重叠式多套管换热器结构与管头密封设计.docx

设计计算重叠式多套管换热器结构与管头密封设计张治川，黄 磊，周 波( 合肥通用机械研究院，安徽 合肥230031)摘 要:多套管换热器具有不易堵塞、拆洗更换内管简单方便等特点，可满足高粘易堵介质换热的使用要求。其内管与管板可拆式非焊接密封连接是影响设备整体密封可靠性的关键。介绍了一种多 套管换热器及内管可拆卸的密封结构，其密封采用螺纹球面内管接头加填料函密封形式，在实际应 用中得到了满意的密封效果。关键词:多套管换热器; 内管接头; 填料函密封结构中图分类号:th136;tq051 5文献标识码:a文章编号:1001 4837(2012)03 0022 04doi:10 3969 / j issn 1001 4837 2012 03 005design of structure and pipe head sealing for overlaptype multi double pipe heat exchangerzhang zhi chuan，huang lei，zhou bo( hefei general machinery research institute，hefei 230031，china)abstract: multi double pipe heat exchanger could satisfy for the high viscosity medium because it isnot easy to be plugged，and its inner pipe is convenient to be taken off，cleaned and replaced the de- tachable non welding sealing connection between the inner pipe and pipe plate is the key to the sealing reliability for the whole equipment the new multi double pipe heat exchanger and its detachable sealing connection structure of the inner pipe is described，the thread spherical pipe head plus packing box sealing structure is very effective which was proved in operationkey words: multi double pipe heat exchanger; inner pipe head; packing box sealing structure号 22 57 /108 1 40 /40 /6 1 供货。设计缺乏俄型号具体资料，甲方同意供方自行设 计制造。设备交付使用后验证满足其技术要求。 文中就其重叠式多套管换热器结构与管头密封设 计作一介绍。0 引言多套管换热器是一种适宜高温高压、高粘度介质的换热器。它不易堵塞，拆洗更换单一内管 简易方便，安全可靠性高，很适合于焦化厂、炼油 厂及化肥厂等高粘易堵介质的换热场合使用1。 目前在国外应用较为普遍，在我国不多见。2008 年俄罗斯一炼油公司与合肥通用机械研究院签订12 台多套管重叠式换热器供货合同，按前苏联型1设计要求甲方型号的具体要求: u 形管根数量为 22根，内管外径 57 mm，外管外径 108 mm，内外管程22第 29 卷第 3 期压力容器总第 232 期设计压力均为 4 0 mpa，外管长 6 m，材料碳钢。要求设备可拆卸，对内外管表面进行人工机械清 洗，内管可单一拆换，u 形管段不允许焊接连接或 法兰对接等形式的密封连接。设计的多套管换热器( 见图 1 ) 主要由外管、u 形内管、外管管箱和管板、内管管箱和管板、外 头盖、支架与鞍座等构成2 3。换热器外管与外 管板焊接并用支撑板束固，外管板与外管管箱和 外头盖连接组成套管壳程，各 u 形内管内穿外 管，通过内管接头与内管管板连接，并与内管管箱 组成套管管程。2设计结构图 1 多套管换热器结构示意热介质沥青由沥青进口经内管管箱入管程，流经管程后从沥青出口流出; 冷介质原油从原油 进口经外管管箱入壳程，与内管介质逆向流经壳 程后从原油出口流出，冷热介质在套管内成完全 纯逆流换热。撑穿置于外管内的内管置于管的中轴，形成内外管的套管结构3，5 6。每副内管均可独立地从外 管抽出，便于清洗或单独更换。2 2 内管管板连接结构内管接头如图 3 所示，焊于内管端头与 u 形 内管成一体。