多管程管箱法蘭密封性能探討

鄭 意， 賀 鶴， 武建文， 鐘建華

(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518； 2.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院， 甘肅 蘭州 730050； 3.中國石油 烏魯木齊石化分公司，新疆 烏魯木齊 831400)

管殼式熱交換器是目前石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣的熱交換器，但受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用工況多元化的影響，使用中常發(fā)生泄漏。我公司在制造管殼式熱交換器過程中，多次發(fā)生水壓試驗(yàn)時(shí)采用金屬包墊的多管程管殼式熱交換器管箱法蘭密封泄漏的情況。筆者在查閱文獻(xiàn)、分析設(shè)計(jì)計(jì)算書后，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和多次試驗(yàn)，對泄漏原因進(jìn)行了分析，并對多管程管箱法蘭密封計(jì)算修正進(jìn)行了探討。

1 多管程管箱法蘭密封泄漏原因分析

法蘭密封通常是在2個(gè)法蘭之間加入較軟的墊片，擰緊螺栓后墊片受到擠壓作用產(chǎn)生變形而嵌入法蘭密封面凹凸不平處，使墊片與法蘭貼合面零間隙從而實(shí)現(xiàn)密封[1]。法蘭密封計(jì)算中有4個(gè)重要參數(shù)，分別是預(yù)緊狀態(tài)下螺栓的預(yù)緊力Wa、操作狀態(tài)下螺栓的接觸面總殘余壓緊載荷Fp、墊片系數(shù)m和墊片的密封比壓y，不同狀態(tài)下需滿足如下關(guān)系才能保證密封。

預(yù)緊狀態(tài)下：

(1)

操作狀態(tài)下：

(2)

式(1)～式(2)中，b為墊片的有效密封寬度，DG為墊片載荷作用位置處的直徑，mm；y′為操作狀態(tài)下墊片需保持的壓緊應(yīng)力，MPa。y′應(yīng)大于容器的內(nèi)壓力。GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》[2]中，法蘭設(shè)計(jì)方法——Water算法根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)明確規(guī)定，一般取y′=2mp(p為設(shè)計(jì)壓力，MPa)[3]。

不同類型墊片的墊片系數(shù)和密封比壓見表1。

表1 不同類型墊片的墊片系數(shù)及密封比壓

由表1可見，波齒墊片的密封比壓y遠(yuǎn)小于纏繞墊片和金屬包墊的，而纏繞墊片和波齒墊片的墊片系數(shù)m小于金屬包墊的。結(jié)合式(1)～式(2)，在預(yù)緊力不變的工況下，減小墊片的密封比壓和墊片系數(shù)是提高法蘭密封性能的有效方法。波齒墊片具有較小的密封比壓和墊片系數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中成功地解決了許多壓力容器密封泄漏的難題[3]。

在進(jìn)行法蘭密封設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，采用金屬包墊可以滿足要求，但現(xiàn)場進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)仍會(huì)發(fā)生泄漏。究其原因是帶分程隔板的管箱法蘭與一般法蘭的計(jì)算方法有所區(qū)別，而國內(nèi)在多管程管箱法蘭設(shè)計(jì)中都忽略了分程隔板槽墊片的壓緊力，并且熱交換器標(biāo)準(zhǔn)中對此也無要求[4-5]。我國壓力容器強(qiáng)度計(jì)算常用軟件SW6在2017年更新的版本中加入了管箱法蘭分程隔板密封的計(jì)算，但即便軟件中加入了該項(xiàng)，很多設(shè)計(jì)人員進(jìn)行密封設(shè)計(jì)時(shí)仍未考慮分程隔板密封。

法蘭密封機(jī)理見圖1。一般法蘭在承受內(nèi)壓后會(huì)沿軸向張開，墊片真正能起密封作用的有效寬度b僅為墊片實(shí)際寬度N的0.2～0.25倍[3]。當(dāng)法蘭有分程隔板時(shí)，分程隔板對法蘭與分程隔板連接處起加強(qiáng)作用，使得法蘭剛度局部增大，因此整個(gè)墊片的應(yīng)力是以分程隔板為中心對稱面對稱分布，而且法蘭在分程隔板處與墊片的接觸面積最大，導(dǎo)致該處有效密封寬度b增大，即b>0.25N。若在計(jì)算時(shí)不考慮分程隔板的影響，會(huì)使得該處的計(jì)算預(yù)緊力遠(yuǎn)小于實(shí)際所需的預(yù)緊力。當(dāng)b增大到使得單位面積上的壓緊力小于y或者y′時(shí)就會(huì)發(fā)生泄漏。因此，在進(jìn)行帶分程隔板的管箱法蘭計(jì)算時(shí)，如果不考慮分程隔板的影響，可能會(huì)導(dǎo)致在分程隔板位置發(fā)生泄漏。

圖1 法蘭密封機(jī)理示圖

2 多管程管箱法蘭密封計(jì)算修正

2.1 方法一[6]

預(yù)緊狀態(tài)下：

(3)

操作狀態(tài)下：

Fp=(πbDG+AG/2)y′=2πDGbmp+AGmp

(4)

