高溫高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)類型分析

周小錫，李麗麗，李科艷

(1.青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司，山東 青島 266555；2.青島北船管業(yè)有限責任公司，山東 青島 266555)

0 引言

在煉油、煤化工等行業(yè)中廣泛使用的設(shè)備就是換熱器。而在其具體的運行過程中出于有效滿足工業(yè)操作、生產(chǎn)制造等諸多方面的要求需要對其進行全面合理的設(shè)計，而其中最為重要的環(huán)節(jié)之一就是密封結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。對于一般情況下使用的中低壓換熱器而言，根據(jù)我國現(xiàn)行的有關(guān)標準中所規(guī)定的法蘭和墊片組合的常規(guī)密封結(jié)構(gòu)就可以滿足換熱器自身在設(shè)計、運行方面的具體要求。但對于一些高溫高壓發(fā)射器而言，密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計則是需要根據(jù)實際的使用狀況做出針對性的設(shè)計[1]。

1 高溫高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)的類型分析

1.1 金屬八角環(huán)性質(zhì)換熱器密封結(jié)構(gòu)

這種密封結(jié)構(gòu)從其本質(zhì)上來說屬于強制性密封，因為自身在裝配、拆卸和維修等工作上有著較強的便利性，也是在煉油和加氫裝置中的高溫高壓換熱器中使用最為頻繁且廣泛的密封結(jié)構(gòu)。在這種密封結(jié)構(gòu)下，熱交換管箱和筒體二者屬于分體性質(zhì)，并且在固定管板的時候，通過法蘭和螺栓的連接可以將之固定在殼體法蘭和管箱法蘭之間。而密封結(jié)構(gòu)中所使用的密封墊片，則是在管線法蘭、固定管板、殼程法蘭三者之間夾持。并借助螺栓的緊固力來確保整個密封結(jié)構(gòu)的密封力水平。

該種密封結(jié)構(gòu)自身具備如下幾種優(yōu)勢：第一，密封結(jié)構(gòu)較為簡單，在生產(chǎn)制作安裝和維修的工作上具備著較大的便利性，并且對于熱交換器出現(xiàn)泄漏的環(huán)節(jié)判斷難度較低。第二，雖然該種結(jié)構(gòu)屬于強制密封結(jié)構(gòu)的一類，但具備一定程度的自緊密封作用。該種密封結(jié)構(gòu)也同樣存在著如下幾種缺陷：第一，這類密封結(jié)構(gòu)自身的密封面相對較窄，且鋼墊的彈性相對較小，同時對于溫度和壓力的數(shù)值波動較為敏感在安裝過程中對于預(yù)緊力的均勻性有著較高的要求。第二，在這種密封結(jié)構(gòu)中，法蘭和螺栓需要同時承受密封預(yù)緊力和介質(zhì)壓力。這也就意味著這個密封結(jié)構(gòu)在處于工作狀態(tài)下的時候，很容易在管箱法律和殼程法蘭之間形成一個較大數(shù)值的彎矩。因為螺栓的荷載和計算壓力之間呈現(xiàn)出一個正相關(guān)關(guān)系，同時也與密封環(huán)墊的中徑數(shù)值的平方呈現(xiàn)正比關(guān)系。故此在熱交換器直徑數(shù)值越大的情況下，法蘭、螺栓的尺寸也會逐漸加大，而這也就意味著整體的密封結(jié)構(gòu)造價會顯著的提高。

1.2 Ω環(huán)性質(zhì)密封結(jié)構(gòu)

該類的高溫高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)也被業(yè)界稱之為焊接密封，該種密封結(jié)構(gòu)經(jīng)過大量的實踐證明值得規(guī)?；瘧?yīng)用及推廣，且其屬于非強制密封一類。同時，該種密封結(jié)構(gòu)是以法蘭墊片密封結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)經(jīng)過改良而得到的。其中所用的Ω形環(huán)是一種焊接結(jié)構(gòu)的密封元件，是由兩個半Ω形環(huán)焊接組成的。該種密封結(jié)構(gòu)密封原理如下：在在高溫高壓換熱器的法蘭和管板上分別將兩個半Ω形環(huán)焊接其上，在之后的組裝換熱器殼體及管箱部分工作中，針對兩個半Ω形環(huán)做出密封焊接，最終組成一個完整的密封結(jié)構(gòu)[2]。在經(jīng)過這一步操作之后，Ω環(huán)實際上就成為了管箱或者是殼體的組成部分之一，也就意味著需要同時承擔來自管程和殼程的壓力，換熱器內(nèi)部的螺栓則需要全面承受因為介質(zhì)壓力引發(fā)的軸向力。

