需要同時(shí)承受內(nèi)壓和壓緊力兩種負(fù)荷，在相同壓力下?lián)Q熱器的螺栓非常大，法蘭面非常厚，不僅體積要遠(yuǎn)大于螺紋鎖緊環(huán)換熱器，而且一旦發(fā)生泄漏難以進(jìn)行緊漏。因此，螺紋鎖緊環(huán)式換熱器以其密封可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、泄漏點(diǎn)少、生產(chǎn)維護(hù)簡(jiǎn)便、能及時(shí)排除設(shè)備運(yùn)行中的泄漏等優(yōu)點(diǎn)在加氫裝置中得到廣泛應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

H-H型螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)其獨(dú)特的受力及密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的（見圖1）。

（1）管程壓力的傳遞過(guò)程 管程內(nèi)的壓力所產(chǎn)生的軸向力，由管箱蓋板通過(guò)螺紋鎖緊環(huán)的外螺紋和管箱的內(nèi)螺紋傳遞給管箱筒體。

圖1 H-H型高壓換熱器管箱結(jié)構(gòu)圖

（2）殼程壓力的傳遞過(guò)程 管板兩側(cè)壓差產(chǎn)生的軸向力，由管板通過(guò)分程箱套筒、分程箱支撐環(huán)、內(nèi)法蘭螺栓、內(nèi)法蘭、四合環(huán)傳遞給管箱凸臺(tái)。

（3）管程密封結(jié)構(gòu) 由密封盤、外圈壓環(huán)、外圈頂銷、外圈螺栓、螺紋鎖緊環(huán)、管箱所組成。調(diào)節(jié)外圈螺栓的力矩時(shí)密封比壓將隨著改變，從而達(dá)到控制密封的目的。

（4）殼程密封結(jié)構(gòu) 由管板、分程箱套筒、分程箱支撐環(huán)、內(nèi)法蘭螺栓、內(nèi)法蘭和四合環(huán)所組成。調(diào)節(jié)內(nèi)法蘭螺栓也可控制密封面比壓。通常為使管程和殼程之間不串漏，密封墊片應(yīng)充分壓緊，如在操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有內(nèi)漏現(xiàn)象時(shí)上緊內(nèi)圈螺栓，使壓緊力由內(nèi)圈螺栓、內(nèi)圈頂銷、內(nèi)圈壓環(huán)、壓環(huán)、內(nèi)套筒、分程箱支撐環(huán)、分程箱套筒、管板傳遞到墊片上即可密封。

2 存在的問(wèn)題

在對(duì)現(xiàn)役的H-H型螺紋鎖緊環(huán)換熱器進(jìn)行檢修時(shí)，常能發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）分程箱套筒和管板接觸處開口，分程箱套筒變形嚴(yán)重。

（2）四合環(huán)變形嚴(yán)重，難以從管箱凹槽中拆卸出來(lái)。

（3）內(nèi)法蘭螺栓無(wú)法拆卸，某些內(nèi)法蘭螺栓在多重軸向力作用下，頭部被墩粗或彎曲。

經(jīng)分析在運(yùn)行過(guò)程中，分程箱套筒、四合環(huán)和內(nèi)法蘭螺栓都受到3個(gè)力的作用：

（1）安裝時(shí)上緊力矩產(chǎn)生的壓緊力。

（2）殼程與管程介質(zhì)壓力差產(chǎn)生的壓緊力。

（3）分程箱套筒與管箱筒體軸向熱膨脹量之差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。

而且一旦發(fā)現(xiàn)有管殼程竄漏現(xiàn)象，還需要上緊內(nèi)圈螺栓，使分程箱套筒又受到上緊內(nèi)圈螺栓所產(chǎn)生的壓緊力作用。在這些軸向力的作用下，分程箱套筒、四合環(huán)和內(nèi)法蘭螺栓先后發(fā)生變形，最終將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備管殼程之間密封不嚴(yán)，管殼程內(nèi)流體發(fā)生竄漏。

在分程箱套筒等內(nèi)件受到的這些軸向力中，主要都是為了保證殼程密封而人為加載到設(shè)備上的，只有由分程箱套筒與管箱筒體軸向熱膨脹量之差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是隨著設(shè)備溫度的上升自發(fā)產(chǎn)生的。因此內(nèi)件所受過(guò)大軸向力必然是由此溫度應(yīng)力導(dǎo)致的。

3 溫度應(yīng)力的計(jì)算

為明確溫度應(yīng)力對(duì)管箱內(nèi)件的影響，以某HH型螺紋鎖緊環(huán)換熱器為例，對(duì)分程箱套筒與管箱筒體之間的溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)在常溫（25℃）時(shí)，管箱凸臺(tái)、四合環(huán)、內(nèi)法蘭、內(nèi)法蘭螺栓、分程箱套筒及管板之間處于緊密接觸狀態(tài)，而未施加額外的上緊力；在溫度升高過(guò)程中僅考慮分程箱套筒及對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度管箱筒體的熱膨脹量，忽略四合環(huán)、內(nèi)法蘭、內(nèi)法蘭螺栓和管板及管箱筒體其余部分在軸向上的熱膨脹量，且暫不考慮殼程墊片的變形（見表1、表2）。

表1 H-H型螺紋鎖緊環(huán)換熱器參數(shù)

表2 分程箱套筒及管箱筒體的參數(shù)

