螺纹锁紧环式换热器

螺纹锁紧环式换热器

雷永飞 加氢车间

摘要：螺纹锁紧环式双壳程换热器以其较高的换热效率、可靠的安全

系数和简单的在线修理功能，非常适合在高温、高压和临氢环境下使用。本文主要介绍了中国石化股份有限公司上海高桥分公司炼油事业部“十五”二期重点建设项目140万吨/年加氢裂化装置选用的螺纹锁紧式双壳程换热器的结构、材料、制造过程以及检验方法等特点。

关键词：螺纹锁紧环式换热器 2.25Cr-1Mo 双壳程 加氢裂化 1序言

换热设备在炼油和化工生产中占据着重要的地位，它不仅能为生产过程提供必要的工艺条件，而且为减少能源消耗、降低生产成本起到了重要的作用。可是随着生产技术的发展，人们对设备安全运行和换热器的换热效率的要求逐步提高。传统的管壳式换热器已经逐渐不能满足在高温、高压条件下的生产需要。中国石化上海高桥分公司炼油厂1400kt/a加氢裂化装置在设计阶段，根据同类型装置的考察和本装置的生产需要选用了具有较高换热效率、优良在线修理形式的一种新型换热器——螺纹锁紧环双壳程换热器。

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螺纹锁紧环式换热器

中石化高桥分公司炼油事业部1400kt/a加氢裂化装置是该厂适应生产需要和市场需求而建设的“十五”二期重点项目之一，该装置采用中石化集团抚顺石油化工科学院（FRIPP）开发的3936和3976单段双剂串联一次通过的加氢裂化工艺，由北京设计院设计。装置计划于2004年4月建成，2004年6月正式投产。该装置共选用了6台螺纹锁紧环式换热器（都为高压换热器）。其中，E3101/A、E3101/B和E3103都采用了壳程筒体和管程筒体整体高压的整体式，而E3102、E3104和E3107因为管程压力较高而壳程压力较低采用了壳程筒体和管箱筒体采用螺栓连接、管板和管箱一体的分体结构形式。

2介绍

2.1结构特点

2.1.1整体式螺纹锁紧环换热器

这种换热器适用于管程和壳程同为高压的介质，管箱同壳程介质共用一个壳体，壳程侧顶端为封头，管箱端部用螺纹承压环旋入，就像一个大的丝堵旋入管箱内。管箱与壳程筒体焊接为一个整体，所有的内构件都封装在同一壳体内部，减少了密封点降低了泄漏的可能性。与法兰式换热器相比其最大的一个特点就是该换热器把管箱侧承受的巨大的压力传递到了螺纹锁紧环上，而压紧螺栓只要提供垫片密封所需要的压紧力。一旦发生泄漏只要调节压紧螺栓就可以压紧垫片。而法兰式换热器主螺栓要承受内压和压紧力的两种负荷，使得在相同压力下设计出来的换热器螺栓和螺母非常粗大，法兰面非常厚，不仅体积要比螺纹锁紧环大好多而且一旦发生泄漏很难进行紧漏。

从图1可以看出，该换热器从管板右侧从里向外主要零件分别为：

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内密封垫片、管板、压环、卡环、管程内套筒、外密封垫片、螺纹承压环、压盖、内外压紧螺栓等等。

 内密封垫片：主要起到了隔离壳程与管程介质的作用，因为管程侧和壳程侧都为高压而且压差较小。所以使密封面上所受的合力较小。减少了普通换热器由于管板受到高压而发生泄漏的可能性。即使发生泄漏也不会向外界泄漏，增加了安全性。  管板：由于该管板使用了压差设计，设计压力只有3.5Mpa。使得管板的厚度大大减薄，既减少了材料又控制了换热器的整体体积。

 卡环和压环：卡环和压环都起到了传递内压螺栓力的作用，在安装和壳程试压时卡环还可以通过其配对螺栓对管板进行预压紧。

 管程内套筒：起到了传递内压紧螺栓的作用，压紧管板，达到了内密封圈压紧力的要求。

 外密封垫片：用来密封管程内介质与外界环境的垫片，该垫片的压紧力由外压紧螺栓来提供。该压紧螺栓只需提供保证密封面不发生泄漏的压紧力，而不同与普通的换热器螺栓还要提供抵消介质对封头的巨大的压力作用。所以相对来说该垫片极易压紧而且泄漏的可能性很小。