式(3)～式(4)中，AG為隔板分程處的面積，mm2。

2.2 方法二[7]

預(yù)緊狀態(tài)下：

Wa=(πDGb+brl)y

(5)

操作狀態(tài)下：

Fp=(πbDG+brl)y′=2πDGbmp+2brlmp

(6)

式(5)～式(6)中，l為分程隔板密封面的長度，br為分程隔板處有效密封寬度，mm。

2.3 討論

對比2種修正計(jì)算方法可以看出，唯一的區(qū)別在于方法一對分程隔板處的預(yù)緊力選取了一半。文獻(xiàn)[4]中指出，按照Water算法，公式中的p為設(shè)備的計(jì)算壓力。而分程隔板處的計(jì)算壓力應(yīng)是分程隔板兩側(cè)的壓力差，因而在計(jì)算分程隔板預(yù)緊力時(shí)，p取分程隔板兩側(cè)的壓力差更為合理。當(dāng)熱交換器分程隔板兩側(cè)的壓力差小到可以忽略不計(jì)時(shí)，上述2種計(jì)算方法都沒有意義。但實(shí)際工況下，由于法蘭與分程隔板的密封面共面且分程隔板與法蘭之間是固定連接，可視作是整體，因此在計(jì)算作用在分程隔板截面的預(yù)緊力時(shí)按照內(nèi)壓p進(jìn)行計(jì)算是合理的。

依據(jù)上述分析，計(jì)算墊片的有效密封面積時(shí)將整個(gè)分程隔板的面積都計(jì)入計(jì)算會(huì)過于保守，這與文獻(xiàn)[8]中管箱墊片應(yīng)力最大處主要集中在分程隔板處的結(jié)論是契合的，因此筆者認(rèn)為方法一的計(jì)算更為合理，且工程應(yīng)用也證明方法一的修正計(jì)算是有效的。但是方法一和方法二都未考慮由于分程隔板的作用使法蘭與墊片接觸所增加的面積。分程隔板的作用使得墊片與法蘭的有效密封寬度以分程隔板為中心對稱分布且逐步遞減，與分程隔板成90°方位處為最小有效密寬度b，因此在計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮法蘭與墊片接觸面積增大后需增加的預(yù)緊力。此外，方法一是基于分程隔板密封面與法蘭密封面共面的條件，當(dāng)兩者不共面時(shí)，只計(jì)算1/2分程隔板的面積顯然不妥。

Water算法中不同狀態(tài)下螺栓所需的有效截面積分別按式(7)、式(8)計(jì)算，并取其較大值。預(yù)緊狀態(tài)下螺栓所需的有效截面積為：

(7)

操作狀態(tài)下螺栓所需的有效截面積為：

(8)

當(dāng)Aa/Ap<1時(shí)，螺栓所需最小截面積是由操作狀態(tài)決定，操作狀態(tài)下Wp主要取決于軸向力πDG2p/4，而壓緊墊片所需的殘余預(yù)緊力2πDGbmp僅占很小一部分[9-12]，此時(shí)分程隔板處的面積對螺栓最小截面積的影響微乎其微。另外，Aa/Ap<1時(shí)，在計(jì)算壓力較大或計(jì)算溫度較高的工況下，所需螺栓最小截面積多為操作狀態(tài)決定，如果按照Water算法理論，此時(shí)分程隔板對管箱法蘭的密封影響可忽略不計(jì)。但根據(jù)上文分析，忽略分程隔板對管箱法蘭密封的影響顯然不妥，此時(shí)仍然使用Water算法不合理。

筆者經(jīng)過演算發(fā)現(xiàn)，SW6軟件中對多管程管箱法蘭是按照方法一進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的，該方法可行。但根據(jù)上述分析，在螺栓所需截面積由預(yù)緊狀態(tài)決定時(shí)，如果法蘭尺寸較大，分程隔板的面積會(huì)相應(yīng)增大，再按照式(3)、式(4)計(jì)算顯然會(huì)增大螺栓的作用面積，使預(yù)緊力過大，尤其在遠(yuǎn)離分程隔板位置的墊片應(yīng)力最大，反而可能存在墊片失效現(xiàn)象[13-22]。

3 結(jié)語

多管程管箱法蘭泄漏的主要原因是分程隔板加強(qiáng)了管箱法蘭的剛度，使得墊片在分程隔板作用范圍內(nèi)的接觸面積增大，導(dǎo)致預(yù)緊力無法滿足實(shí)際所需預(yù)緊力而發(fā)生泄漏。采用墊片系數(shù)m和密封比壓y較小的墊片是現(xiàn)階段提高多管程管箱法蘭密封性能的有效辦法。在進(jìn)行多管程管箱法蘭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用m和y較小的波齒墊片，或采用文獻(xiàn)[8]中提出的措施優(yōu)化管箱結(jié)構(gòu)，以提高管箱法蘭密封可靠性。對多管程管箱法蘭進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，Water算法存在局限性，文中所述2種管箱法蘭修正計(jì)算方法的可靠性還有待進(jìn)一步考證。