高压螺纹锁紧环换热器结构分析及泄漏处理
卜敬伟
（中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司浙江宁波 315000）
摘要：本文介绍了加氢裂化装置高压螺纹锁紧环换热器的结构和工作原理，分析了气密阶段换热器泄漏的原因，并对改进后的安装方案做了详细介绍。
关键词：高压螺纹锁紧环换热器泄漏密封原理处理方法
高压螺纹锁紧环换热器因其可靠的密封性能被广泛用于石油化工行业。
加氢裂化换热器E304为典型的H-H型螺纹锁紧环换热器。
2013年8月加氢裂化装置检修结束，进入开工氮气气密阶段，当压力升至0.4MPa时，该换热器附近发出刺耳的气流声，经现场排查发现换热器检漏孔处氮气大量泄漏，气密被迫停止，系统泄压，换热器打开检修。
1 E304内部结构及主要技术参数
加氢裂化换热器E304为H-H型螺纹锁紧环换热器，其内部结构和密封原理见图1。
1-管板；2-壳程垫片；3-管板；4-外壳；5-分程箱；6-垫环；7-内法兰；8-三合环；9-内法兰螺栓；10-支撑圈；11-管程垫片；12-密封盘；13-外压环；14-内压环；15、16-顶销；17-外圈压紧螺栓；18-内圈压紧螺栓；
19-螺纹锁紧环；20-检漏孔；21-内套筒；22-隔板箱；23-填料函；24-分程箱盖板
表1 E304技术参数表
设备位号设备名称
介质设计压力/MPa 设计温度/℃
壳程管程壳程管程壳程管程
E304 反应流出物/冷原料油换热器原料油反应流出物19.6617.90215 240 2 H-H型高压螺纹锁紧环换热器的密封原理
（1）管壳程之间密封
图1 E304换热器头部结构图
管箱的密封是通过壳程垫片2、管板3、隔板箱22、内法兰7、三合环8、内法兰螺栓9来实现的。
内法兰7上有许多丝孔，每个丝孔都有一颗单头螺栓。
当把螺栓向里拧紧时，顶在隔板箱22上，当继续拧紧螺栓时，内法兰7会产生一个向后退的趋势。
但后退趋势被三合环8顶住，由于三合环8被卡在槽内不能后退，便会给内法兰螺栓9一个向前的力。
这样在拧紧内法兰螺栓9时，只会产生一个向前的推力，把隔板箱22和管板3向前推进，使壳程垫片2得到一定的比压，从而起到密封的作用。
E304管程介质为反应流出物，壳程介质为原料油，壳程压力高于管程，因此管板3两侧存在由压差引起的轴向力，其轴向力的传递过程为：
管板3→隔板箱22→内法兰螺栓9→内法兰7→三合环8→外壳4
由于管板两侧的压差不大，故用直径较小的螺栓就能通过隔板箱22和管板3均匀的压在壳程垫片2上，从而避免管程和壳程之间的窜漏。
（2）管箱的密封
管箱的密封是通过管程垫片11、密封盘12、外压环13、顶销15、外圈压紧螺栓17、螺纹锁紧环19来实现的。
当拧紧外圈压紧螺栓17时，顶销15就会往里推进，顶在外压环13上，这时会产生一个反作用力使螺纹锁紧环19有向后退的趋势。
由于螺纹锁紧环19是用螺纹固定在外壳4上的，外壳就会给螺纹锁紧环一个向前的作用力，所以在拧紧外圈螺栓19时，只会产生一个向前的作用力，紧紧的压在密封盘12和管程垫片11上。
由于管程垫片11的接触面积较小，产生的比压较大，因此能起到较好的密封作用。
由于管箱内压力很高，内外两侧的压差很大，会产生指向外侧的轴向力，管箱轴向力的传递过程为：
分程箱5→内套筒21→密封盘12→管箱盖板25→螺纹锁紧环19→外壳4 可见，在高温环境下，内压力产生的轴向力最终由螺纹锁紧环19和外壳4来承受。
拧紧外圈压紧螺栓17仅仅是为了保证垫片有足够的密封比压。
此外，外圈压紧螺栓17的压力又可以通过外压环13和密封盘12均匀地压在管程垫片11上，因此，用直径较小的螺栓即可得到很大的密封比压，从而获得理想的密封效果。
3 螺纹锁紧环换热器优点
（1）密封性能可靠，压紧螺栓直径较小
无论是管壳程之间压差产生的轴向力，还是管箱内流体对管线盖板的静压力产生的轴向力，最终都由换热器外壳和螺纹锁紧环来承受，压紧螺栓只是提供垫片密封所需的比压，因此使压紧螺栓的直径大大减小。
