新型低溫管道出保冷箱密封結(jié)構(gòu)

梁銀峰

(西安陜鼓工程技術(shù)有限公司，陜西 西安 710000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)能力的提高，空氣分離裝置產(chǎn)量的不斷提高。對于設(shè)備、管道等殘留低溫液體的排放管，不凝氣的排放管等這些間斷性低溫管道的直徑越來越大，低溫排放時間也越來越長。因此現(xiàn)有的管道出保冷箱的密封結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足設(shè)計要求。本文通過對比分析，介紹一種新型的低溫管道出保冷箱的密封結(jié)構(gòu)。

1 管道穿出保冷箱現(xiàn)有三種形式

1.1 換熱器箱頂常溫氣體管道

對這種常溫管道穿出保冷箱現(xiàn)在一般采用“連接件”(圖1a)或“浮動套”(圖1b)的設(shè)計形式。

a．連接件結(jié)構(gòu) b.浮動套結(jié)構(gòu)

1.2 間斷性低溫氣體吹除、液體排放管道

對于這種管道穿出保冷箱現(xiàn)在一般采用“貼面法蘭”(圖2)的設(shè)計形式。

圖2 貼面法蘭結(jié)構(gòu)

1.3 常流低溫氣體、液體管道

對于這種管道穿出保冷箱現(xiàn)階段采用發(fā)泡(圖3)，來達(dá)到保冷密封作用。

圖3 發(fā)泡結(jié)構(gòu)

2 “間斷性低溫吹除排放管道”密封結(jié)構(gòu)缺陷分析

對常溫管道出保冷箱的密封結(jié)構(gòu)“連接件”或“浮動套”都不會出現(xiàn)保冷不良、保冷箱掛霜以及密封不嚴(yán)的問題，這兩種結(jié)構(gòu)完全能夠滿足設(shè)計要求。對于間斷性低溫吹除排放管道，由于現(xiàn)場安裝條件、運(yùn)行狀況等因素，貼面法蘭很難達(dá)到良好的密封性，經(jīng)常出現(xiàn)漏氣漏砂的現(xiàn)象。隨著空氣分離裝置生產(chǎn)能力的不斷提高，對于設(shè)備、管道等殘留低溫液體的排放管，不凝氣的排放管等這些間斷性低溫管道的直徑越來越大，低溫時間也越來越長。長時間排液容易導(dǎo)致冷箱凍裂，而凍裂這種情況在大空分尤為明顯，存在嚴(yán)重的安全隱患。因為普通碳鋼(如Q235B)在低溫狀況下金屬的機(jī)械性能開始下降，溫度越低，性能下降越明顯，發(fā)生冷脆的可能性越大，一旦發(fā)生冷脆直接影響所在區(qū)域的安全性[1]。先前有項目的間斷性低溫吹除排放管道也采用發(fā)泡結(jié)構(gòu)，但由于現(xiàn)場施工條件受限，發(fā)泡質(zhì)量不過關(guān)。密封性不理想，而且這種結(jié)構(gòu)多在冷箱底部，來往人多，影響保冷箱美觀。

3 新型密封板結(jié)構(gòu)介紹(圖4)

鋁(不銹鋼)管道與序號4密封焊接。序號1與冷箱面板密封焊接。序號1、2、3、4之間用螺栓連接。

1. 不銹鋼板δ=2mm； 2. 不銹鋼板δ=4mm； 3. 改性聚四氟乙烯墊片δ=4mm； 4. 鋁板或不銹鋼板δ=5mm

圖4新型密封結(jié)構(gòu)

Fig.4 New seal structure

傳熱是一種復(fù)雜現(xiàn)象。從本質(zhì)上來說，只要一個介質(zhì)內(nèi)或者兩個介質(zhì)之間存在溫度差，就一定會發(fā)生傳熱。我們把不同類型的傳熱過程稱為傳熱模式。物體的傳熱過程分為三種基本傳熱模式，即：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射[2]。在保冷箱內(nèi)填充滿了固體的珠光砂，限制了密封氣體的對流，同時又是低溫狀態(tài)，熱對流和熱輻射與熱傳導(dǎo)對比，傳熱影響就微乎其微。

表1 ANSYS Workbench相關(guān)計算參數(shù)

