螺纹锁紧环换热器内漏失效分析及检修

2022-09-11

一、螺纹锁紧环换热器的结构特点

螺纹锁紧环式换热器由壳体、管束、螺纹锁紧环、螺纹锁紧环、压盖、管箱内套筒等几部分组成。具有密封可靠, 生产维护简便, 能及时排除设备运行中的泄露等优点。有以下最凸显的优点:

1. 特殊的管箱和壳体一体结构

螺纹锁紧环换热器中的管箱、壳体是浑然一体的, 这种结构有效的使大法兰结构换热器在设备法兰处容易出现泄漏的问题得以消除, 使其在生产实践中起到重要的作用。

螺纹锁紧环换热器在结构设计中, 去掉了大法兰, 更有效的使管板端的换热面积得到充分的利用, 加大了螺纹锁紧环结构的总换热面积, 提高了换热面积的利用率。

管箱和壳体一体化, 在设备的拆卸过程中, 抽出管束的时候不用移动管箱和壳体部件, 而采用直接将换热器的接管和管线焊在一起的方式, 这样可以减少焊点的数量, 在一定程度上减少了泄露点。

2. 起关键作用的大螺纹设计

螺纹承受着来自于管程和壳程的综合载荷, 对于大螺纹而言, 它的配合公差范围比较广。螺纹处在高温的环境下, 若配合公差不合理, 内外螺纹就会有出现旋合过松或过紧的可能, 甚至会出现要死的情况。螺纹的齿数越多越好的理论长期以来都被人们所接受, 但根据计算结果显示, 针对整个端部螺纹来说, 承受压力最大的是靠近管箱内部的少数量的齿, 其他部位的齿承受力是越来越小的。从这个结论来看, 整个端部螺纹中每个齿的受力是不一样的, 即力不能均匀的分布在每个齿上。因此, 螺纹锁紧环换热器采用啮合高度、抗剪抗弯能力强的短齿梯形大螺栓。

3. 卡环的特殊位置

螺纹锁紧环换热器的卡环是限位在管箱的凹槽内的, 其作用是装配时通过拧其上的内部螺栓使管壳程间达到密封。在管壳程的试压过程中, 还可以起到试压环的作用。为了符合装配的要求, 卡环被设计成多瓣。这样的位置设计虽然在制造方面带来复杂性, 但它增大了实际操作的可靠性。

4. 波齿复合垫的选用

螺纹锁紧环换热器的管、壳程间的垫片选用的是波齿复合型。这种垫片是采用特殊结构的金属骨架与柔性石墨复合而成, 在一定的预紧力下石墨层与密封面紧密接触, 形成了良好的密封。除此之外, 环形波齿具有多道密封、压缩回弹的作用, 更加验证了这种垫片的良好实用性。

二、主要结构的受力分析

在螺纹锁紧环式换热器中, 壳体、封头、管板、分合环螺栓、分合环、管箱盖板、锁紧环、锁紧环螺纹、内圈螺栓、外圈螺栓以及管箱端部是主要的受力结构, 其中的壳体和封头的受力仅来自于壳程内压力。

1. 管箱盖板的受力

管箱盖板的作用相当于一块受均布载荷且边缘简支色圆形板, 其主要受力来自于管程内压, 所承受的载荷大小为管程内压施加在整个盖板面积上的力。除此之外, 还有来自盖板边缘弯曲应力、剪应力和盖板与锁紧环接触面上的压应力。

2. 分合环的受力

分合环在管箱凹槽的位置上, 在装配时, 把分合环上的内部螺栓拧紧使管壳程间达到良好密封, 同时部分螺栓力通过分合环传向管箱凸台。因此分合环的压力主要来自于剪应力和分合环与管箱凸台接触面上的压应力。

3. 锁紧环的受力

锁紧环所受的压力主要来自于:1) 维持管壳程密封传递的载荷;2) 维持管程主密封螺栓传递的载荷;3) 经管箱盖板传递的由管程内压引起的轴向力;4) 管程内压作用于锁紧环上内卡环外径到外卡环内径范围内的轴向力。

4. 主螺纹的受力

主螺纹承受的载荷主要来自:1) 维持管壳程密封螺栓传递的载荷;2) 管程主密封操作状态下的垫片反力;3) 管程内压引起的轴向力。

5. 管箱端部的受力

螺纹锁紧环换热器的管程内压主要作用于管箱内部, 传递到主螺纹上全部载荷主要作用于管箱端部, 如果不进行校核, 会因为刚度不足造成端部变形, 进而使住螺纹失效。管箱内部筒体承受来自管程内压引起的的轴向应力和环向应力, 环向应力使这部分筒体发生弯曲变形, 而管箱端部的筒体只受轴向载荷。管箱内部筒体的操作介质温度较高, 管箱端部筒体与接触介质没有直接接触, 所以温度较低, 此处的温差导致内部筒体环向变形大而端部变形小。

三、螺纹锁紧环内漏失效的原因分析

1. 内部垫片预紧力不均匀

螺栓上产生的力是通过内合环将内部垫片所需要的压紧力传递到管板, 然后再施加到垫片上, 这使得各螺栓的拧入深度相差很大, 有的甚至超出一圈。这样使得预紧力不均匀造成垫片局部的压紧力不够产生泄露。