接头一端设计为球面，另一端为细 牙螺纹配装压紧螺母用，接头长度视内管管板厚 度而定。2 1外管管板连接结构外管与管板连接如图 2 所示，外管板孔按等三角布置，外管端与前后外管管板角焊缝密封连接。图 2 外管与管板连接示意图 3 内管接头结构示意内管为各自独立的 u 形煨弯结构，最小弯曲半径 r 为 115 mm4，内管端焊接管接头于 u 形 内管成一体，管外分段焊接正 y 布局的翅板，支管接头穿过内管管板孔在压紧螺母作用下，球面紧顶在内管管板孔沿，起到对中和夹紧作用，23cpvt重叠式多套管换热器结构与管头密封设计vol29. no3 2012实现内管与内管管板的连接。能远优于 500 的石棉制品，除了强氧化性酸之外，能耐绝大多数的化工介质。柔性石墨的垫 片系数仅为石棉制品的一半，压紧力较石棉小很 多，压缩 试 验 表 明，柔性石墨最大压缩比可达 40% 55% 而不致压溃，因而具有优异的压缩性 和密封性7 8。柔性石墨填料规格设计为 d80 mm 7 mm 7 mm，三层填充，压缩比选定约 50% ，压紧后的填 料槽中宽约 10 5 mm。螺母旋拧至压环止面与管 板面约 2 mm 左右间隙时，即可达到密封所要求 的压紧程度。内管与管板密封设计3内管与内管管板的密封是该套管换热器的设计关键，其可靠性直接影响设备的密封性能。通 过内管接头可实现可拆式连接与密封，但仅靠内 管接头球面与压紧螺母在此来实现密封是很难达 到效果。球面与孔沿密封是线密封，对孔沿和球 面加工精度、表面粗糙度和焊接形变控制要求都 很高，对于尺寸较大、孔数较多的管板孔加工和接 头焊接均要满足其要求极为困难，密封孔沿很难 避免的任何微小磕碰对密封的影响都是致命的。 为此而设计填料函结构作内管与内管管板连接处 的密封。3 1 填料函结构填料函由内管管板面上的填料槽、填料、压紧 填料的压环和压紧螺母构成。压环与填料槽的揳 角为 15，填料通过压环由压紧螺母旋拧压紧实 现密封。填料装入填料腔，经压环挤压作用产生 轴向压缩，当管头与填料相对运动时，由于填料的 塑性而产生径向力，填料与管头外壁面和填料内 腔壁面紧密接触，从而达到密封效果。其关联尺 寸如图 4 所示。预紧力计算( 1) 球面预紧力计算如图 5 所示，设孔径 d = 70 mm，触面法向与 轴向夹角 = 60，管板材料屈服极限 0 = 215mpa，当球面与孔沿受压形变后的触面宽变为 b =5 mm 时，轴向的最大预紧力为:f0 = db0 cos = 118 1 kn3 3图 5( 2) 螺纹预紧力计算9m64 4 细牙螺纹的预紧力:fa = a as22as = ( ds 49 ) /4ds = ( d2 + d3 ) /2 = 60 247 mm图 4 填料函密封结构示意as = ( 60 24722 49 ) /4 = 965 02 mm2填料选择填料材质为柔性石墨，它具有良好的防腐性、 压缩回弹性和高强度性。在高温高压环境中，不 易发生分解、变形或老化，化学性质极其稳定。与 传统石棉材质密封填料相比，柔性石墨无辐射和 污染，不含对人体和环境有害的成分，耐高低温性243 22a = 0 6s = 123 n / mm2式中 as 螺纹部分危险剖面的计算面积，mms 螺栓材料的屈服极限，n / mm故: fa = 118 6 kn( 3) 填料所需的预紧力计算102第 29 卷第 3 期压力容器总第 232 期填料腔截面沿管头及填料腔体壁面泄漏通道所需的压紧载荷为:作用而不作为密封面，可大大降低对管板孔的加工精度要求，按正常管板机械加工和机械镗孔即 可满足要求。内管接头球面也仅需车成而无需磨f = ( d2 d2 ) p e2kuclhi4k削 该结构对相关制件的加工精度及焊接形变误。式中 k填料的柔软系数，石墨填料取 k = 0 9d，d填料腔内壁直径及管头直径pi 壳程内介质压力，按设计压力取 pi= 4 0 mpauc 填料与管头表面、填料与填料腔内 壁面之间的摩擦系数，取 0 04l填料与管头接触面长度h填料厚度代入图 4 关联尺寸的相关数据计算得:f = 10 kn填料压实的载荷为:差在实现密封连接中显现有很好的包容性，从而提高了内管密封连接的可靠性。该密封结构经5 0 mpa 水压试验，12 台多套管换热器总计 528 个接头密封，一次试压无一泄漏，密封效果满足水 压试验要求。图 6f = ( d2 d2 ) y4y软填料压紧压力，柔性石墨取 y =3 5 mpa得: f = 6 3 kn取两者中较大值，填料密封所需的最小预紧4使用效果式中换热器使用在俄方用户炼油厂 k 6 塔装置的换热工位。换热器管程介质为硫化物 3 1% 的沥青，壳程介质为硫化物 0 56% 1 27% 的 脱盐石油。