高压热交换器管口螺纹密封失效及改进措施

(中国天辰工程有限公司， 天津 300400)

高压热交换器管口螺纹密封失效及改进措施

李先彪

(中国天辰工程有限公司， 天津 300400)

某不锈钢制高压立式热交换器壳程放空口，按专利商工艺包要求设计为NPT圆锥管螺纹密封结构。在制造过程中水压试验时设备未发生泄漏，但当设备运到项目现场实际运行1 a后此放空口出现了泄漏，虽采取了一些临时堵漏措施，但因不符合定检要求，必须加以改造。分析了该热交换器壳程放空口用NPT圆锥管螺纹密封产生失效的可能原因，并提出了几项防止螺纹密封失效的改进措施。实际改造中用安放式接管结构代替螺纹密封结构，既使连接可靠，又方便拆卸。改造后再未出现泄漏现象，设备一直运行良好。

高压热交换器； 螺纹密封； 失效； 改进措施

在进行热交换器设计时，会根据需要在管程、壳程的适当位置设置放空口、排净口，以便在热交换器水压试验或停车检修时能将设备内的气体排空、液体排净[1，2]。热交换器的放空口、排净口一般设置成普通接管法兰+盲法兰型或凸缘+螺塞型。对立式热交换器，若介质比较清洁，不易造成开孔堵塞且易于清理，也可直接在管板上开孔设置放空口、排净口[3]。设计时应考虑热交换器的形式、压力和温度等因素，选取适当的放空口、排净口形式。文中对某立式高压热交换器壳程放空口NPT圆锥管螺纹密封失效的原因进行分析，并提出了相应改进措施。

1 高压热交换器放空口泄漏情况

某项目的1台高压热交换器由外方提供工艺包和数据单，国内工程公司进行施工图设计。热交换器管程、壳程材料均为15CrMoR+S30403复合板，换热管材料为S30403，管板材料为S30403Ⅳ，主要设计参数见表1。

表1 高压热交换器设计参数

该热交换器为立式热交换器，在壳程顶部上管板上开有一个放空口(图1)，专利商要求此放空口的形式为NPT 3/4″[4]，即采用60°圆锥管螺纹。放空口螺纹结构见图2，螺塞结构见图3。螺塞材料为S30403Ⅲ锻件。

图1 热交换器放空口示图

图2 管板上放空口螺纹结构

图3 螺塞结构

此热交换器在制造厂经过了14.2 MPa(g)的水压试验，未出现泄漏，后发至项目现场运行正常。但设备正常运行1 a左右发生泄漏，现场将螺塞丝扣全部拧紧仍无法止漏。随后，业主采取临时堵漏措施，在不取出3/4″螺塞的情况下，在壳程放空口处焊接M42不锈钢高压螺母，后注入密封胶，再用螺栓拧紧焊接[5]。但此处理方法不符合定检要求[6]，必须加以改造。

2 高压热交换器放空口泄漏原因分析

NPT 3/4″属于美国标准的60°密封锥管螺纹，螺纹具体形式参见ASME B1.20.1—2013《Pipe Threads，General Purpose(Inch)》[7]，国内标准可参见GB/T 12716—2011《60°密封管螺纹》[8]。NPT管螺纹用作密封连接相当普遍，理论上可用到约41.38 MPa(6 000 psi)[4]。综合分析，高压热交换器放空口螺纹密封失效原因有以下几点。

(1)螺纹加工公差较大 设备制造厂在加工螺纹时，圆锥内、外螺纹的公差较大，使得螺纹配合较为宽松。而在安装螺塞时，未采取填加密封胶带或密封剂等辅助密封措施。

(2)管板、螺塞材料强度低 管板、螺塞材料均为S30403锻件，强度相对较低，在高温、高压环境操作中螺纹易发生应力松弛而导致失效[9]。

(3)螺纹表面粗糙度较大 设备制造厂在加工螺纹时，螺纹的表面粗糙度超标。若不在NPT螺纹间填加密封填充材料，则高压密封螺纹的表面粗糙度应当适当提高要求，Ra宜为0.4～0.8 μm。而一般机加工的螺纹表面粗糙度Ra在3.2～12.5 μm[10]，难以达到密封要求。

(4)现场紧固螺塞不规范 现场操作人员安装螺塞时未按规定拧紧程序执行，随意性较大，使螺塞拧紧过度，损伤螺纹，导致螺纹丝扣失效泄漏。

3 高压热交换器放空口改进措施

针对螺纹制造公差可能偏大的工况，可在外螺纹与内螺纹之间填加密封胶带或涂密封胶，通过螺纹配合挤压胶带，使螺纹间空隙被填满，实现螺纹的密封。NPT螺纹间的密封胶带通常采用PTFE胶带，这种胶带柔软结实，可耐较高温度和化学腐蚀，是很好的密封填充材料，但需注意胶带或密封胶的适用温度范围[11，12]，以免造成密封材料高温失效。

对高温、高压工况，可在设备水压试验合格后将螺塞密封焊，以防后续操作中发生泄漏。

放空口可采用NPTF干密封螺纹，螺纹具体形式参见ASME B1.20.3—1976《Dryseal Pipe Threads(Inch)》[13]。NPTF干密封螺纹的牙型加工精度比NPT螺纹的高，配合时不用附加密封剂，完全依靠螺纹自身轻微的变形实现密封，适用于高温、高压的场合[14]。

