高压换热器密封结构介绍与选用

王治刚，罗永智，陈体科，李向前



高压换热器密封结构介绍与选用

王治刚，罗永智，陈体科，李向前

（兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃 兰州 730314）

密封结构的合理设计和选用是保证换热器安全、有效运行的关键。介绍了高压换热器的金属环密封结构、隔膜密封结构、Ω环密封结构、螺纹锁紧环密封结构，主要从结构构成、结构特点、密封原理及选用原则4个方面进行了概括总结，为同类设备提供了选用及设计参考。

高压换热器；密封结构；工作原理；选用原则

换热器作为在炼油、煤化工等行业中广泛使用的压力容器[1]，为满足工艺操作条件，生产制造、检修等要求，必须进行非常全面的设计，密封结构的正确、合理设计就是重要环节之一。对于一般的中低压换热器，采用《热交换器》（GB/T 151—2014）[2]标准中“法兰+垫片”的常规密封结构就可以满足设计要求；但对于高压换热器，密封结构的设计并非易事。基于以上原因，笔者结合工程经验，对高压换热器上广泛采用的金属环密封结构、隔膜密封结构、Ω环密封结构和螺纹锁紧环式密封结构进行了概括分析，为以后的工程设计提供了参考和借鉴。

1 金属环密封结构

1.1 结构组成

金属环密封结构如图1所示，通过设备法兰连接，法兰与管板之间采用金属环垫密封，在螺柱的预紧力作用下形成强制密封[3]，具有一定的自紧密封作用。金属环垫有八角垫和椭圆垫两种，通常采用八角垫。

图1 金属环密封结构

1.2 结构特点

金属环密封结构的优点有：①结构简单，制造、拆装容易，安装时，将金属环垫安放在密封槽中，依次错开上紧螺栓即可。由于该结构零件少、结构明确，也容易判断泄露位置。②金属环垫已经标准化、系列化，技术非常成熟，便于工程设计和应用，也容易采购。③金属环的材料一般选用不锈钢或碳钢，在高温、高压、介质波动小的工况密封可靠。

金属环密封结构的缺点有：①密封环直径越大，加工难度越高，拆装越易产生变形错位，密封性能越不易得到保证；②垫片系数和比压都比较大，计算时需要很大的螺栓预紧力，设备法兰和管板的规格都比较大，最终导致设备造价高，经济性不好；③压力、温度波动大时，密封处易泄漏；④设备直径不宜过大；⑤金属环施加到密封槽的楔式力较大，密封槽底部易撕裂损坏。

1.3 工作原理及选用

金属环安装在环形密封槽内，拧紧设备螺柱，在螺栓预紧力的作用下，金属环的两侧面与法兰密封槽的两侧面接触并贴合，从而达到密封效果。在操作工况下，密封面间会发生相对分离现象，造成密封比相对下降。但是，金属环在内压作用下径向扩张，与密封槽的斜面更加贴紧，增强了密封性，属于半自紧密封结构。

综合上述结构特点，金属环密封结构选用原则一般遵循表1的规定。

表1 金属环密封结构选用原则

压力/MPa温度/℃设备直径/mm使用工况 ≤35≤500≤800波动小

2 隔膜密封结构

2.1 结构组成

隔膜密封结构如图2所示，密封盘与管箱端部焊接，管箱法兰盖在背面对密封盘进行支撑，管箱法兰盖通过螺栓与管箱端部连成一体，从而达到密封效果。隔膜密封盘材料一般选用不锈钢或者镍基合金，如S32168、UNS NO8825等。

2.2 结构特点

隔膜密封结构的优点有：①结构较简单、制造周期短、成本较低，除密封盘外，其余零件加工难度相对较小；②管箱与密封盘采用焊接密封，承压能力强，密封性能可靠；③检修时不需特殊工装，也不需要拆动管线。

隔膜密封结构的缺点有：①管箱法兰盖受力差、直径大、厚度较厚；②管箱端部锻件尺寸较大；③密封盘焊接时操作空间受限，难度大；④开停车过程中温度变化产生热胀冷缩效应，密封盘焊接处易产生裂纹；⑤密封盘与管箱端连接处存在缝隙，易形成缝隙腐蚀；⑥检修时须先切割密封盘焊缝，检修后需再次焊接。

图2 隔膜密封结构

2.3 工作原理及选用

管箱法兰盖承受内压作用并最终传递给设备主螺栓，预紧力由主螺栓提供，密封盘与管箱端部采用焊接连接，彻底切断介质的泄漏通道，实现可靠密封。

综合上述结构特点，隔膜密封结构选用原则一般遵循表2中的规定。

表2 隔膜密封结构选用原则

压力/MPa温度/℃ 设备直径/mm使用工况 ≤20≤450800～1 400 渗透性强，有波动

3 Ω环密封结构

3.1 结构组成

Ω环密封结构如图3所示，主要通过Ω环与法兰、Ω环与管板以及Ω环之间的焊接进行密封，Ω环瓣与设备法兰的凹形密封面及管板密封面组焊，最后两瓣Ω环在环壳处组焊在一起。

图3 Ω环密封结构

3.2 结构特点

Ω环密封结构的优点有：①结构简单，Ω环壳直径小、受力良好，可以承受较高的压力，密封性能可靠；②拆卸不需要特殊工装，检修方便；③此结构属于无垫片密封，垫片系数和比压可以近似取0，设备法兰和紧固件的尺寸相对较小，经济性好；④Ω环壁薄、轴向变形强，在温度、压力存在波动和设备结构变形不一致的工况下能实现密封[4]。

