高壓換熱器密封淺析

張林（中國神華煤制油鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

高壓換熱器密封淺析

張林（中國神華煤制油鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

中國神華鄂爾多斯煤制油煤直接液化項(xiàng)目由于介質(zhì)較為復(fù)雜，溫度和壓力較高，所用設(shè)備均為國內(nèi)外先進(jìn)設(shè)備。其中高壓換熱器的采用尤能體現(xiàn)這一點(diǎn)，不僅有國內(nèi)成熟的螺紋瑣緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)，還有Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)，甚至還采用波齒墊密封和八角墊密封。本文旨在簡要論述各種密封形式，討論各種密封形式在實(shí)際應(yīng)用中的效果和通過檢修拆檢對各種密封形式一個(gè)綜合考量。

高壓換熱器密封;螺紋瑣緊環(huán)密封;Ω環(huán)密封;波齒墊密封;八角墊密封

中國神華鄂爾多斯煤制油煤直接液化項(xiàng)目由于介質(zhì)較為復(fù)雜，不僅直接面臨高溫高壓氫氣、硫化氫氣體的侵蝕，而且介質(zhì)中固含量較高，因此所采用設(shè)備均為國內(nèi)外先進(jìn)設(shè)備。其中高壓換熱器的密封形式，根據(jù)不同的工況，采用了不同的密封形式。各種密封形式達(dá)到了很好的密封效果，為煤直接液化的正常生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

煤直接液化項(xiàng)目工藝條件苛刻，在選擇高壓換熱器的密封結(jié)構(gòu)時(shí)，尤為謹(jǐn)慎。高壓換熱器的密封結(jié)構(gòu)不僅有國內(nèi)成熟的螺紋瑣緊環(huán)密封形式，還有Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)，甚至還采用波齒墊密封和八角墊密封。本文旨在論述各種密封形式，討論各種密封形式在實(shí)際應(yīng)用中的效果和通過檢修拆檢，對各種密封形式作一個(gè)綜合考量，為以后裝置設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中高壓換熱器的選用提供一個(gè)參考。

1 高壓換熱器密封形式

1.1 八角墊密封

按照GB150-2011,八角墊密封是一種強(qiáng)制密封方式，由上、下法蘭及安裝于上、下法蘭槽內(nèi)的八角密封墊組成，在強(qiáng)制力作用下，槽側(cè)面與八角墊的斜面相接觸實(shí)現(xiàn)密封，斜面的傾斜角為23度。

圖1 八角墊密結(jié)構(gòu)換熱器示意

八角墊密封換熱器密封結(jié)構(gòu)簡單，與低壓換熱器結(jié)構(gòu)類似，將固定端管板夾在殼體法蘭和管箱法蘭之間，用兩個(gè)八角形金屬環(huán)作為密封墊片，由螺栓緊固力預(yù)緊來達(dá)到密封效果，如圖1所示。神華煤制油項(xiàng)目采用八角墊密封換熱器一臺(tái)，管束為U型管結(jié)構(gòu)。換熱器管程設(shè)計(jì)壓力達(dá)14MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力達(dá)15MPa，換熱器為差壓設(shè)計(jì)，該換熱器由撫順機(jī)械煉化設(shè)備有限公司制造。由于該換熱器用到了尺寸較大的八角墊，在生產(chǎn)波動(dòng)時(shí)，易發(fā)生泄漏事故。

該類型換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝和檢修容易。缺點(diǎn)是尺寸限制，一般認(rèn)為八角墊直徑不能大于800mm，這就導(dǎo)致了該類型換熱器功率較低。裝拆和維護(hù)注意事項(xiàng)

在設(shè)備拆裝時(shí)，應(yīng)均勻拆裝大法蘭螺栓，檢修過程中，應(yīng)注意保護(hù)密封墊片及法蘭密封面，勿使密封面出現(xiàn)徑向傷痕，設(shè)備回裝時(shí)，應(yīng)檢查確認(rèn)墊片是否能繼續(xù)使用，如不能使用，更換新墊片應(yīng)該檢查確認(rèn)墊片材質(zhì)，應(yīng)按照技術(shù)要求對螺栓進(jìn)行緊固。

