元少昀

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

管殼式換熱器是應用最廣泛的一種換熱設(shè)備。與其他幾種間壁式換熱器相比，管殼式換熱器的最大優(yōu)點是能承受高溫高壓、結(jié)垢耐受力強、制造相對簡單、生產(chǎn)成本低、清洗方便、適應性較強。

泄漏是管殼式換熱器運行中的常見病和多發(fā)病，除常見的管接頭泄漏、管束內(nèi)漏或浮頭法蘭泄漏外，還有一類頻發(fā)的泄漏現(xiàn)象，即多管程換熱器的管板與管箱法蘭密封面處發(fā)生泄漏。該類換熱器具有如下特點:管程進出口溫差大、壓力高、采用夾持管板結(jié)構(gòu)，且泄漏發(fā)生在法蘭密封面局部區(qū)域。這類泄漏的原因可能多種多樣，但如排除制造、安裝、操作等因素，這類泄漏現(xiàn)象其實有深層次的共性原因，而這些原因在設(shè)計過程中常被忽略。

本文對此進行分析，并提出防泄漏的一些處理方法，以便在設(shè)計階段就未雨綢繆，提前采取必要的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，從本質(zhì)上減小泄漏幾率。

1 管箱法蘭密封面泄漏案例

某石化廠一U形管換熱器運行不久即在管箱法蘭和管板連接處發(fā)生泄漏，經(jīng)檢查，管箱法蘭密封面和管板密封面及墊片未發(fā)現(xiàn)異常，即使在重新加工密封面后仍然泄漏，而泄漏點為分程隔板附近區(qū)域，見圖1(a)～圖1(b)。這類泄漏事故在其他生產(chǎn)裝置中也常發(fā)生，文獻【1】列舉了其他類似的泄漏案例。

圖1 管箱法蘭密封面泄漏示意

2 泄漏機理

這類換熱器有一個共同特點，即多管程、物料進出口溫差大、壓力較高、管板為夾持結(jié)構(gòu)。是否這個特點就是致漏因素?可從如下方面進行分析，以找出泄漏的內(nèi)在原因。

2.1 法蘭密封機理

法蘭－管板連接處的密封從機理上屬于典型的強制密封，為達到密封目的，墊片單位面積上的壓緊力不能小于墊片比壓力y。在操作狀態(tài)下，內(nèi)壓使法蘭和管板產(chǎn)生分離趨勢，墊片壓緊力減小，墊片能否有效密封的決定性因素是殘余預緊力(墊片殘余比壓)的大小，要求單位有效密封面積上的殘余比壓不小于m P(m為墊片系數(shù)，P為介質(zhì)密封面兩側(cè)的壓力差【2】)，否則，就有可能發(fā)生泄漏。

2.2 管程壓力對墊片應力分布的影響

對單管程管箱，壓力作用下墊片的殘余比壓沿圓周是均勻分布的。但在螺柱作用下法蘭環(huán)會發(fā)生均勻偏轉(zhuǎn)，造成墊片內(nèi)圈松弛，外圈被壓緊，有效密封寬度b只約為基本密封寬度N的1/4～1/5【2】。這種壓緊狀態(tài)使得墊片的殘余比壓沿徑向分布不均，當墊片外側(cè)的殘余比壓小于m P時，就可能發(fā)生泄漏。

2.3 分程隔板對密封性能的影響

由于分程隔板影響管箱法蘭的局部剛度，造成法蘭在螺柱力作用下的偏轉(zhuǎn)在周向不一致，這樣，同樣在壓力作用下，墊片殘余比壓沿周向不再均布，而是以分程隔板中面為對稱面對稱分布，在隔板處的殘余比壓相對偏小?？梢姡捎诜殖谈舭宓拇嬖?，將使分程隔板附近成為薄弱環(huán)節(jié)(見圖2)。同樣地，在管箱受熱膨脹時，管箱法蘭的變形和熱應力也類似地受分程隔板的影響，溫度越高，則這種影響效果越明顯。