实际运行的工况为:力为:f = 10 kn计算结果可知，柔性石墨填料所需的最小预 紧力远小于球面与螺纹可承受的预紧力，压紧螺 母的施加力完全可满足填料密封预紧力的要求， 压环止面按填料被压缩 50% 确定则可保护填料 不致过压而损坏其填料，止面厚度则按螺纹最大 预紧力作用于压环危险面的剪应力计算确定。 冷 却 至 180 ，管 程 压 力管程温度 3601 8 2 0 mpa;壳程温度 1900 3 0 4 mpa。 加 热 至 230 ，壳 程 压 力自 2009 年 11 月起近两年多运行期间内，换热器满足其换热要求，未发现有介质内窜和外漏 等现象。在年中停车检修中，仅对设备进行过例 行的吹扫和试压检查维护，未对设备进行拆卸清 洗，用户对其设备的正常运行及密封的安全可靠 性表示认可。材料与焊接内管及内管管板材质为 16mn 和 16mn 锻件，3 4材料 常 温 强 度 指 标 b= 490mpa 和 b= 450mpa。内管接头材质选常温强度指标较高点的11 1220mnmo 锻件，其 b = 510 mpa。使管接头既能与内管焊接，又使球面硬度和强度高于触压材料，使其塑变仅在被触压材料面 产生，保持球面的完整性。压紧螺母和压环材质 分别选为 35 和 45 钢。管接头与内管焊接为防止 产生如图 6 所示的过大不同轴而引发较大的装配 应力，焊接时应采用辅助芯轴扶正焊接，焊后对焊 缝进行热处理退火。3 5 填料函结构特点采用填料函密封，管接头球面在此仅起对中5 结语该多套管换热器与传统浮头列管换热器比较，具有如下特点:( 1) 冷热流介质的流动方向为纯逆流，压降 小，适合小流量介质换热，换热效果较好;( 2) 换热管径大，适用于高温高压和高粘度 介质( 沥青) 的流动与换热，不易发生堵塞;(下转第 79 页)25第 29 卷第 3 期压力容器总第 232 期技术j 压力容器，2006，23( 9) : 38 43戈兆文，高驰 对“压力容器焊接规程”标准的思考j 压力容器，2006，23( 8) : 1 6 日本高圧力技術恊会规格( hpis) 応力焼基 凖 解説m 日刊工業新闻社，昭和 57 年 ( 1982) : 128 135gb / t 2282002，金 属 材 料 室 温 拉 伸 试 验 方 法sgb / t 2292007，金属材料 夏比摆锤冲击试验方 法sgb / t 43382006，金属材料 高温拉伸试验方法s支金花，张海存，卢正欣，等 轴流压缩机叶片断裂 分析j 流体机械，2011，39( 2) : 47 51 王勇，孙殿东，苏春霞，等 模拟消除应力热处理对 s355j0 钢组织与性能 的 影 响j 金 属 热 处 理，2012，37( 1) : 83 85结语5615mnni 钢在 560 620 不同设定温度范围进行焊后热处理，热处理时间在 6 h 以内，钢的力 学性能是基本稳定的。虽然高温屈服强度( 200 ) 和 0 冲击功略有下降，但趋势并不明显。 按 600 10 6 h 模拟焊后热处理采购钢板和 锻件及进行焊接工艺评定，力学性能是可保证的， 某些核电部件技术规格书要求按 600 10 10h 模拟热处理采购钢板和锻件脱离实际需要，也 没有标准依据，文献11 12的研究也证明，随 模拟热处理时间增加材料强度、硬度及韧性均有 不同程度下降 。789101112参考文献:1rcc m2000，压水堆核岛机械设备设计和建造规则sasme 2010，rules for construction of nuclearfacility componentssjb / t 47092000，钢制压力容器焊接规程s nb / t 470152011( jb / t 4709) ，压力容器焊接规程s收稿日期:2011 11 17 修稿日期:2012 03 09作者简介:王殿祥( 1965 ) ，男，高级工程师，主要从事企 业经营和技术管理工作，通信地址: 116600 辽宁省大连市 保税区填海区 iiid 11 大连宝原核设备有限公司，e mail: gst168 163 com。2345 刘超锋，刘亚莉，许培援，等 国内球罐焊后热处理(上接第 25 页)( 3) 换热器内管快速拆换容易，可彻底对外 管程易堵的沥青侧实施清洗;( 4) 摈弃焊接的密封连接方式，将填料函密 封结构用于内套管头和内管板的密封连接，既实 现了可靠的连接与密封，又实现各内管独立的快 速拆卸与更换;( 5) 多套管换热器在内管板与内管头的可拆 卸密封上采用密封函结构，国内技术文献及资料 报道甚少，设计无经验和数据可供借鉴，在此应用 也是一新的尝试，可供相关设计人员设计时参考。5廖百