海水淡化蒸發(fā)器氣密性試驗(yàn)的特點(diǎn)分析

曹福勤

（上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機(jī)廠，上海 200090）

0 概 述

某型海水淡化蒸發(fā)器為12 000t／d低溫多效（MED－TVC）海水淡化裝置，海水淡化裝置由4個(gè)大蒸發(fā)器（一效～四效）和2個(gè)小蒸發(fā)器（五效、六效）組成。如圖1所示。每效蒸發(fā)器設(shè)備呈圓筒狀，圓筒外徑分別為?6 700mm和?5 500mm，整體長(zhǎng)度86 000 mm，筒體壁厚為11mm，設(shè)備的主要材料為316L不銹鋼板。每效蒸發(fā)器二端面有封板，內(nèi)部各有2塊厚度為20mm的管板及5塊厚度為10mm隔板。

圖1 海水淡化蒸發(fā)器示意圖

1 氣密性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)要求

海水淡化蒸發(fā)器的密封性是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。設(shè)備制成后，必須進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。蒸發(fā)器的氣密性試驗(yàn)，如圖2所示。這是為驗(yàn)證設(shè)備是否具備在設(shè)計(jì)壓力下運(yùn)行所需的承壓能力，并檢驗(yàn)連接焊縫是否存在缺陷，確保各連接部位的密封性。通過(guò)密封性試驗(yàn)，才能保證蒸發(fā)器在工作壓力下具有可靠的密封性能。海水淡化蒸發(fā)器氣密性試驗(yàn)要求，如表1所示。

圖2 一效蒸發(fā)器氣密性試驗(yàn)示意圖

表1 海水淡化蒸發(fā)器氣密性試驗(yàn)要求

1.2 試驗(yàn)特點(diǎn)

在通常的氣密性試驗(yàn)中，壓力容器的密封面需進(jìn)行機(jī)加工，如法蘭面、水室的連接處、人孔端面等都需經(jīng)過(guò)機(jī)加工后，達(dá)到氣密性試驗(yàn)的密封要求。壓力容器的接管密封是在接管的端口處焊接封板，達(dá)到密封要求。對(duì)于大型的海水淡化蒸發(fā)器，因密封的端面較大，其密封面是不經(jīng)機(jī)加工的冷作件，采用厚度為4mm不銹鋼鋼板作為封板，密封蒸發(fā)器的端面。

端面的平面度偏差較大，且蒸發(fā)器的接管不允許采用焊接封板的密封形式，這些技術(shù)要求，給氣密性試驗(yàn)的實(shí)施帶來(lái)較大的難度。

2 氣密性試驗(yàn)存在的問(wèn)題和解決方法

2.1 一效至四效蒸發(fā)器端面蓋板的設(shè)計(jì)

蒸發(fā)器氣密性試驗(yàn)時(shí)，一效～四效的端部均有1塊直徑為?6 678mm大面積的封板，封板上有4個(gè)大缺口，如圖3所示，缺口四周無(wú)螺孔可以用于壓緊定位，為此，設(shè)計(jì)了整塊蓋板封堵該缺口，如圖4、圖6所示。蓋板厚度為4mm，材料為Q235－A.F，采用壓板螺栓將蒸發(fā)器封板及橡膠墊片壓牢，壓板螺栓的間距為180mm，連接方式如圖5所示。由于蒸發(fā)器端面封板和工裝蓋板均是冷作件或焊接件，其密封面沒(méi)有進(jìn)行機(jī)加工，表面平面度偏差達(dá)到±1 mm。在首次氣密性試驗(yàn)中，曾發(fā)生多處泄漏。

圖3 一至四效蒸發(fā)器端面封板

圖4 一效～四效的蒸發(fā)器蓋板

圖5 蒸發(fā)器端面封板密封示意圖

2.1.1 氣體泄漏原因

圖6 蒸發(fā)器端面的大型封板

由于密封面的平面度偏差較大，導(dǎo)致密封橡膠墊片的接觸狀態(tài)不佳，因橡膠墊片受力不均，密封面又比較大，有些間隙無(wú)法消除。橡膠密封墊片反彈力與介質(zhì)壓力的分布，如圖7所示。圖7中，O點(diǎn)為橡膠墊片螺栓壓緊處外側(cè)，Pd為墊片反彈力，該反彈力是擰緊螺栓時(shí)引起墊片變形而產(chǎn)生的，具有由外向內(nèi)遞減的趨勢(shì)。

圖7 墊片反彈力與介質(zhì)壓力分布曲線圖

由于介質(zhì)壓力Pj從內(nèi)向外逐漸遞減，當(dāng)外界的介質(zhì)壓力為零時(shí)，則密封狀態(tài)最佳，密封間隙S為零時(shí)，泄漏量為零，而當(dāng)介質(zhì)壓力大于零時(shí)，則泄漏量隨著介質(zhì)壓力的增大而增大。由此可見(jiàn)，在2個(gè)相鄰螺栓的中間處，墊片反彈力與介質(zhì)壓力恰恰相反，介質(zhì)壓力大，此處所需的密封橡膠墊片反彈力也大，而墊片反彈力在此處恰恰為最小，該處的密封就容易被破壞，導(dǎo)致泄漏的發(fā)生。