此外，可将螺纹连接改为安放式接管+盲法兰结构，安放式接管具体形式可参考GB 150.3—2011《压力容器 第3部分：设计》的图D.7[15]。针对此高压热交换器，笔者建议将放空口由螺纹连接改为安放式接管连接，见图4、图5。

图4 放空口改为安放式接管示图

图5 安放式接管结构

安放式接管具有结构拘束度低、焊缝截面小、较易进行无损检测等优点。焊接完接管和管板后再将接管加工至最终内径，可以将未焊透部分全部去除，从而保证接管和管板全焊透，进而保证结构的高可靠性。安放式接管结构方便拆卸，操作、维护便利。

4 结语

对高温、高压工况的管口密封，尽量不要采用NPT式螺纹密封，若必须采用螺纹密封，应采取适当的密封措施以保证可靠密封。对高温、高压工况，建议尽量采用法兰+盲法兰形式，既能使连接可靠，又方便拆卸。此高压热交换器放空口改用安放式接管结构后未出现泄漏现象，设备运行良好。

[1] GB/T 151—2014，热交换器[S].

(GB/T 151—2014，Heat Exchangers[S].)

[2] TEMA—2007，Standards of the Tubular Exchanger Manufactures Association[S].

[3] 秦叔经，叶文邦.化工设备设计全书 换热器[M]. 北京：化学工业出版社，2002：99.

(QIN Shu-jing，YE Wen-bang. Encyclopedia for Chemical Equipment Design—Heat Exchanger[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2002：99.)

[4] ASME B16.11—2011，Forged Fittings，Socket-welding and Threaded[S].

[5] HG/T 20634—2009，钢制管法兰紧固件(Class系列)[S].

(HG/T 20634—2009，Bolting for Use with Steel Pipe Flanges(Class Designated)[S].)

[6] TSG 21—2016，固定式压力容器安全技术监察规程[S].

(TSG 21—2016，Supervision Regulation on Safety Technology for Stationary Pressure Vessel[S].)

[7] ASME B1.20.1—2013，Pipe Threads，General Purpose(Inch)[S].

[8] GB/T 12716—2011，60°密封管螺纹[S].

(GB/T 12716—2011，Pipe Threads with the Thread Angle of 60 Degrees where Pressure-tight Joints are Made on Threads [S].)

[9] 魏伟，牟义慧.防止法兰紧固螺栓失效的对策[J].石油化工设备技术，2012，33(4)：65.

(WEI Wei，MOU Yi-hui. Countermeasures for Preventing Failure of Tightening Bolt for Flanges[J].Petro-chemical Equipment Technology，2012，33(4)：65.)

[10] 成大先.机械设计手册.第1卷[M].北京：化学工业出版社，2007.

(CHENG Da-xian. Handbook of Mechanical Design. Volume 1[M].Beijing：Chemical Industry Press，2007.)

[11] HG/T 20606—2009，钢制管法兰用非金属垫片(PN系列)[S].

(HG/T 20606—2009，Non-metallic Flat Gaskets for Use with Steel Pipe Flanges(PN Designated)[S].)

[12] HG/T 20627—2009，钢制管法兰用非金属垫片(Class系列)[S].

(HG/T 20627—2009，Non-metallic Flat Gaskets for Use with Steel Pipe Flanges(Class Designated)[S].)

[13] ASME B1.20.3—1976，Dryseal Pipe Threads(Inch)[S].

[14] 胡慧峰.NPTF干密封螺纹的特性[J].自动化与仪器仪表，2014(1)：79.

(HU Hui-feng. Characters of NPTF[J]. Automation & Instrumentation，2014(1)：79.)

[15] GB 150.3—2011，压力容器 第3部分：设计[S].

(GB 150.3—2011，Pressure Vessels—Part 3：Design[S].)

(张编)

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(1)期刊:[序号]作者名(给全,多于3人后用“等”字).文章名[J].期刊名,出版年,卷(期):起止页码.

例:[1]罗小平,黎廷新,李添详,等.聚四氟乙烯膨胀节内压爆破试验研究[J].石油化工设备, 1999,28(3):1-5.

(2)书籍:[序号]作者名(给全,多于3人后用“等”字).书名[M].出版地:出版社,出版年∶起止页码.

例:[2]陈浩元.科技期刊标准化18讲[M].北京:北京师范大学出版社,1998∶15-25.

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例:[3]GB 150—1998,钢制压力容器[S].

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例:[4]张筑生.微分半动力系统的不变集[D].北京:北京大学数学系研究所,1983 .

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FailureofNozzleThreadSealforHighPressureHeatExchangerandSomeImprovedMethods

LIXian-biao

(China Tianchen Engineering Corporation， Tianjin 300400， China)

For a high pressure vertical heat exchanger，the main parts of which，such as tubes，tubesheet，and vents，etc. were made of stainless steel. The top vent was designed as a NPT nozzle according to the process design package. There was no leakage during the hydrostatic test. But when the heat exchanger was delivered to the site and operated for about one year，leakage was found for the NPT nozzle. Some temporary measures were made to resist the leakage by the client. But this was not accepted by the periodic inspection，so it must be modified. Some possible reasons for the leakage of the NPT nozzle were analyzed. And some improved methods to resist the leakage were recommended. The abutted nozzle instead of thread seal for the heat exchanger was applied to solve the problem. After the modification，no leakage was found and the heat exchanger runs very well.

high pressure heat exchanger； thread seal； failure； improve method

TQ051.5； TE965

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.015

1000-7466(2017)03-0067-03①

2016-11-30

李先彪(1975-)，男，四川射洪人，高级工程师，学士，主要从事压力容器设计工作。