1.2 波齒墊密封

波齒墊密封結(jié)構(gòu)與八角墊密封結(jié)構(gòu)類似。將固定端管板夾在殼體法蘭和管箱法蘭之間，用波齒墊作為密封墊片，由螺栓緊固力預(yù)緊來完成密封。神華煤制油項(xiàng)目用的波齒墊密封換熱器一臺(tái)，該換熱器由中管束為浮頭式結(jié)構(gòu)，浮頭采用T結(jié)構(gòu)，管程設(shè)計(jì)壓力達(dá)15MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力達(dá)14MPa，換熱器為差壓設(shè)計(jì)，該換熱器由意大利Koch Heat Transfer Co.S.r.l制造。該換熱器在系統(tǒng)波動(dòng)時(shí)，可以達(dá)到良好的密封效果。

該類型換熱器優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，安裝和檢修容易。缺點(diǎn)是制造精度要求高，對于法蘭密封面的平面度和粗糙度有著極高的要求，由于設(shè)備采用進(jìn)口，設(shè)備成本較高。

裝拆和維護(hù)注意事項(xiàng)

在設(shè)備拆裝時(shí)，應(yīng)均勻拆裝。在設(shè)備檢修中，應(yīng)該著重保護(hù)法蘭密封面，防止出現(xiàn)各類損傷，設(shè)備回裝時(shí)，應(yīng)更換波齒墊片，按照技術(shù)要求對螺栓進(jìn)行緊固。

1.3 螺紋瑣緊環(huán)密封

螺紋鎖緊環(huán)換熱器有兩種基本形式，一種是管程高壓、殼程低壓的H-L型，如圖2所示；一種是管殼程都承受高壓的HH型，如圖3所示。

圖2 H-L型螺紋鎖緊環(huán)換熱器示意環(huán)

圖3 H-H螺紋鎖緊密封結(jié)構(gòu)詳圖1、螺紋瑣緊環(huán)2、內(nèi)圈壓緊螺栓3、外圈壓緊螺栓4、殼體5、內(nèi)壓環(huán)6、外壓環(huán) 7、墊片壓板 8、管程墊片 9、內(nèi)套筒 10、分合環(huán)11、半月板12、內(nèi)螺栓 13、隔板套圈14、包裹墊片15、管板墊片16、管板 17、隔板 18、支撐板

兩種換熱器由于不同的使用場所而有不同的結(jié)構(gòu)，其中H-L型結(jié)構(gòu)簡單，由于管箱和管板是一體成型，管板處的內(nèi)漏就被杜絕。在管箱處，螺紋瑣緊環(huán)通過壓緊墊片實(shí)現(xiàn)密封，在換熱器出現(xiàn)泄漏時(shí)，可以緊固壓緊螺栓螺栓以壓緊墊片來減少泄漏。

H-H型換熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖3所示。該類型密封結(jié)構(gòu)是由一系列的密封組件相互配合達(dá)到密封要求。該換熱器在管箱處的密封的與H-L型類似，通過螺紋鎖緊環(huán)壓緊墊片來實(shí)現(xiàn)密封，在發(fā)生泄漏時(shí)，可以通過擰緊外圈壓緊螺栓來減少泄漏。在管板處的密封，如圖3所示，主要依靠管板壓緊墊片來實(shí)現(xiàn)，該壓緊力正常情況下由分合環(huán)頂住換熱器殼體，通過內(nèi)螺栓、隔板套圈、包裹墊片傳遞到管板；而發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏后，通過擰緊內(nèi)圈壓緊螺栓減少內(nèi)漏之后，該壓緊力由內(nèi)壓緊螺栓頂住螺紋瑣緊環(huán)，通過墊片壓板、支撐板、內(nèi)套筒傳遞到分合環(huán)，再傳遞到管板，實(shí)現(xiàn)密封。由于該結(jié)構(gòu)換熱器管殼程均為高壓，管板處所受到的力為管殼程的壓力差，故所承受壓力較小。

神華煤制油項(xiàng)目采用H-H型換熱器兩臺(tái)，管、殼程壓力可達(dá)到13MPa，H-L型換熱器一臺(tái)，殼程壓力0.5MPa，管程壓力13MPa。管束均為U型管結(jié)構(gòu)，煤制油項(xiàng)目三臺(tái)換熱器均為撫順機(jī)械煉化設(shè)備有限公司制造。該類型換熱器在正常工藝波動(dòng)下，可以實(shí)現(xiàn)較好的密封效果，但是在反應(yīng)器飛溫、系統(tǒng)緊急泄壓等異常工況下，內(nèi)泄則不可避免。