圖2 內(nèi)壓作用下墊片殘余比壓分布

2.4 管程溫度對密封的影響

當管箱溫度增加時，如果螺柱的熱膨脹量小于法蘭墊片系統(tǒng)的熱膨脹量，則墊片法蘭的膨脹將受到螺柱的抑制，相當于增加了預緊力，墊片被進一步壓緊;反之，若螺柱的膨脹量大于法蘭墊片系統(tǒng)，則墊片殘余比壓進一步減小，除非墊片殘余比壓有足夠裕量，否則容易發(fā)生泄漏。

2.5 管程溫度梯度對密封的影響

當管箱程間溫差比較大時，管箱筒體、法蘭墊片系統(tǒng)在圓周方向的溫度梯度也較大，將對管箱法蘭的密封產(chǎn)生重大影響，具體分析如下。

管箱受熱自由膨脹時，其伸長量e可按式(1)計算:

式中:e——自由膨脹時的伸長量，mm;

α——材料熱膨脹系數(shù)，mm/(mm·℃);

L——管箱筒體和法蘭的長度和，mm;

Δt——操作溫度與安裝溫度之差，℃。

可見，當管箱程間溫度梯度較大時，管箱各部分的熱膨脹量將相差較大。以上述換熱器為例，其有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 U形管換熱器參數(shù)

假設(shè)管箱進、出口兩程內(nèi)各自的溫度是均勻的，且管箱殼體的這兩部分都能自由膨脹(即假想沿分程隔板剖開管箱)，則其伸長量分別為:

進口側(cè)

出口側(cè)

所以，操作時管箱的進、出口兩側(cè)殼體間存在5.56－3.99＝1.57 mm的膨脹差，經(jīng)過變形協(xié)調(diào)，管箱法蘭端面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不再保持原來與管板表面平行的狀態(tài)，當然，管板表面也發(fā)生類似的微小偏轉(zhuǎn)。同時，由于管箱法蘭沿圓周方向存在較大的溫度梯度，法蘭環(huán)的熱膨脹量沿周向也存在較大的梯度，將引起法蘭環(huán)的變形，由于分程隔板的存在，該處的局部剛度要高于其他區(qū)域，使得隔板附近的變形量最小，并最終導致管箱法蘭密封面發(fā)生翹曲變形，呈現(xiàn)“兩頭翹，中間凹”的特點，見圖3。這種變形將直接導致墊片各處的壓緊程度不同、墊片的殘余比壓分布發(fā)生較大變化，而隔板附近墊片殘余壓緊力下降最明顯。

圖3 管程溫度梯度對法蘭的影響

3 前述案例泄漏原因

再看本文案例中的那臺換熱器，其管程溫度梯度達到110℃，設(shè)計壓力為2.8 MPa，也屬于發(fā)生管箱密封面泄漏“潛能”很大的設(shè)備。該設(shè)備不是沿法蘭圓周整體泄漏，可以排除螺柱面積不夠等原因。泄漏僅在分程隔板兩側(cè)這一局部區(qū)域發(fā)生(見圖1)，符合上述造成泄漏的因素特點，說明泄漏就是由于分程隔板的存在加上管箱側(cè)有大的溫度梯度和內(nèi)壓聯(lián)合作用引起的。文獻【1】也詳細地分析了這類換熱器管箱法蘭泄漏的原因。

4 防泄漏措施

基于上述泄漏機理及原因分析，可以有針對性地采取“預防性”和“補救性”防泄漏措施。預防性措施即從設(shè)計階段就進行風險分析和預判，采取必要的措施，從源頭上減小泄漏的可能性;補救性措施就是在泄漏發(fā)生后所采取的消除泄漏的手段。

