高温高压换热器密封结构类型分析

周小锡，李丽丽，李科艳

(1.青岛兰石重型机械设备有限公司，山东 青岛 266555；2.青岛北船管业有限责任公司，山东 青岛 266555)

0 引言

在炼油、煤化工等行业中广泛使用的设备就是换热器。而在其具体的运行过程中出于有效满足工业操作、生产制造等诸多方面的要求需要对其进行全面合理的设计，而其中最为重要的环节之一就是密封结构的合理设计。对于一般情况下使用的中低压换热器而言，根据我国现行的有关标准中所规定的法兰和垫片组合的常规密封结构就可以满足换热器自身在设计、运行方面的具体要求。但对于一些高温高压发射器而言，密封结构的设计则是需要根据实际的使用状况做出针对性的设计[1]。

1 高温高压换热器密封结构的类型分析

1.1 金属八角环性质换热器密封结构

这种密封结构从其本质上来说属于强制性密封，因为自身在装配、拆卸和维修等工作上有着较强的便利性，也是在炼油和加氢装置中的高温高压换热器中使用最为频繁且广泛的密封结构。在这种密封结构下，热交换管箱和筒体二者属于分体性质，并且在固定管板的时候，通过法兰和螺栓的连接可以将之固定在壳体法兰和管箱法兰之间。而密封结构中所使用的密封垫片，则是在管线法兰、固定管板、壳程法兰三者之间夹持。并借助螺栓的紧固力来确保整个密封结构的密封力水平。

该种密封结构自身具备如下几种优势：第一，密封结构较为简单，在生产制作安装和维修的工作上具备着较大的便利性，并且对于热交换器出现泄漏的环节判断难度较低。第二，虽然该种结构属于强制密封结构的一类，但具备一定程度的自紧密封作用。该种密封结构也同样存在着如下几种缺陷：第一，这类密封结构自身的密封面相对较窄，且钢垫的弹性相对较小，同时对于温度和压力的数值波动较为敏感在安装过程中对于预紧力的均匀性有着较高的要求。第二，在这种密封结构中，法兰和螺栓需要同时承受密封预紧力和介质压力。这也就意味着这个密封结构在处于工作状态下的时候，很容易在管箱法律和壳程法兰之间形成一个较大数值的弯矩。因为螺栓的荷载和计算压力之间呈现出一个正相关关系，同时也与密封环垫的中径数值的平方呈现正比关系。故此在热交换器直径数值越大的情况下，法兰、螺栓的尺寸也会逐渐加大，而这也就意味着整体的密封结构造价会显著的提高。

1.2 Ω环性质密封结构

该类的高温高压换热器密封结构也被业界称之为焊接密封，该种密封结构经过大量的实践证明值得规模化应用及推广，且其属于非强制密封一类。同时，该种密封结构是以法兰垫片密封结构作为基础经过改良而得到的。其中所用的Ω形环是一种焊接结构的密封元件，是由两个半Ω形环焊接组成的。该种密封结构密封原理如下：在在高温高压换热器的法兰和管板上分别将两个半Ω形环焊接其上，在之后的组装换热器壳体及管箱部分工作中，针对两个半Ω形环做出密封焊接，最终组成一个完整的密封结构[2]。在经过这一步操作之后，Ω环实际上就成为了管箱或者是壳体的组成部分之一，也就意味着需要同时承担来自管程和壳程的压力，换热器内部的螺栓则需要全面承受因为介质压力引发的轴向力。

该种密封结构具备如下几点优势：第一，Ω形环环壳部分虽然直径较小且壳壁较薄，但却可以承受较高的压力数值。第二，Ω形环作为焊接结构的一种，能够做到将盛装介质和外界环境完全隔绝。第三，Ω形环因其自身在轴向变形能力上具备优势，不会受到来自温度、压力等方面的变形差异的影响。第四，该密封结构体系、制造和拆装较为便利，密封效果较为优秀，很好的避免了使用其他类型垫片可能会出现的密封面失效现象的出现，同时也不会因为受密封面的变形错位影响出现介质泄漏问题。同时，其缺陷也较为明显，在制造过程中有着较高的精度要求。第二，焊接工作需要在两片法兰深处的缝隙和连接螺栓的内侧完成，这也为焊接工作的顺利有效进行带来了一定的阻碍。第三，在换热器拆装检修工作进行的时候，需要针对金属密封环进行焊接和切割，同时这种密封环在重复使用次数达到一定限制之后，需要及时进行更新。第四，使用该种密封结构的设施很容易在密封环中的较低位置上产生积液，并继而使得密封环出现腐蚀破损现象。

1.3 螺纹锁紧环性质密封结构

该种类型的密封结构可以从管程和壳程的压力差异出发，将之分为高-高压型和高-低压型。前者是需要在管程和壳程均处于高压工作状态下的时候选用的。这两种形式的密封结构大致上是相似的，而其中高-低压性质结构的螺纹锁紧环密封结构只组成相对较为简便，而高-高压结构下的管程和壳程密封全部是需要通过螺纹锁紧环的形式来实现的。因为这种密封结构属于一种双重性质结构，壳程的密封可以借助内部螺栓在压紧分程箱的前提下通过传递到管板来实现。