該種密封結(jié)構(gòu)具備如下幾點優(yōu)勢：第一，Ω形環(huán)環(huán)殼部分雖然直徑較小且殼壁較薄，但卻可以承受較高的壓力數(shù)值。第二，Ω形環(huán)作為焊接結(jié)構(gòu)的一種，能夠做到將盛裝介質(zhì)和外界環(huán)境完全隔絕。第三，Ω形環(huán)因其自身在軸向變形能力上具備優(yōu)勢，不會受到來自溫度、壓力等方面的變形差異的影響。第四，該密封結(jié)構(gòu)體系、制造和拆裝較為便利，密封效果較為優(yōu)秀，很好的避免了使用其他類型墊片可能會出現(xiàn)的密封面失效現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時也不會因為受密封面的變形錯位影響出現(xiàn)介質(zhì)泄漏問題。同時，其缺陷也較為明顯，在制造過程中有著較高的精度要求。第二，焊接工作需要在兩片法蘭深處的縫隙和連接螺栓的內(nèi)側(cè)完成，這也為焊接工作的順利有效進行帶來了一定的阻礙。第三，在換熱器拆裝檢修工作進行的時候，需要針對金屬密封環(huán)進行焊接和切割，同時這種密封環(huán)在重復(fù)使用次數(shù)達到一定限制之后，需要及時進行更新。第四，使用該種密封結(jié)構(gòu)的設(shè)施很容易在密封環(huán)中的較低位置上產(chǎn)生積液，并繼而使得密封環(huán)出現(xiàn)腐蝕破損現(xiàn)象。

1.3 螺紋鎖緊環(huán)性質(zhì)密封結(jié)構(gòu)

該種類型的密封結(jié)構(gòu)可以從管程和殼程的壓力差異出發(fā)，將之分為高-高壓型和高-低壓型。前者是需要在管程和殼程均處于高壓工作狀態(tài)下的時候選用的。這兩種形式的密封結(jié)構(gòu)大致上是相似的，而其中高-低壓性質(zhì)結(jié)構(gòu)的螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)只組成相對較為簡便，而高-高壓結(jié)構(gòu)下的管程和殼程密封全部是需要通過螺紋鎖緊環(huán)的形式來實現(xiàn)的。因為這種密封結(jié)構(gòu)屬于一種雙重性質(zhì)結(jié)構(gòu)，殼程的密封可以借助內(nèi)部螺栓在壓緊分程箱的前提下通過傳遞到管板來實現(xiàn)。

該種密封乳結(jié)構(gòu)具備如下幾個優(yōu)點：第一，密封性能較為可靠，因其殼程密封使用的是雙重保護級別，即便是在使用的過程中出現(xiàn)了泄露問題，也可以通過再次將內(nèi)、外圈壓緊螺栓擰緊的方式防止泄漏問題的進一步擴展[3]。第二，密封系統(tǒng)由于是從管板到螺紋鎖緊環(huán)逐步壓緊之后實現(xiàn)密封目的的，本身具備一種較高的回彈性，同時密封結(jié)構(gòu)的密封性也不會受到溫度、壓力波動的較大影響。第三，在檢修的過程中管線完全不需要進行拆動。第四，壓緊螺栓自身的規(guī)格較小并且受力情況較為均勻。該密封模式具備的缺點如下：第一，組成零件較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計和組裝方面有著較高的專業(yè)性和精密性要求。第二，內(nèi)件需要進行機械加工，并且在精度、工序方面要求較高，經(jīng)濟投入成本較高。第三，在拆裝檢修的過程中需要使用到特殊工裝，導(dǎo)致維修工作變得較為復(fù)雜。

1.4 隔膜性質(zhì)密封結(jié)構(gòu)

這種形式的密封結(jié)構(gòu)是通過焊接密封盤和管箱的端部，使得管箱的法蘭蓋可以在背面對密封盤形成一個支撐力，并借助螺栓使得管箱法蘭和管箱端部連成一體，從而達到應(yīng)有的密封效果。這種密封結(jié)構(gòu)中所使用的密封盤材料，一般情況下選擇的都是不銹鋼或者是鎳基合金。該種密封結(jié)構(gòu)具備如下幾個優(yōu)勢：第一，密封結(jié)構(gòu)組成較為簡潔，生產(chǎn)制造所需周期相對較短。除了密封盤之外其余所需的全部零件加工難度相對較小。第二，由于是將管箱和密封盤進行了焊接密封，這也就意味著密封結(jié)構(gòu)本身具備著較強的承壓能力和密封性。第三，檢修工作落實的過程中不需要特殊的工裝進行操作，也不需要針對管線進行任何的差動。該種密封結(jié)構(gòu)的缺點包括如下：第一，管箱法蘭蓋的直徑數(shù)值相對較大且受力較差。第二，管箱端部所需要的鍛件尺寸數(shù)值相對較大。第三，在密封盤焊接的過程中，由于操作空間十分有限，使得整體的焊接工作難度有所提升。第四，在連接密封盤和管線端的位置上存在一定的縫隙，很容易因此而產(chǎn)生縫隙腐蝕現(xiàn)象[4]。