2.1.2 端面封板及加強(qiáng)筋彎曲應(yīng)力的計(jì)算

為了確保蒸發(fā)器氣密性試驗(yàn)的順利進(jìn)行，需對(duì)端面封板及加強(qiáng)筋的彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 端面封板及加強(qiáng)筋位置簡(jiǎn)圖

（1） 端面封板彎曲應(yīng)力

由上式得：σ1＝54MPa≤0.7［σ］＝0.7×113 MPa＝79.1MPa

端面封板材料為Q235－A.F，［σ］＝113MPa，根據(jù)計(jì)算可知，實(shí)取的端面封板彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力，驗(yàn)算通過(guò)。

式中：σ1——端面封板彎曲應(yīng)力，MPa；

P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

l1——受壓范圍長(zhǎng)度，mm；

l2——受壓范圍寬度，mm；

L ——加強(qiáng)筋長(zhǎng)度，mm；

F ——作用力，kg；

M ——彎距，kg.mm；

H——加強(qiáng)筋高度，mm；

W ——加強(qiáng)筋厚度，mm；

A1——加強(qiáng)筋截面積，mm2；

d——端面封板壁厚，mm；

b——有效受力寬度，mm；

A2——端面封板截面積，mm2；

c1——形心距底部距離，mm；c1＝（A1n1＋A2n2）／（A1＋A2）；n1＝H／2＋d；n2＝d／2；

I ——總慣性矩，mm4。

（2）加強(qiáng)筋彎曲應(yīng)力

由上式得：σ2＝48MPa≤0.7［σ］＝0.7×113 MPa＝79.1MPa

加強(qiáng)筋材料為Q235－A.F，［σ］＝113MPa，根據(jù)計(jì)算可知，實(shí)取的加強(qiáng)筋彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力，驗(yàn)算通過(guò)。

式中：σ2——加強(qiáng)筋彎曲應(yīng)力；

c2——形心距頂部距離，mm；c2＝H＋d－c1。

（3）加強(qiáng)筋間距

加強(qiáng)筋的間距計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖9所示。

圖9 加強(qiáng)筋間距計(jì)算簡(jiǎn)圖

由上式得：x1≤1 041mm

x1（加強(qiáng)筋實(shí)際間距）＝610mm≤1 041mm

根據(jù)計(jì)算可知，實(shí)取加強(qiáng)筋間距為合格。式中：PD——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

SA——端面封板許用應(yīng)力，MPa；

tp——端面封板厚度，mm；

x1——加強(qiáng)筋間距，mm。

2.1.3 端面封板的密封改進(jìn)措施

在氣密性試驗(yàn)中，蒸發(fā)器筒體端面封板密封面有氣體泄漏現(xiàn)象，致使氣密性試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。針對(duì)此問(wèn)題，為了提高筒體端面封板與蓋板的密封性，將橡膠墊片55mm×6mm改為低硬度的方形橡膠8 mm×8mm，如圖10、圖11所示。減少了墊片的接觸面積，增加密封面的單位面積壓力，使方形橡膠條與筒體端面封板及蓋板密封面緊密接觸，防止產(chǎn)生氣體泄漏。

圖10 低硬度的方形橡膠定位在蓋板上

2.2 五效與六效端面封板的設(shè)計(jì)

圖11 改進(jìn)后蒸發(fā)器端面封板的密封狀態(tài)

產(chǎn)品出廠時(shí)，一效～四效蒸發(fā)器是單獨(dú)件，五效～六效蒸發(fā)器是組合件，如圖12所示。蒸發(fā)器端面各有1塊直徑為5 478mm大面積的封板，封板上有4個(gè)大缺口。在氣密性試驗(yàn)前，需制造4塊蓋板封閉4個(gè)大缺口，但五效蒸發(fā)器封板處的筒體已與六效蒸發(fā)器筒體連接，整體蓋板無(wú)法進(jìn)入筒體。經(jīng)結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)五效～六效蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，在五效和六效蒸發(fā)器筒體連接處，有一橢圓形人孔，其長(zhǎng)軸長(zhǎng)為1 020mm；短軸長(zhǎng)為500mm，因此，將五效蒸發(fā)器的蓋板設(shè)計(jì)成2塊小蓋板的組合件，其寬度小于橢圓形人孔長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，可將蓋板放入筒體內(nèi)，拼裝2塊小蓋板后，成為1塊大蓋板，如圖13所示，然后再對(duì)準(zhǔn)蒸發(fā)器封板的缺口合攏裝配。

圖12 五效與六效蒸發(fā)器氣密性試驗(yàn)示意圖

圖13 五效蒸發(fā)器蓋板示意圖

2.2.1 五效蒸發(fā)器蓋板的密封方法改進(jìn)