 螺纹缩紧环和压盖：螺纹缩紧环和压盖共同起到了一个封头的作用，只不过不是采用焊接而是采用螺纹连接的形式和筒节连接。螺纹锁紧环通过螺纹的压紧力，不仅承受管程内部介质的

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压力还有内压杆穿过来的管板对内压杆的反作用力。

图1 螺纹锁紧环式换热器

1 压盖； 2 内压紧螺栓；3 外压紧螺栓；4 螺纹锁紧环；5 压环；6 卡环；7 管程内套筒；8 盘根； 9 管板；10 筒节2；11 管束；12 密封盘；13 波齿复合垫片；14 筒节1

图2 分体式螺纹锁紧环换热器

2.1.2 分体式螺纹锁紧环换热器

根据工艺需要，有的换热器需要高压介质和低压介质进行换热。这种情况就可以使用分体式螺纹锁紧环式换热器。这种形式的换热器的壳程同普通换热器一样，只是相当于把普通换热器的管箱和管板焊

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接成一个整体，管箱部分采用螺纹锁紧环的形式。管箱同壳体部分的连接采用螺栓连接（见图2）。

由图可以看出该结构的和整体式的原理相同，只是少了内压螺栓和相关结构，而且没有了平衡式设计，管板相对比较厚一些。

2.2 材料的选用

此六台螺纹锁紧环换热器因为使用在高温高压和临氢的工艺条件下，主体材质选用了具有良好强度和耐热性能的2.25Cr-1Mo、15CrMo等铬钼耐热钢的锻件或者板材。管程和壳程的四个接管法兰、压盖和筒节1部分都是使用锻件，筒节2和封头采用板焊加工。管束部分选用了φ19×2的0Cr18Ni10Ti不锈钢管。筒体、法兰接管内表面堆焊E309＋E347的不锈钢层，堆焊总厚度为6.5mm，表层有效厚度3mm。

2.2.1 2.25Cr-1Mo钢板

2.25Cr-1Mo的钢板进厂要进行化学和力学性能的分析，其化学成分要达到以下标准： 元素 含量％ C ≤0.15 Si Mn P S Cr Mo ≤0.30- ≤≤2.00- 0.9-1.1 0.20 0.60 0.010 0.010 2.50 Ni ≤0.20 Cu ≤0.20 力学性能分析要达到以下标准： 拉伸强度 屈服强度 延伸率 σb（MPa） σ0.2（MPa） δ4（％） 515-690 ≥310 ≥18 -30℃夏比 断面收缩率 （V缺口） ψ（％） 冲击功（J） 平均≥54 ≥45 允许一个≥47 第 5 页 共 5页

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还要增加380℃高温屈服强度σ裂纹。

0.2≥244.2MPa，室温弯曲

180o无

钢板回火脆火敏感性系数要满足如下条件：

J＝（Si+Mn）*（P+Sn）*104≤120（式中元素以其百分含量代入，如0.15％以0.15代入）

X＝（10P+5Sb+4Sn+As）*104≤15ppm(式中元素以其ppm代入，如0.15％以150ppm代入)

2.2.2 2.25Cr-1Mo锻件

2.25Cr-1Mo的锻件进厂要进行化学和力学性能的分析，其化学成分要达到以下标准： 元素 含量％ C ≤0.15 Si Mn P S Cr Mo ≤0.30- ≤≤2.00- 0.9-1.1 0.10 0.60 0.010 0.010 2.50 Ni ≤0.20 Cu ≤0.20 力学性能分析要达到以下标准： 拉伸强度 屈服强度 延伸率 σb（MPa） σ0.2（MPa） δ4（％） 515-690 ≥310 ≥19 -30℃夏比 断面收缩率 （V缺口） ψ（％） 冲击功（J） 平均≥54 ≥40 允许一个≥47 还要增加454℃高温屈服强度σ

0.2≥230.3MPa。

锻件回火脆火敏感性系数要满足如下条件：

J＝（Si+Mn）*（P+Sn）*104≤120（式中元素以其百分含量代入，如0.15％以0.15代入）

X＝（10P+5Sb+4Sn+As）*104≤15ppm(式中元素以其ppm代入，

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如0.15％以150ppm代入)