優(yōu)點(diǎn)：密封可靠性好，在沒有大螺栓的情況下實(shí)現(xiàn)了高壓密封。在發(fā)生內(nèi)泄漏時(shí)可通過擰緊內(nèi)圈螺栓，來實(shí)現(xiàn)再次密封。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，螺紋瑣緊環(huán)的機(jī)加工精度高，制造難度大。密封內(nèi)件較多，檢修時(shí)拆卸不方便，且需要專門工具拆卸。內(nèi)、外圈壓緊螺栓長度較長，直徑較小，受熱后易與蓋板咬合，造成螺栓損壞。

裝拆和維護(hù)注意事項(xiàng)

鎖緊環(huán)裝拆時(shí)必須采用制造廠提供的帶有配重的專用工具，防止大螺紋咬死、拉傷或損傷，影響設(shè)備使用性能；

1.4 Ω環(huán)密封

Ω環(huán)換熱器是一種高壓焊接密封結(jié)構(gòu)，如圖4示。換熱器通過一體成型管箱，省去了管板的密封，杜絕了管板處泄漏的可能性。在換熱器中段通過一道Ω環(huán)，并以螺栓壓緊以實(shí)現(xiàn)密封，該換熱器管箱密封采用一塊閉合隔板，閉合隔板四周于管箱焊接，并以箱蓋壓緊實(shí)現(xiàn)密封。

圖4 Ω環(huán)密封換熱器示意

Ω環(huán)作為承壓密封元件，由一對Ω形半環(huán)組焊而成，半環(huán)分別焊在換熱器殼體上，形成一組Ω環(huán)密封。Ω環(huán)作為承壓密封元件，其環(huán)殼部分直徑小，壁厚2～3mm，受壓能力非常好，在溫度、壓力波動(dòng)較大時(shí)，由于Ω環(huán)良好的軸向變形能力，結(jié)構(gòu)變形較小，是一種無泄漏密封結(jié)構(gòu)。適用壓力為7～20MPa。

神華煤制油項(xiàng)目采用的Ω環(huán)密封換熱器四臺(tái)，管束為高壓換熱器通常采用的U型管結(jié)構(gòu)，管程壓力可達(dá)20MPa，殼程壓力可達(dá)19MPa。換熱器為全壓設(shè)計(jì)，煤制油項(xiàng)目四臺(tái)換熱器均為意大利Koch Heat Transfer Co.S.r.l制造。

優(yōu)點(diǎn)：Ω環(huán)機(jī)加工件較少，密封結(jié)構(gòu)簡單，制造及折裝方便，密封效果好。

由于管板與管箱一體成形，換熱器可以單程受壓，不用考慮管板處的泄漏。

缺點(diǎn)：Ω環(huán)、閉合隔板加工精度較高。Ω環(huán)內(nèi)存在積液，可能造成點(diǎn)蝕。

注意事項(xiàng)

拆卸該換熱器時(shí)，需要首先沿Ω環(huán)頂部切割，Ω環(huán)切割三次后應(yīng)當(dāng)更換。拆卸管箱時(shí)，拆除管箱壓蓋之后應(yīng)該沿閉合隔板四周焊縫進(jìn)行切割。

2 結(jié)語

各種類型的高壓換熱器在神華煤制油項(xiàng)目中都得到了實(shí)際應(yīng)用，在煤制油項(xiàng)目中，應(yīng)對各種高溫、高壓、含固的介質(zhì)，高壓換熱器發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，各種結(jié)構(gòu)的高壓換熱器也得到了驗(yàn)證，其中Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)在各種工藝波動(dòng)具有非常穩(wěn)定的密封作用，并且通過合適的設(shè)計(jì)，價(jià)格也會(huì)較螺紋鎖緊環(huán)換熱器便宜，應(yīng)該成為以后高壓換熱器的首選。

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[2]崔振寧，李爽高壓加氫換熱器密封技術(shù)分析比較[J]化工設(shè)備與管道，2012，49（2）：18～20.

[3]尹丹勤，杜鵬螺紋螺緊環(huán)雙殼程換熱器與Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)換熱器特點(diǎn)比較[J]石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，25（2）：15～16.