4.1 預防性措施

4.1.1 管箱元件設(shè)計

1)管箱法蘭、墊片設(shè)計

a)墊片計算和選型

若管箱壓力和溫度比較高，墊片、螺柱在高溫、高壓的作用下將產(chǎn)生蠕變和應力松弛，非金屬墊片或金屬復合墊片長期在高溫下工作也容易發(fā)生氧化或熱分解引起屈服限降低，導致塑性變形量增大、回彈性能下降.為避免因這兩種情況引起的墊片回彈不足造成介質(zhì)泄漏，設(shè)計時宜避免使用纏繞墊片或金屬包墊，而是選用密封性能更好的金屬墊片，如八角墊片、橢圓墊片，并相應地改變管箱法蘭的密封面形式。

b)管箱法蘭壓力等級

根據(jù)文獻【3】，在材料和直徑相同的條件下，壓力等級高的法蘭剛度更大，因此，適當提高法蘭壓力等級、增加法蘭剛度，可提高法蘭防泄漏的能力。但采用這種方式將造成材料的浪費，尤其是大直徑高壓法蘭，法蘭等級提高過多將使得經(jīng)濟性變差。另外，在溫度梯度過高時，這種方法的有效性可能不再明顯。

2)螺柱設(shè)計

a)調(diào)整隔板部位螺柱的材質(zhì)或規(guī)格，以滿足該處墊片壓緊力要求。

b)由于在周向溫差梯度作用下，墊片殘余比壓最低點出現(xiàn)在2個螺柱之間，為使墊片的壓緊力盡量均勻，在一定的壓緊力要求下，宜增加螺柱的數(shù)量并適當減小螺柱的直徑，這樣既可減小螺柱載荷分布的不均勻性，提高墊片殘余比壓的最小值，又可適當減小螺柱的剛度，減小其對連接處法蘭的影響。

c)由于在溫度梯度和壓力作用下，螺柱將出現(xiàn)蠕變和應力松弛，引起壓緊力下降，同時墊片的殘余比壓變化也不均勻，因此，為保證操作時墊片的最小比壓仍滿足密封要求，要求螺柱的設(shè)計壓緊力(螺柱總面積)必須具有一定的裕量，但為避免螺柱載荷過大在預緊時壓毀墊片，對平面密封應控制的墊片預緊力不大于4y(y為墊片比壓力)，文獻【2】提出，單位有效密封面積上的壓緊力不宜超過2y。

d)螺柱材料的熱膨脹系數(shù)應盡量低于法蘭材料或與法蘭材料相近，不應選用熱膨脹系數(shù)大于法蘭材料的螺柱材料。為便于保證足夠的壓緊力、確保螺柱材料在高溫下的操作性能、防止應力松弛，對低合金高強度鋼制法蘭，螺柱材料選用25Cr2Mo VA時，螺母材料宜選用25Cr2Mo VA，且采用加厚型，厚度不小于螺柱直徑【4】。

e)由于螺柱的熱膨脹量與其長度成正比，因此，不宜采用過長的螺柱。

3)管箱長度

由于管箱軸向熱膨脹量與其長度成正比，為減小管箱的變形和熱應力，設(shè)計管箱時，在滿足軸向開口的管箱最小長度要求、相鄰管程間最小流通面積要求【5】、分程隔板焊接要求、管程開孔補強寬度要求【6】的基礎(chǔ)上，管箱的軸向長度應盡可能小。

4.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

除上述原則外，還可以采取多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，如改變管板與管箱間的連接形式、采用異形分程隔板并相應地改變管箱封頭形式等綜合手段。這種防泄漏措施需對換熱器管箱結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)性改進，相對比較復雜，但效果較好，可從根本上杜絕因管程溫度梯度引起的管箱法蘭泄漏問題。下面以工程中對某高溫差U形管換熱器所進行的成功優(yōu)化為例，簡述此預防性方法的實施。

1)換熱器設(shè)計條件

某渣油催化熱裂解(CPP)制乙烯裝置中，1臺結(jié)構(gòu)型式為BJU的蒸汽加熱器的初始工藝條件見表2，工藝方案示意見圖4。

圖4 氧反應器蒸汽加熱器的工藝方案示意

表2 氧反應器蒸汽加熱器工藝條件

2)泄漏風險分析

按工藝條件，該換熱器為夾持管板、2管程的U形管換熱器，管程進出口溫差達150℃，是典型的本文所分析的這類換熱器。該設(shè)備的工況較前述換熱器更苛刻，結(jié)構(gòu)型式(BJU)也與前述換熱器完全相同，若完全按原工藝條件指定的結(jié)構(gòu)方案進行設(shè)計，則操作中管箱法蘭與夾持的管板密封處發(fā)生泄漏的幾率將非常高，為避免泄漏，在設(shè)計階段就進行了結(jié)構(gòu)改進，采取了預防性措施優(yōu)化設(shè)計。