2. 安装时内部垫片压紧力过大

当内部垫片压紧力过大时, 会使得垫片的变形过大和回弹率变小, 遇到温度和压力载荷有大浮动变动的情况, 垫片不能及时的给予补偿, 将发生内漏的现象。

3. 管箱内法兰螺栓在高温环境下出现应力松弛

内法兰螺栓的塑性变形在高温和应力的共同作用下回随着时间的增加而增大, 相反的弹性应力在这种情况下回随着时间的增加而减小。开工过程中遇到操作温度大幅度波动的情况下, 垫片会因为密封压比不够造成内漏。但再次紧固内圈压紧螺栓后, 应力松弛现象还会再发生而且速度很快, 使得塑性变形的程度加剧, 弹性应力减小, 造成越严重的泄露。

4. 复合垫片遭到冲击破坏

出现内漏现象, 试图通过对螺纹环上的内外圈压紧螺栓进行适当的调整, 减轻冷态泄露。但进行合理调节后, 效果并不理想, 所以进行了全面的排查。装置处于合理正常的操作范畴、设备的检修阶段没有发现出现内漏的现象, 分析内漏现象发生在碱洗过程中。碱洗过程中, 水压推动管束, 这种压力使得壳程侧的波齿复合垫片遭到冲击破坏, 使得石墨复层脱落, 造成了设备的内漏。

除了以上几种, 还可能是压差关系导致管壳程短路、管板壳程密封面存在缺陷致使密封失效、内部螺栓预紧力不够使管壳程串漏等。

四、改进措施

根据以上对换热器内漏的分析, 确定内漏的原因, 有针对性的制定改进方案。

1. 严格保证安装精度

由于螺纹锁紧环的内部结构非常复杂, 零部件的数量多, 装配的要求高, 所以导致设备的检修难度加大。在安装前, 对每个螺孔用丝锥进行过丝检查;涂抹耐高温咬合剂;预紧时保证预紧力均匀对称。螺纹锁紧环的拆装过程中, , 要严格的保证安装精度, 稍有卡住现象的出现要及时的调整;若卡住现象很严重的话, 在检查和修正后重新安装。

2. 应用专门的工具拆装

在管束拆装过程中, 要使用专门的工具对管箱螺纹进行拆装。因为专用的工具能准确的定位, 不会使换热器中的零部件因自重的原因而产生重心的偏移, 对螺纹锁紧环的咬合和密封垫片的定位产生不良的影响。还要保证各个零部件要安装在正确的位置上, 以及保证各个零部件的安装与拆卸尺寸一致。

3. 改进壳程侧管板的密封垫片

密封垫片回弹能力的好坏决定了泄露的程度, 因此垫片的回弹能力很重要。回弹能力越强, 就能够很好的弥补因压力、温度波动所引起的泄漏, 从一定程度上消除内漏问题的发生。所以选择密封垫片成为关键。

目前, 新型双金属自密封波齿垫采用“压力自密封”原理设计而成, 当系统内的压力介质通过自密封波齿复合垫片的微小间隙进入两金属片间, 并对上下金属片施压, 把介质压力传递给垫片, 使垫片可以多出此附加应力, 且这种应力会随着压力和温度的变化而变化, 始终保持合适的应力范围, 保证良好的密封性。

这种垫片不仅继承了以前传统垫片的优异性能, 而且还具备压力、温度的均布性和追随的补偿性, 解决了设备在高温、高压等苛刻工作条件下由于密封性而引起的内漏问题。

4. 改进碱洗过程

内漏发生在碱洗的过程中, 是因为波齿垫柔性石墨遭到破坏, 最终壳程侧泄露。所以在正常生产时降低碱洗频次, 在碱洗的时候, 要使碱液同时进入管壳程, 还要保证施加的压力一致, 这样可以减少对垫片的冲击力, 也避免温度大幅度波动对管箱内构件造成不利影响, 同时也可以避免大量的腐蚀物进入下游设备, 对设备造成破坏。碱洗结束后要及时把水放出。

如果不采用碱洗这种方式, 可以冲入氮气进行保护。在压紧螺栓拧紧后对壳体进行氮气试压, 试压值选用管板工作时最大压差和管板设计压差之间的数值。

结语

高压螺纹锁紧环热交换器的内部结构复杂, 零部件的数量多, 装配的要求高, 检修的难度大。在设备的使用过程中, 要严格遵守操作规则, 在设备的制造中要加大装配的精确度, 在安装和检修过程中都要做到精细。尤其要注意设备在运行期间的保养和工艺管理, 避免换热器在非正常下运行, 及时的保养检修, 保证设备长期稳定高效的运行。

摘要：分析螺纹锁紧环换热器的结构特征、内部结构的受力特点, 从理论上推导内漏的部位及结构, 并在实际操作中加以验证;从工艺操作参数的变化判断高压螺纹锁紧环换热器出现内漏的现象, 采用紧固内圈压紧螺栓的方法来消除内漏现象;通过对检修时得出的数据进行校核, 提出了改进措施。

关键词：螺纹锁紧环,热交换器,内部结构,受力分析,内漏,结构