高压螺纹锁紧环换热器的设计

范勇波

摘 要：本文从高压螺纹锁紧环换热器结构及其应用特点出发，对换热器的结构设计、材料选择、强度计算这三个方面进行论述，确保换热器的安全运行。

关键词：高压;螺纹;锁紧环;换热器;设计

1 高压螺纹锁紧环换热器结构设计

高压螺纹锁紧环换热器具有密封可靠、承载能力高的特点，广泛应用于高温高压工况的加氢装置。螺纹锁紧环换热器具有特殊管箱结构，如下图所示。

如上图所示，螺纹锁紧环换热器管箱结构的管程筒体和壳程筒体能焊接为整体，所有内构件都安装在内部，有效减少泄漏点和泄漏概率。螺纹锁紧环上的压紧螺栓只需提供垫片密封所需压紧力，而管箱端部大法兰结构的换热器主螺栓需承受内压和压紧力两种载荷，在相同工况下，螺纹锁紧环结构更加紧凑，显著提高结构的密封可靠性及运行安全性能。对密封结构来说，高压螺纹锁紧环换热器的密封包括管程和壳程间密封两部分，相比管箱端部大法兰结构的换热器来说密封效果要好。从管壳程间密封上看，其密封主要依靠内部螺栓拧紧来实现。在操作中，因换热器长期处于高温高压状态，管壳程间密封垫片和内部螺栓间会出现应力松弛现象，导致管壳程间密封性降低，此时可拧紧内圈螺栓来提高其密封性，并利用内嵌螺栓作用力借助密封盘、顶销、压环等传递给管壳程和管板的垫片结构，提高结构密封性。

在结构设计中，针对管箱部件设计时，使用ASME梯形螺纹作为锁紧螺纹，其螺距为15或16In，内圈压紧螺栓直径应与内套筒直径一致，外圈压紧螺栓直径应当与管程密封垫片直径一致，压环和内套管结构在设计中应当能抵抗由内圈压紧螺栓传递形成的拓展作用力，使其避免变形。对于接管和壳体焊接结构，由于管箱壳体较厚，通常采用安放结构式焊接结构，该结构受力情况良好、应力集中小，且焊缝填充金属量较少，施工便捷。

换热器管束一般采用U型管结构，当设备直径较大时，管束端部振动幅度较大，此时要在管束尾端处沿壳体中心线设置适当数量的管箍，以此提供支撑作用力，减少管束振动，防止损坏换热管。

2 高压螺纹锁紧环换热器材料选择及计算

从设备材料选择、结构设计以及计算方面出发。首先在选材上，由于加氢装置高压换热器常处于介质条件相对恶劣的工况，包括以下4种条件：高温氢和硫化氢共存腐蚀环境、高压临氢腐蚀环境、高温硫腐蚀环境、氯化铵和硫氰化铵腐蚀环境，需根据不同腐蚀环境合理选择高压换热器的材料，并遵循下列原则：若为高温临氢腐蚀环境时，需根据设计温度和氢分压，按照Nelson曲线选择材料;若为高温氢和硫化氢，管程和壳程材料一般为2.25Cr-1Mo，内部堆焊超低碳不锈钢，双层堆焊TP.309+347，换热管材料选用S32168;若为高温临氢腐蚀环境，同时存在硫腐蚀时，选择与高温氢和硫化氢腐蚀环境一致。对于高溫氢和硫化氢及氯化铵和硫氰化铵腐蚀环境，需考虑氯化铵结晶对换热管的腐蚀，因此采用镍基合金钢管材料。

当换热器壳体采用2.25Cr-1Mo材料时，应注意其在371-575℃温度范围内长期操作时，有较明显回火脆化倾向，要严格执行以下要求：

对于焊接接头材料：X系数=（10P+5Sb+4Sn+As）×10-2

≤15ppm;Si+Mn ≤1.20，Cu≤0.20，Ni≤0.20

对于主体材料：J系数=（Si+Mn）×（P+Sn） ×104≤100;（P+Sn）<0.012%

且材料要进行回火脆化倾向评定试验，有关指标应满足：vTr54+2.5△vTr54≤10℃。

在计算中，对管板计算模型可使用国家标准中管板计算a型连接方式作参考，即使用管板边缘为简支的力学模型，计算管板厚度、换热管轴向力校核、换热管拉脱力校核及管板外边弯曲力、剪应力、组合应力的校核。在螺栓计算中，内圈压紧螺栓、外圈压紧螺栓的荷载作用力是此次计算关键。管箱筒体和螺纹锁紧环的主螺纹计算中，要确定主螺纹螺距和其他参数，通常使用较大抗弯能力和抗剪能力的15或16In梯形螺丝螺纹。

其次在操作时，主螺纹承受的荷载作用力包括：管壳程密封所需螺栓传递荷载作用力，管程荷载传至管箱相关螺纹的作用力。在确定结构设计参数后，要先假设主螺纹扣数，经多次校核，选取合适的主螺纹扣数，确保主螺纹安全可靠。

3 小结

由于高压螺纹锁紧环换热器一般都在高温高压的加氢工况运行，一旦发生事故，将会造成严重后果。因此，在螺纹锁紧环换热器设计时，应从结构设计、材料选择、计算等方面综合考虑，对换热器进行优化设计，使其能够满足操作工况的需求。

参考文献：

[1]潘善志.高压加氢换热器密封结构的选型[J].安徽化工，2013（02）.

[2]李钻.螺纹锁紧环换热器内漏原因分析及处理[J].中国新技术新产品，2012（07）.