五效蒸發(fā)器蓋板由2塊小蓋板連接而成，在連接處，用M10螺栓將厚度為6mm的橡膠墊片壓緊，達(dá)到密封要求。在第一次氣密性試驗(yàn)中，也曾發(fā)生泄漏。泄漏原因是蓋板受到筒向氣體的頂壓后，2塊小蓋板的中間連接處向外凸出，中間密封面發(fā)生了移位，橡膠墊片不能完全填充間隙空間。為了使小蓋板聯(lián)接處不發(fā)生泄漏，將厚度為6mm橡膠墊片改為具有良好密封性能的?8海綿橡膠條。將拼裝好的整塊蓋板對(duì)準(zhǔn)五效蒸發(fā)器的封板缺口，進(jìn)行合攏裝配，并擰緊全部壓板螺栓，但是，在2塊小蓋板的連接處的存在間隙，需用真空橡膠泥塞堵間隙后進(jìn)行試壓，順利地通過(guò)了氣密性試驗(yàn)。

2.3 一效蒸發(fā)器接管密封裝置的設(shè)計(jì)

蒸發(fā)器接管不允許采用焊接封板進(jìn)行密封，所以，接管密封采用U型墊圈，密封狀態(tài)如圖14所示。密封材料為乙稀丙稀橡膠，將其套在?2 400 mm×10mm接管的端口上，然后蓋上密封板，擰緊圓周上40個(gè)M12螺栓，密封接管的端口。

圖14 接管密封裝置

2.4 六效蒸發(fā)器接管密封方式

六效蒸發(fā)器的4個(gè)?1 219mm×8mm接管端面加工了剖口，剖口角度為32.5°，呈尖角形。當(dāng)密封板被壓緊時(shí)，U型橡膠墊圈易被接管端口的焊接剖口剪切，橡膠墊圈發(fā)生破裂，導(dǎo)致氣體泄漏。故該類接管密封不能用U型橡膠墊圈。利用密封板與接管口直接緊密接觸的方式進(jìn)行密封，如圖15、圖16所示，采用涂中性RTV橡膠平面密封膠的密封方法。使用前清除密封板、接管口毛刺及油污，再將密封板對(duì)準(zhǔn)接管口合攏裝配，然后擰緊螺栓。最后在擰緊后的密封板外周上涂一圈RTV橡膠平面密封膠，待密封膠24小時(shí)固化后，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。

圖15 大接管端面有剖口的密封形式

2.5 蒸發(fā)器人孔密封的補(bǔ)救方法

圖16 蒸發(fā)器對(duì)外接管的密封

進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器人孔蓋的平面度較差，導(dǎo)致人孔密封面泄漏。原因是U型橡膠墊圈在平面度較差處的填充量不夠。根據(jù)實(shí)物情況，在U型橡膠墊圈與接管端口之間安放了?10mm的丁晴橡膠條，如圖17所示。通過(guò)增加填料厚度，提高了密封性能，杜絕了泄漏。

圖17 人孔蓋密封處增加橡膠條

2.6 換熱管密封塞頭的設(shè)計(jì)

對(duì)一效～六效蒸發(fā)器水室和二效、四效、六效蒸發(fā)器后水室進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí)，需將換熱管的管口堵住，阻止氣體從換熱管泄漏。換熱管口為?25.4 mm。利用具有斜度的橡皮塞頭堵住換熱管的管口，選擇橡皮塞頭斜度大小較為重要，橡皮塞頭的斜度過(guò)小，在氣密性試驗(yàn)后，塞頭就不易從管內(nèi)拔出；橡皮塞頭的斜度過(guò)大，則塞頭容易從管口處脫落，導(dǎo)致氣體泄漏。通過(guò)數(shù)次試驗(yàn)，決定了橡皮塞頭尺寸大小和角度，如圖18所示。

圖18 橡皮塞頭密封示意圖

2.7 提高測(cè)量精度及檢測(cè)方法

為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，采用表盤直徑為200 mm、精度為0.4級(jí)的壓力表，壓力表的最大量程為試驗(yàn)壓力值的2～3倍。在現(xiàn)場(chǎng)的氣密性試驗(yàn)中，如圖19所示，需在不同位置使用2個(gè)相同的壓力表進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)容器內(nèi)充入一定壓力的氣體后，對(duì)所有焊縫和連接部位涂刷肥皂水進(jìn)行檢查，目測(cè)檢查連接處是否有冒泡現(xiàn)象，以此判斷工件是否有泄漏。

圖19 蒸發(fā)器的氣密性試驗(yàn)

3 結(jié) 語(yǔ)

海水淡化蒸發(fā)器的密封面是沒(méi)有進(jìn)行機(jī)加工的冷作件，在氣密性試驗(yàn)中發(fā)生了泄漏，針對(duì)實(shí)際情況采取相應(yīng)對(duì)策，改進(jìn)了氣密性試驗(yàn)的工藝裝備，使其結(jié)構(gòu)和布置上更合理、更實(shí)用，較好地解決了試驗(yàn)中的泄漏問(wèn)題。