（2）操作过程中发现泄漏不必停车，可带压紧漏。
当管程和壳程之间发生窜漏时，只需拧紧内圈压紧螺栓即可，力的传递过程如下：内圈压紧螺栓18→顶销16→内压环14→支撑圈10→内套筒21→
隔板箱22→管板3→壳程垫片2
当管箱泄漏时，只需拧紧外圈压紧螺栓即可，力的传递过程如下：
外圈压紧螺栓17→顶销15→外压环→密封盘→管程垫片11
（3）泄漏面少
因为管箱与壳体是锻成或焊为一体的，加之换热器开口接管直接与管线焊接，从而杜绝了这些部位可能产生的泄漏。
（4）检修方便
由于其压紧螺栓小，所以容易拆卸。
同时，利用设备制造时配套的专用工具，便可以很容易地对螺纹锁紧环、管箱内件和管束进行拆装[1]。
4 大修气密阶段检漏孔泄漏分析
E304在开工气密阶段检漏孔发生泄漏，根据其结构不难判断是管箱发生泄漏。
经讨论决定，均匀地拧紧外圈压紧螺栓，增大管程垫片的比压，观察紧漏效果是否明显。
但拧紧一圈后，发现泄漏情况并无好转，于是判断可能是换热器内部件回装时，密封盘和管程垫片压偏。
这样，再继续拧紧外圈螺栓也不起作用。
经研究决定，打开换热器检查内部情况。
换热器拆开后发现密封盘有偏移型压痕和凸起，最底部无压痕和凸起，从中下部至顶部压痕逐渐变窄，凸起逐渐变宽，可以判断是由于密封盘从管箱密封槽中脱落造成的。
密封盘情况见图2。
图2 拆下的密封盘
对拆下的密封盘和换热器进行测量发现：管箱密封槽的深度为5mm，密封垫片的厚度有3mm，而密封盘密封面的高度有12mm，计算下来密封盘插入槽内的深度只有2mm，加上密封槽、垫片及密封盘不平度的影响，实际插入深度只有1mm多。
由于密封盘插入深度较浅，而密封盘高度较大，安装过程中，如果密封盘未插入密封槽中，也难以发现。
即使密封盘已插入密封槽，在安装外压环及外圈压紧螺栓的过程中，也较易发生脱落，并且密封盘脱落现象不易被发现。
密封盘脱落后，密封面已无法起到密封作用。
因此发生泄漏后，继续拧紧外圈压紧螺栓不仅不会减少泄漏，还可能造成密封盘和垫片的损坏。
5 泄漏处理对策
经以上分析，要避免换热器再次出现类似泄
漏，一定要严格控制好内件，尤其是管程垫片和
密封盘的安装过程。
保证密封盘插入到密封槽
内，压牢垫片。
为此，在重新安装之前更换了密
封盘和垫片，并车削了外压环的压痕，在外压环
径向外侧增加了3个紧固螺钉对密封盘进行固
定。
如图3所示。
图3 径向紧固螺钉示意图
为了进一步保证安装质量，密封盘安装好后，测量其到管箱的径向间隙和密封盘的轴向高度，保证各轴向间隙均匀，径向高度同原高度与插入深度的差值基本一致。
确认密封盘安装到位后，用固定在管箱口的2个专用螺杆顶紧密封盘，固定好。
安装外压环时，用安装在外压环上的径向紧定螺钉（25）顶紧管箱，并用靠外侧固定在管箱上的紧定螺钉防止外压环向外偏移。
以上两种螺钉紧固好后可以保证外压环不向外移动，并防止密封盘脱落。
撤掉专用紧固螺杆，将螺纹锁紧环回装复位。
按照此次方案安装后，再次升压气密时未发现信号孔泄漏现象，气密顺利通过。
由此可见，高压螺纹锁紧环换热器在安装内部件时，一定要严格把关，做好测量、记录，以保证换热器运行时密封安全、可靠、无泄漏。
6 结论
（1）高压螺纹锁紧环换热器结构精密、复杂，为保证其可靠的密封性能，一定要对其安装过程严格把关。
要先对每个内圈压紧螺栓进行编号、标识，并对内圈压紧螺栓顶到锁紧环的距离进行了测量、记录，每次将内圈压紧螺栓的预紧力按10%的比例递增，每上紧一次后对螺栓的位置进行记录，以保证管、壳程垫片预紧力的均衡。
（2）操作工况变化，如温度、压力的大幅波动引起壳程垫片比压不足，进而导致换热器泄漏。
因此，在气密过程中，要按照合理升压速度，稳步提高压力，装置运行中工况变化时，要平稳操作，才能保证换热器密封良好。
参考文献
[1]徐钢，麦郁穗，钱颂文，等.石油化工厂设备检修手册/第八分册/换热器[M].北京：中国石化出版社，2013：238-241。