2.3 焊接

在焊接之前要求制造厂家按照JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》进行工艺评定，通过试板力学性能试验，焊缝化学成分分析，评定出正确的焊接工艺和焊接材料才能对产品进行焊接。焊接工艺评定取试板的力学性能检验项目、数量和位置如下：

a． 接头室温拉力试验，2件，取在1/4厚度处； b．

接头高温拉力试验（454℃），2件，取在1/4厚度处；

c． 横向弯曲试验，侧弯4件， 1/4厚度处试样轴线垂直于焊缝轴线； d．

-30℃夏比（V型缺口）接头冲击试验，6套试样，每套3

件。1/2厚度处中心面两侧试样轴线垂直于焊缝轴线； e． 回火脆化倾向评定用夏比（V形缺口）冲击试验，8套试样，每套3件。1/2厚度处中心面两侧试样轴线垂直于焊缝轴线； 所有的力学性能试验结果，应符合JB4708的规定。

焊缝金属应具有与锻件相近的化学成分，其含量（％）要求如下： 元素 含量％ 元素 含量％ C ≤0.15 Mo 0.9-1.1 Si+Mn ≤1.20 Ni ≤0.25 Mn P S Cr ≤≤0.010 ≤0.010 2.00-2.50 0.3-0.95 Cu ≤0.20 普通焊缝的焊接过程按照如下的顺序进行：刨坡口——坡口100％MT——预热150-200℃——组对——焊接（氩弧焊打底）——清根后

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100％MT——焊接（埋弧自动）——消应力690℃×1-2h——100％RT——100％MT——100％UT。

堆焊过程顺序：待堆焊面100％MT——预热100-150℃——堆过渡层——消应力690℃×1-2h——100％PT——100％UT——堆复层——测铁素体含量——100％PT——100％UT。

2.4 检验与验收

因为螺纹锁紧环换热器底高温、高压、临氢使用条件，所以必须严格进行检验和验收过程以达到产品质量的万无一失。所有的铬钼钢对接焊缝接头在最终热处理之前都按JB4730-94《压力容器无损检测》进行100％的射线检测，检测结果不低于Ⅱ级要求。对于部分焊接接头进行100％超声检测，检测标准按照JB4730-94《压力容器无损检测》，验收等级Ⅰ级合格。所有的焊接坡口和焊缝以及待堆焊表面均应按照JB4730-94《压力容器无损检测》中的磁粉检测进行检测，验收等级Ⅰ级合格。最终热处理之前还要进行硬度测量，要求2.25Cr-1Mo钢的焊接接头硬度不小于225HB，法兰面硬度不小于170HB或者较八角垫片高30HB。

在设备制造完成要进行水压试验，水压试验共分两步，第一步是对壳程打压至规定试验压力，检查换热管与管板的连接强度与严密性。第二步是对管程和壳程同时加压到试验压力，检查各个部分有没有泄漏和变形。在第二步中需要检查的是在升压的过程中管程和壳程的压差始终要保持低于规定压差。水压试验完成以后，抽查焊接接头

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的30％进行磁粉检查，并对构件焊缝进行渗透检验。

3. 换热器的使用

虽然螺纹锁紧环换热器的密封原理与普通换热器不同，但其换热和操作原理和普通换热器基本相同。其中主要需要注意的是管板采用压差式设计的螺纹锁紧环换热器在操作过程中，管程和壳程的压差绝对不能超过设计压差，这一点必须引起操作人员的注意。在换热器的醒目位置应该设置提示牌。 4. 结束语

螺纹锁紧环式换热器从其它使用厂家的使用情况来看，其较高的换热性能，可靠的安全系数以及优良的在线修理功能得到了其它厂家的一致肯定。螺纹锁紧环式换热器必将在高桥140万吨/年加氢裂化装置中大显神手，而且会在以后的应用中得到进一步的推广。

作者简介：雷永飞，男，助理工程师，1978年6月生，2001年7月毕业于西北大学化工设备与机械专业，同年进入上海炼油厂，现加氢车间从事设备管理工作。 电话：33094

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