陈小红，王永勤

（1. 陕西延长石油（集团）有限责任公司炼化公司，陕西 延安 727406； 2. 陕西延长石油（集团）有限责任公司榆林炼油厂，陕西 榆林 727406）

高温高压换热器密封结构的分析

陈小红1，王永勤2

（1. 陕西延长石油（集团）有限责任公司炼化公司，陕西 延安 727406； 2. 陕西延长石油（集团）有限责任公司榆林炼油厂，陕西 榆林 727406）

根据高温高压换热器的设计条件，从设计参数、材料选择、密封原理、结构特点等方面对炼油化工装置中常用的高温高压换热器密封结构进行了分析。

双壳程换热器；材料；设计；计算

陕西延长石油（集团）有限责任公司炼化公司化工厂合成氨装置合成锅炉给水预热器，属于高温高压换热设备。由于该换热器工作压力高和温度较高，操作条件苛刻，如何合理进行换热器选型，尤其是如何保证在运行过程中避免在高温高压状况下的出现泄漏，成为设计的重点。笔者就该类型换热的设计，尤其是密封结构的选择进行分析及讨论，以便为工程应用提供合理的参考。

1 设计数据

本换热所设计压力（MPa）(G)：壳程20、管程24.3；设计温度（℃）：壳程340/-10，管程370/-10；工作介质：壳程为锅炉给水，管程为合成气；焊缝系数：壳程是1，管程是1；程数：壳程是2，管程是2；换热面积是370 m2；换热管等级为1级；换热器的结构尺寸是Φ 1 200×4 780/（管箱内径Φ 1 280）；焊接系数：壳程是1，管程是1；程数：壳程是2，管程是2；地震列度为7度；风压400 Pa。

2 换热器选型

2.1 双壳程结构

为了提高壳程的传热系数，实现全逆流传热，采用了双壳程结构。采用双壳程结构，可使壳程介质由原单壳程的一半并流、一半逆流变成全逆流传热，温差校正系数接近于1，在壳径不变的前提下，使壳程流速提高了1倍，因而使总传热系数、换热效率得以提高。

2.2 管箱密封结构

高温高压换热器密封结构设计的需要考虑多方面因素，如尽可能的减少密封面直径；少用法兰结构；结构要简单，便于维护。密封结构直接影响密封的可靠性、制造难易程度和制造成本， 因此成为设计中的重要环节。下面为一般常用换热器的几种密封形式。

2.2.1 金属八角环垫密封

金属八角环垫密封结构属于强制密封, 由于结构简单、密封可靠、装配、拆卸、维修容易, 是炼油和加氢装置中高温、高压热交换器常用的密封结构[1]。但同样存在密封面窄, 钢垫弹性小, 回弹力差,对温度、压力波动敏感, 安装预紧力度的均匀性要求高,易泄漏等问题，不适用于压力和温度高、内径大的换热器。

2.2.2 Ω环密封

Ω环密封( 也称焊接密封) 属于非强制密封，该密封形式是在法兰-垫片密封结构的基础上改进得到的。Ω形环是密封元件, 为焊接结构, 由2个半Ω形环组焊而成。Ω形环为焊接结构, 使介质和环境完全隔绝, 是一种无泄漏密封结构。Ω形环本身具有较好的轴向变形能力, 不受温度、压力波动和结构变形不一致的影响。适用压力可达7～ 32 MPa[2]。密封结构主螺栓具有很小的预紧力，螺栓主要承受内压引起的轴向力，可减少设备法兰和主螺栓的尺寸。密封可靠，造价低，适合开工周期长不允许泄漏的场合。但存在以下缺点：①拼接焊缝焊接时要求高度对中, 错边量非常小, 制造精度要求、焊接难度大；②留在Q环中的积液无法清除，会造成密封环的腐蚀[3]

。

2.2.3 螺纹锁紧环密封

螺纹锁紧环密封结构属于强制密封。管箱与筒体焊接为整体, 固定管板置于管箱内, 管箱盖板由螺纹锁紧环固定, 螺纹锁紧环与管箱通过长节距梯形螺纹连接。优点是①密封可靠，可以带压排除泄漏，全机械拆装, 不需要动火焊割；②设计结构巧妙,减少了高温高压密封点数［4］。缺点是结构复杂，密封元件繁多，容易泄漏，不易判断内泄漏环节，紧环加工精度要求高，鉴于结构要求,壳体大端的锻件粗大，造价较高。

2.2.4 隔膜式密封结构分析

隔膜式密封属于半强制密封。管箱与壳体通过焊接连为一体, 壳程通过固定管板螺柱—固定管板—密封垫片达到密封, 属于强制密封。安装管程密封盘时, 密封盘支架安装在管箱内, 密封盘挂在支架上, 内侧面与管箱接触。兰盖通过螺柱固定在管箱上, 并压紧密封盘, 密封盘与管箱搭接焊死, 达到密封作用, 属于非强制密封。2006 年,中国石化工程建设公司开发并设计出了首台隔膜密封式高压热交换器