Ω环密封结构的缺点有：①Ω环组焊时要求高度对中，错边量要求非常小，零件加工以及组焊要求较高；②受螺栓干扰，结构限制，Ω环壳焊接有难度；③检修时需先将Ω环处切割分开，完毕后再进行Ω环组焊，反复使用一定次数后需要更换；④Ω形密封环底部容易积液，会导致密封环腐蚀而失效。

3.3 工作原理及选用

利用回转壳受压性能好的原理，设计制作Ω环密封元件。管板与法兰厚度较厚，刚性较大，利用Ω环壁薄、轴向变形能力强的特点补偿管板与法兰自身刚性较大的缺点，避免设备在温度、压力波动大的工况以及设备结构变形不一致的情况下影响密封性能。通过Ω环、法兰与管板焊接，使密封元件成为一个整体，将介质与环境隔绝，达到密封的目的，属于无垫片密封。

综合上述结构特点，Ω环密封结构选用原则一般遵循表3中的规定。

表3 Ω环密封结构选用原则

压力/MPa温度/℃ 设备直径/mm 使用工况 7～32≤450600～1 500 渗透性强，波动大

4 螺纹锁紧环密封结构

4.1 结构组成

螺纹锁紧环密封结构根据管、壳程压力不同分为高-高压型和高-低压型，当管、壳程均为高压时，采用高-高压型，管程为高压、壳程为低压时，采用高-低压型。此两种密封型式的结构相似，高-低压结构螺纹锁紧环只针对管程密封结构，相对简单一些；而高-高压结构的管程与壳程密封均通过螺纹锁紧环式结构实现，高-高压螺纹锁紧环密封结构如图4所示。高-高压结构为双重密封结构，壳程密封通过内部螺栓压紧分程箱传递到管板实现壳程密封，如果内部螺栓失效，拧紧内圈压紧螺栓，可以保证壳程密封[5]。螺纹锁紧环式密封结构所有内件都是从管箱端装入，最后用工装旋入螺纹锁紧环，上紧压紧螺栓实现密封。螺纹锁紧环式换热器内部结构复杂，主要有以下内件：压紧螺栓、顶销、螺纹锁紧环、压盖、压圈、密封盘、压环、内套筒、内部螺栓、分合环、定位环、分程箱等。

图4 高-高压螺纹锁紧环密封结构

4.2 结构特点

螺纹锁紧环密封结构的优点有[6]：①密封性能可靠，壳程密封采用双重保护，在使用过程中发生泄漏，可再次拧紧内、外圈压紧螺栓增加预紧力，阻止泄漏；②整个密封系统从管板到螺纹锁紧环逐件压紧实现密封，具有回弹性，密封性受温度、压力波动影响小；③管线在检修时不需拆动；④压紧螺栓规格较小，受力均匀；⑤全机械拆装，不需要动火焊接；⑥工作载荷通过螺纹锁紧环等内件传递给管箱。

螺纹锁紧环密封结构的缺点有：①零件较多，结构复杂，设计和组装有非常严格的要求；②内件属于机械加工零部件，精度高、工序复杂、成本高；③内件大多采用锻材，造价高，经济性差；④拆装须采用特殊工装，维修较复杂；⑤高-高压结构壳程密封是通过管箱内件实现的，不易判断内漏环节。

4.3 工作原理及选用

内压引起的轴向力通过管箱内件作用到螺纹锁紧环上，最终作用至管箱筒体。高-高压结构壳程的密封通过拧紧分合环上的内部螺栓实现，管程密封通过拧紧外圈压紧螺栓实现。在生产过程中，如果发现壳程介质向管程泄漏，可拧紧内圈压紧螺栓，通过顶销、压紧环、密封盘、内套筒、分程箱和管板压紧壳程垫片，实现壳程在线密封。高-低压结构只有外圈压紧螺栓，拧紧压紧螺栓，通过内件压紧垫片，实现管程密封。

综合上述结构特点，螺纹锁紧环封结构选用原则一般遵循表4的规定。

表4 螺纹锁紧环封结构选用原则

压力/MPa温度/℃ 设备直径/mm 使用工况 ≥10≤450600～1 800 渗透性强，波动大

5 结束语

高压换热器的密封结构是影响设备安全运行的重要因素之一，在设计时应根据操作工况合理选用密封结构。通过以上比较可以得出结论：金属环密封结构主要用于压力和温度不高、没有波动且设备直径较小的工况；隔膜密封结构适用于压力不高、温度相对较高、有波动、腐蚀性小的工况；Ω环密封结构适用于压力和温度相对较高、有波动、不易结垢的工况；螺纹锁紧环密封结构适用于压力大、温度高、直径也相对较大、介质工况复杂的工况。从经济性考虑，隔膜密封结构最经济，Ω环密封结构次之，金属环密封结造价相对高一些，螺纹锁紧环密封结构造价最高。

［1］全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB/T 150.1～150.4—2011 压力容器［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［2］全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB/T 151—2014 热交换器［S］.北京：中国国标准出版社，2014.

［3］崔振宁，李爽.高压加氢换热器密封技术分析比较［J］.化工设备与管道，2012，49（5）：18-20.

［4］郭晓岚，范熙烜.Ω环密封结构在高压换热器中的应用［J］.石油化工设备，2002，31（5）：51-52.

［5］刘念.螺纹锁紧环换热器的设计［J］.广州化工，2013，41（15）：203-205.

［6］励国辉.φ1 600 mm螺纹锁紧环换热器的设计［J］.石油化工设备技术，2003（02）：1-4.

2095－6835（2018）23－0056－03

TH49；TB42

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.056

王治刚（1987—），男，甘肃会宁人，工程师，工学学士，一直从事压力容器设计和制造技术工作。

〔编辑：王霞〕