計算熱傳導(dǎo)的速率方程就是傅立葉定律：

Qx(W/m2)是與傳輸方向相垂直的單位面積上的熱流速率。它與在該方向上的溫度梯度成正比，其中的比例系數(shù)k就是介質(zhì)的熱導(dǎo)率，是物質(zhì)最基本的物理性質(zhì)之一。不銹鋼(06Cr19Ni10)材料的導(dǎo)熱率僅為碳素鋼(Q235B)材料導(dǎo)熱率的1/4。同時2 mm厚的不銹鋼板在滿足密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下減小了傳熱截面積。因此此密封結(jié)構(gòu)充分利用不銹鋼板傳熱和耐低溫的特性，解決了冷箱箱板凍裂和掛霜的現(xiàn)象。

4 新型密封板優(yōu)點(diǎn)分析

保冷箱內(nèi)裝填珠光砂是為了限制冷箱內(nèi)密封氣的對流，對流將導(dǎo)致冷損。正常運(yùn)行時，冷箱內(nèi)珠光砂及孔隙內(nèi)的密封氣存在一個溫度場，如果冷箱有縫隙，冷箱內(nèi)壓力降低，為了保持冷箱壓力，將向冷箱充污氮?dú)猓湎鋬?nèi)處于溫度場較低溫度區(qū)的密封氣將向冷箱壁流動，最終將導(dǎo)致冷箱掛霜。吹除排放管道處于冷箱下部，而此處箱內(nèi)低溫管道較集中，容易出現(xiàn)此類問題，所以新設(shè)計的結(jié)構(gòu)將貼面法蘭的“線密封”改為了改性聚四氟乙烯墊片的“面密封”。

在排液過程中，排液管道周圍的低溫區(qū)將擴(kuò)散成較大區(qū)域，長時間排液、將導(dǎo)致碳鋼箱板凍裂。為了解決此問題，新結(jié)構(gòu)將管道周圍的碳鋼板換成了不銹鋼板，為了得到不銹鋼板的最小尺寸，最大程度減少不銹鋼板用量，采用先進(jìn)的ANSYS進(jìn)行傳熱模擬計算，得出了管道周圍溫度場，將不銹鋼板、碳鋼板連接處的溫度控制在碳鋼可以耐受的溫度之上。在模擬中發(fā)現(xiàn)，四氟墊片內(nèi)溫度梯度較大，對傳熱有明顯阻礙作用，另外不銹鋼板的厚度也是影響低溫擴(kuò)散區(qū)的一個重要因素，所以，墊片壓緊處鋼板仍用厚板，但是之外的區(qū)域用薄不銹鋼板，這樣還可以節(jié)省材料。

考慮到安裝環(huán)節(jié)，鋁管和鋁板的焊接熱影響區(qū)可能會影響到改性聚四氟墊片的性能，進(jìn)行了驗證性試驗，由于鋁材良好的導(dǎo)熱性，連續(xù)焊接過程中，焊接熱量盡快擴(kuò)散，并沒有使改性聚四氟墊片發(fā)生變形。

5 ANSYS Workbench對本密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析

1．ANSYS Workbench steady-state Thermal中相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。鋁管內(nèi)為低溫液體(液氧或液氮)故其內(nèi)表面溫度設(shè)置為-196℃，環(huán)境溫度為5℃，空氣對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·℃)。

2．用steady-state Thermal模擬結(jié)果見圖5，由溫度云圖可以看出即使在鋁管溫度-196℃，環(huán)境溫度5℃，空氣對流換熱系數(shù)10 W/(m2·℃)這樣苛刻的條件下保冷箱Q235B面板的溫度為2.9℃，符合Q235B材料的使用要求。Q235B作為重要承重結(jié)構(gòu)，其承受靜載荷及間接動載荷時，使用環(huán)境溫度應(yīng)高于-20℃[3]。

圖5 ANSYS分析結(jié)果云圖

6 結(jié)束語

本密封結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，解決冷箱密封性問題；防止低溫液體、氣體排放時保冷箱凍裂；制造工藝簡單并經(jīng)過ANSYS模擬計算，優(yōu)化設(shè)計節(jié)省材料。

[1] 余良柱.空分冷箱鋼結(jié)構(gòu)損壞原因分析及修復(fù)[J].冶金動力，2010(1): 33-35.

[2] 陳國邦，張鵬.低溫絕熱與傳熱技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004.

[3] 包頭鋼鐵設(shè)計研究總院.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 [M]. 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.