3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

a)改變管板連接形式

由于管箱的2管程結(jié)構(gòu)不能更改，即管板在管箱側(cè)無法避免同時接觸溫差為150℃的介質(zhì)，故只要仍采取夾持管板的結(jié)構(gòu)，就無法避免這種泄漏的可能性。為杜絕此處的泄漏，將管板與管箱的連接形式改為焊接式，即取消管箱法蘭，將管板與管箱筒體的連接方式由a型(夾持式管板)改為f型【5】(即前端管箱結(jié)構(gòu)由B型改為C型)，見圖5。由于該形式管板與管箱筒體間為強度焊接結(jié)構(gòu)，因此，徹底避免了泄漏問題。同時，進一步采取了下述配套的輔助措施，以滿足工藝的功能要求。

b)改變封頭形式

將原橢圓封頭改為平蓋，相應增加設(shè)備法蘭，并將該管箱法蘭改為反向法蘭結(jié)構(gòu)【6】。

c)改變分程隔板形式

改變原分程隔板形式，設(shè)計了一種新型的異形分程隔板(見圖5)，經(jīng)此改進后，消除了平蓋側(cè)導致本文所述泄漏現(xiàn)象的誘因。

圖5 采取防泄漏結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施后的蒸汽加熱器示意

上述防泄漏措施已在筆者負責的多個工程項目中實施，采取優(yōu)化設(shè)計方案的換熱器均已服役多年，一直未發(fā)生泄漏事故，證明該方法是非常有效和可靠的。

由于蒸汽加熱器的操作工況比前述換熱器更苛刻，對比來看，應該說這臺換熱器發(fā)生管箱法蘭泄漏的概率原本是非常大的，但其實際并未發(fā)生泄漏，說明設(shè)計階段采取預防性措施是最有效、最科學、最經(jīng)濟的防泄漏手段。

4.2 補救性措施

4.2.1 采用回彈性能好的墊片或墊圈

當墊片的回彈不足以補償溫度、壓力引起的密封面分離和密封系統(tǒng)的蠕變松弛時，可以利用彈性墊圈優(yōu)異的回彈性能補充高溫下法蘭和墊片間的松弛，即在螺柱與法蘭之間增加彈性元件——碟簧墊圈，見圖6，圖6中h為碟簧墊圈的自由高度。

圖6 碟簧示意

4.2.2 其他補救措施

還可考慮采取一些其他措施，如在安裝螺柱時，為提高螺柱壓緊力的準確性，采用力矩扳手增加對螺柱力控制的準確度。另外，還可考慮對管箱低溫側(cè)的螺柱適當增加張緊度，加大局部區(qū)域螺柱的壓緊力，以便在高溫梯度作用下，使低溫側(cè)墊片能夠保留足夠的壓緊力。上述方法僅為筆者的設(shè)想，其效果有待實際檢驗。

5 結(jié)語

針對多管程、進出口溫差大、壓力高、夾持管板的換熱器，在分析法蘭密封機理的基礎(chǔ)上，進一步分析了周向溫度梯度、內(nèi)壓、分程隔板對墊片殘余壓緊力的影響，得到如下結(jié)論:

1)在管箱溫度梯度和內(nèi)壓的作用下，管箱軸向熱膨脹和變形在周向分布的差異導致墊片殘余壓緊力沿周向分布不均勻;

2)管箱周向的溫度梯度是引起管箱法蘭翹曲變形的主要因素;

3)分程隔板嚴重影響管箱筒體和法蘭的局部剛度，是造成泄漏的重要原因;

4)可以采取預防性和補救性措施防止泄漏，包括進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，合理地進行法蘭、螺柱等元件的設(shè)計和選材以及選用碟簧墊圈等措施;

5)預防性結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施主要指在設(shè)計階段采取的成體系的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，實踐證明這是最有效、最科學、最經(jīng)濟的防泄漏手段。