[ 5]。其优点是集合了Ω环密封和螺纹锁紧环密封两种结构的部分优点, 密封性能好、结构较简单、制造周期短、且成本低。缺点有：①隔膜密封式热交换器密封盘与管箱的密封焊空间狭小且深,施工不方便；②管箱和密封盘结构尺寸及所处环境不同,热胀冷缩应力不同,密封焊易产生裂纹,导致密封失效；③密封盘与管箱接触面间有缝隙,可能产生缝隙应力腐蚀开裂。

2.2.5 密封板焊接密封

在遇到一些高温高压的情况时，对于被连接件（其中包括盖板或者法兰、垫片）和可以拆卸的法兰结构的连接件（指螺栓）的温度不同，一般来说两者的线膨胀系数也不会相同。而线膨胀系数不同在安装时很容易发生螺拴松动，最终导致需要压紧的两个面分离开来，导致密封垫片移动，从而导致了泄漏。这种泄漏出现率还是比较高的。好的办法就是对密封的元件采取密封焊接的办法，这样有很好的解决的这一问题。

密封焊结构由盖板(或法兰)、密封板、螺栓组成。其特点是不设置垫片，在主螺栓压紧下，对密封元件进行密封焊。由于结构简单，密封可靠，密封面加工精度要求不高，适用范围比较大，维护检修容易等，国内外许多高压高温设备中应用较多。但不适用多次拆卸的密封结构。

焊接密封结构的机理是靠对密封元件的封焊来密封。密封板与管箱壳体接触，盖板压在密封板上。此结构是将密封板外周焊于管箱法兰或管箱壳体周边上。当受压时， 内压加压与密封板上，从而把密封板紧密压在背面盖板上，盖板的推力由螺栓承受。本设备采用该种焊接密封结构。

3 换热器选材

据双壳程换热器的设计要求，换热器的筒体要求使用的是120 mm的钢材板Q345R，16MnR钢板最厚为120 mm，考虑到卷板制造中厚度会减薄，制造加工后的厚度应不小于名义厚度，由于钢厂轧制设备条件的限制，轧制的钢板内部致密度及中心组织质量稍差，选用锻件比选用钢板合理，为此选用16MnⅣ锻件。

因为所使用的是合成介质，在工作过程是能够产生出氢气的，氢对换热器的管箱及管板的材质有较强的腐蚀作用，因此换热器管板和管箱材质按有关规定选用了抗氢钢2．25Cr一1Mo(SA一336F22 class3)锻件。计算后管箱简体，壳程简体厚度基本一致。这使得壳程筒体、管程简体与管板焊接连接结构简单，过渡平缓， 可减少由温差应力引起的内应力。

4 关于强度计算

一种是盖板的计算，另一种是对于换热器的主螺栓的计算，计算依据为HG20582及GB150-98中7.4条[6]。在设计中应注意尽量减少密封面直径，以便减少平盖和主螺栓尺寸，减少密封结构的重量。螺栓圆直径越小，所需要的螺栓直径和数量越少，平盖厚度越薄。

5 结 语

换热器采用双壳程结构，可以提高换热效果；同时与其他密封结构相比，密封板焊接密封具有使用周期长，可多次重复使用的特点，其密封的可靠性及维修的便利性都是其他密封形式不可比拟的。

目前该设备自投运以来，项性能指标均达到了设计要求。随着石油化工业的蓬勃发展，高温高压换热器的运用也越来越广泛，该设备的投运为焊接密封结构换热器在高温高压换热器的设计、制造等方面积累了一定经验。

［1］杨允达. 八角垫在集碳塔密封结构中的应用[ J]. 石油化工设备, 1991, 20( 5) : 25- 27.

［2］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.

［3］宋秉棠, 顾雪东, 邹建东. 加氢换热器Ω环泄漏原因与对策[ J]. 石油化工设备, 2003, 32( 1) : 57- 58.

［4］尹丹勤. 螺纹锁紧环式双壳程换热器的结构设计[ J].石油化工设备技术, 2001, 22( 5) : 9- 10；36.

［5］余勇,张凯,王迎君. 螺纹锁紧环式换热器的制造工艺[ J]. 电焊机, 2004, 34( 5) : 12- 18.

［6］GB150-1998 钢制压力容器[S].

Analysis on Seal Structure of High Temperature and High Pressure Heat Exchangers

CHEN Xiao-hong1， WANG Yong-qin2
（1. Shaanxi Yanchang Petroleum (Group ) limited liability Company Petrochemical Company, Shaanxi Yan’an 727406，China；
2. Shaanxi Yanchang Petroleum (Group ) limited liability company Yulin refinery, Shaanxi Yulin 718500，China）

Based on design conditions of high temperature and high pressure heat exchangers, seal structure of high temperature and high pressure heat exchangers was analyzed from the aspects of design parameters, materials selection, seal principle, structural characteristics and so on.

Double shell side heat exchanger; Material; Design; Calculation

TQ 051

A

1671-0460（2012）03-0282-02

2011-10-13

陈小红（1978-），男，陕西延安人，助理工程师，2010年毕业于中国石油大学（华东）机械设计专业毕业，主要从事石油化工设备技术管理工作。E-m ail：cxh780408@163.com。