2 設(shè)計選擇高溫高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)需要遵循的事項

2.1 安全為先兼顧經(jīng)濟性

高溫高壓換熱器自身密封結(jié)構(gòu)的性能良好與否，直接會影響到換熱器的運行過程中的安全性，由此也不難看出，在設(shè)計密封結(jié)構(gòu)的過程中，需要優(yōu)先重視安全性。而設(shè)施自身的經(jīng)濟性，則需要通過方案或者是密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來保障，除此之外，單臺設(shè)備作為整套裝置的一個基本組成單元，其最大的經(jīng)濟性就是確保整個裝置的平穩(wěn)高效運行。在上面所提到的四種高溫高壓或者其密封結(jié)構(gòu)中，八角墊密封的結(jié)構(gòu)組成相對較為簡單，且技術(shù)較為成熟，對于在壓力和直徑方面設(shè)計要求相對不高的換熱器而言，是一種可以優(yōu)先選擇的密封結(jié)構(gòu)形式。此外，在設(shè)計高溫高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)的過程中，需要針對設(shè)計條件做出全面的分析，以免在過分強調(diào)新型密封結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的情況下忽略其經(jīng)濟性。

2.2 Ω環(huán)性質(zhì)密封結(jié)構(gòu)選用謹慎

使用高溫高壓換熱器的裝置，其處理的介質(zhì)通常都帶有一定程度的腐蝕性。在選用密封結(jié)構(gòu)的過程中，需要將盛裝介質(zhì)所具有的腐蝕性水平進行全面的考慮，至少要確保在一個檢修周期之內(nèi)所使用的這類密封結(jié)構(gòu)不會因為介質(zhì)的腐蝕性而產(chǎn)生失效的現(xiàn)象。如果在介質(zhì)具備較強的腐蝕性，又必須要采用Ω環(huán)性質(zhì)密封結(jié)構(gòu)的情況下，需要對其材質(zhì)進行合理的升級。同時需要注意的一點是，在每次拆卸之后需要進行切割焊縫，并在檢修工作完成之后進行二次的焊接和檢測，這也就意味著Ω環(huán)重復(fù)使用次數(shù)為2～3次[5]。

2.3 重視隔膜盤性質(zhì)密封結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新及應(yīng)用

對于那些直徑較大且壓力設(shè)計方面要求相對較低的換熱器而言，需要優(yōu)先考慮使用隔膜板密封結(jié)構(gòu)，可大幅度的降低整個裝置和設(shè)備所需要的造價投入。由于該種密封結(jié)構(gòu)將換熱器管箱和殼體焊接在一起，設(shè)備自身就會具備較為良好的軸向剛性，而在管束拆卸的過程中也不需要針對管箱進行的處置，使得整體的安裝和檢修工作變得更為便利。除此之外，也正是因為管程接管無需拆除，并且將焊接結(jié)構(gòu)使用在管口和工藝管道上，極大的降低了泄漏點出現(xiàn)的概率，同時因為法蘭盤的取消降低了設(shè)備的整體重量水平。但一般情況下來說，使用該種密封結(jié)構(gòu)的管箱內(nèi)通常都設(shè)置有可拆卸形式的分程箱，而在其直徑小于DN800的情形下安裝工作相對較為困難，故此一般不采用這種密封結(jié)構(gòu)形式[6]。而對于那些直徑大于DN800這個數(shù)值的高溫高壓換熱器而言，螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)基本全部適用，同時其也具備隔膜盤密封結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)勢，在設(shè)備造價等方面不具備明顯劣勢的情況下，該種密封結(jié)構(gòu)可以優(yōu)先進行選用。

3 結(jié)語

高溫高壓換熱器作為我國煤化工等諸多行業(yè)中所使用廣泛的承壓設(shè)備，由于其中所盛裝的介質(zhì)帶有腐蝕性，故此密封結(jié)構(gòu)的性能良好與否直接關(guān)系到整體裝置的安全運行。在設(shè)計換熱器密封結(jié)構(gòu)的過程，需要在遵循安全為先并重經(jīng)濟等原則的前提下，通過有效的分析設(shè)計條件，合理的選擇換熱器密封結(jié)構(gòu)形式。