當(dāng)設(shè)備溫度從25℃升到設(shè)計(jì)溫度425℃時(shí)，分程箱套筒與管箱筒體同時(shí)發(fā)生熱膨脹，由于熱膨脹系數(shù)不同，兩者之間將產(chǎn)生溫度應(yīng)力，其中分程箱套筒受軸向壓應(yīng)力，而管箱筒體受軸向拉應(yīng)力，分程箱套筒與管箱筒體軸向的應(yīng)變?cè)隽肯嗟?，即?=ε2。

同理，管箱筒體的總軸向應(yīng)變

代入，可解得軸向力F

式中，F(xiàn)—分程箱套筒與管箱筒體互相作用的軸向力（N）；ε1—分程箱套筒發(fā)生的軸向應(yīng)變；ε2—管箱筒體發(fā)生的軸向應(yīng)變；A1—分程箱套筒的截面積（mm2）；A2—管箱筒體的截面積（mm2）；E1—分程箱套筒的彈性模量（N/mm2）；E2—管箱筒體的彈性模量（N/mm2）；α1—分程箱套筒在25～425℃之間的平均熱膨脹系數(shù)；α2—管箱筒體在25～425℃之間的平均熱膨脹系數(shù)；t—設(shè)計(jì)溫度，425℃；t0—室溫，25℃。

則 F=41 641 413 N

常溫下分程箱套筒長(zhǎng)度l=766 mm，則分程箱套筒的伸長(zhǎng)量

分程箱套筒軸向應(yīng)力

式中，σs1t—分程箱套筒設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度

（N/mm2）。

因此，分程箱套筒在溫度和壓應(yīng)力的作用下，軸向上仍然伸長(zhǎng)4．5 mm，但由于所受壓應(yīng)力大于其設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度，盡管分程箱套筒總長(zhǎng)增加，但實(shí)際上分程箱套筒被壓縮并發(fā)生塑性變形。一旦設(shè)備溫度降為常溫，熱膨脹量消失，分程箱套筒長(zhǎng)度將小于原長(zhǎng)，作用于殼程墊片上的壓緊力將減小，管殼程之間即會(huì)發(fā)生竄漏。

（2）由圖2可以看出，四合環(huán)與管箱凸臺(tái)接觸面的外徑為四合環(huán)的外徑減去四合環(huán)2倍的倒角，忽略倒角尺寸，四合環(huán)的外徑Do=?1 549 mm。

四合環(huán)與管箱凸臺(tái)接觸面的內(nèi)徑為管箱凸臺(tái)的內(nèi)徑加上管箱凸臺(tái)2倍的倒角，同樣忽略倒角尺寸，管箱凸臺(tái)的內(nèi)徑為Di=?1 500 mm。

由此可以得出四合環(huán)與管箱凸臺(tái)的接觸面積

四合環(huán)和管箱凸臺(tái)所受到的壓應(yīng)力為：

四合環(huán)的材料為0Cr18Ni10Ti鍛件，常溫屈服強(qiáng)度σs3為205 MPa，設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度σs3t為118 MPa，四合環(huán)所受的壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度，四合環(huán)被壓縮發(fā)生塑性變形，所以在停工時(shí)難以從管箱中取出。

（3） 設(shè)備采用72個(gè)M48×3的內(nèi)法蘭螺栓，螺栓的小徑為?44．752 mm，所有螺栓的截面積

內(nèi)法蘭螺栓所受的軸向應(yīng)力

內(nèi)法蘭螺栓材料為SA－453－660B，常溫屈服強(qiáng)度為585 MPa，設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度為517 MPa，許用應(yīng)力為147 MPa，內(nèi)法蘭螺栓受到的軸向應(yīng)力也大于其設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

可以看出，溫度應(yīng)力對(duì)H－H型螺紋鎖緊環(huán)換熱器，尤其是對(duì)高溫下運(yùn)行的H－H型螺紋鎖緊環(huán)換熱器影響極大，在設(shè)計(jì)此類換熱器時(shí)，對(duì)溫度應(yīng)力的校核應(yīng)是設(shè)計(jì)計(jì)算中的重要組成部分。

為了避免溫度應(yīng)力引起分程箱套筒和四合環(huán)的塑性變形，可以采取以下措施：

（1）增大分程箱套筒的壁厚，減小分程箱套筒受到的壓應(yīng)力。

（2）增大四合環(huán)的外徑，盡量減小四合環(huán)和管箱凸臺(tái)的倒角大小，以增大兩者的接觸面積，從而減小四合環(huán)受到的壓應(yīng)力。

（3）改變分程箱套筒的材料，減小其熱膨脹系數(shù)，從而減小溫度應(yīng)力，降低內(nèi)螺栓、分程箱套筒和四合環(huán)受到的壓應(yīng)力。

某些H－H型螺紋鎖緊環(huán)換熱器通過(guò)在分程箱套筒與管板之間增加一層墊片，利用墊片的變形吸收部分分程箱套筒的熱膨脹量，也能有效減小溫度應(yīng)力。

從另一角度來(lái)說(shuō)，超溫運(yùn)行引起的過(guò)大溫度應(yīng)力將會(huì)對(duì)H－H型高壓換熱器管箱結(jié)構(gòu)造成不可逆的損傷，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)該嚴(yán)禁H－H型螺紋鎖緊環(huán)換熱器超溫運(yùn)行。而先升溫后升壓及先降壓后降溫的開停車程序不僅能夠避免此類換熱器氫損傷，還可以借助溫度應(yīng)力增大墊片的壓緊力。