该种密封乳结构具备如下几个优点：第一，密封性能较为可靠，因其壳程密封使用的是双重保护级别，即便是在使用的过程中出现了泄露问题，也可以通过再次将内、外圈压紧螺栓拧紧的方式防止泄漏问题的进一步扩展[3]。第二，密封系统由于是从管板到螺纹锁紧环逐步压紧之后实现密封目的的，本身具备一种较高的回弹性，同时密封结构的密封性也不会受到温度、压力波动的较大影响。第三，在检修的过程中管线完全不需要进行拆动。第四，压紧螺栓自身的规格较小并且受力情况较为均匀。该密封模式具备的缺点如下：第一，组成零件较多，结构较为复杂，在整个结构的设计和组装方面有着较高的专业性和精密性要求。第二，内件需要进行机械加工，并且在精度、工序方面要求较高，经济投入成本较高。第三，在拆装检修的过程中需要使用到特殊工装，导致维修工作变得较为复杂。

1.4 隔膜性质密封结构

这种形式的密封结构是通过焊接密封盘和管箱的端部，使得管箱的法兰盖可以在背面对密封盘形成一个支撑力，并借助螺栓使得管箱法兰和管箱端部连成一体，从而达到应有的密封效果。这种密封结构中所使用的密封盘材料，一般情况下选择的都是不锈钢或者是镍基合金。该种密封结构具备如下几个优势：第一，密封结构组成较为简洁，生产制造所需周期相对较短。除了密封盘之外其余所需的全部零件加工难度相对较小。第二，由于是将管箱和密封盘进行了焊接密封，这也就意味着密封结构本身具备着较强的承压能力和密封性。第三，检修工作落实的过程中不需要特殊的工装进行操作，也不需要针对管线进行任何的差动。该种密封结构的缺点包括如下：第一，管箱法兰盖的直径数值相对较大且受力较差。第二，管箱端部所需要的锻件尺寸数值相对较大。第三，在密封盘焊接的过程中，由于操作空间十分有限，使得整体的焊接工作难度有所提升。第四，在连接密封盘和管线端的位置上存在一定的缝隙，很容易因此而产生缝隙腐蚀现象[4]。

2 设计选择高温高压换热器密封结构需要遵循的事项

2.1 安全为先兼顾经济性

高温高压换热器自身密封结构的性能良好与否，直接会影响到换热器的运行过程中的安全性，由此也不难看出，在设计密封结构的过程中，需要优先重视安全性。而设施自身的经济性，则需要通过方案或者是密封结构的优化来保障，除此之外，单台设备作为整套装置的一个基本组成单元，其最大的经济性就是确保整个装置的平稳高效运行。在上面所提到的四种高温高压或者其密封结构中，八角垫密封的结构组成相对较为简单，且技术较为成熟，对于在压力和直径方面设计要求相对不高的换热器而言，是一种可以优先选择的密封结构形式。此外，在设计高温高压换热器密封结构的过程中，需要针对设计条件做出全面的分析，以免在过分强调新型密封结构优势的情况下忽略其经济性。

2.2 Ω环性质密封结构选用谨慎

使用高温高压换热器的装置，其处理的介质通常都带有一定程度的腐蚀性。在选用密封结构的过程中，需要将盛装介质所具有的腐蚀性水平进行全面的考虑，至少要确保在一个检修周期之内所使用的这类密封结构不会因为介质的腐蚀性而产生失效的现象。如果在介质具备较强的腐蚀性，又必须要采用Ω环性质密封结构的情况下，需要对其材质进行合理的升级。同时需要注意的一点是，在每次拆卸之后需要进行切割焊缝，并在检修工作完成之后进行二次的焊接和检测，这也就意味着Ω环重复使用次数为2～3次[5]。

2.3 重视隔膜盘性质密封结构的创新及应用

对于那些直径较大且压力设计方面要求相对较低的换热器而言，需要优先考虑使用隔膜板密封结构，可大幅度的降低整个装置和设备所需要的造价投入。由于该种密封结构将换热器管箱和壳体焊接在一起，设备自身就会具备较为良好的轴向刚性，而在管束拆卸的过程中也不需要针对管箱进行的处置，使得整体的安装和检修工作变得更为便利。除此之外，也正是因为管程接管无需拆除，并且将焊接结构使用在管口和工艺管道上，极大的降低了泄漏点出现的概率，同时因为法兰盘的取消降低了设备的整体重量水平。但一般情况下来说，使用该种密封结构的管箱内通常都设置有可拆卸形式的分程箱，而在其直径小于DN800的情形下安装工作相对较为困难，故此一般不采用这种密封结构形式[6]。而对于那些直径大于DN800这个数值的高温高压换热器而言，螺纹锁紧环密封结构基本全部适用，同时其也具备隔膜盘密封结构的一些优势，在设备造价等方面不具备明显劣势的情况下，该种密封结构可以优先进行选用。

3 结语

高温高压换热器作为我国煤化工等诸多行业中所使用广泛的承压设备，由于其中所盛装的介质带有腐蚀性，故此密封结构的性能良好与否直接关系到整体装置的安全运行。在设计换热器密封结构的过程，需要在遵循安全为先并重经济等原则的前提下，通过有效的分析设计条件，合理的选择换热器密封结构形式。