CN102901395B - 一种石墨管式换热器管板与换热管的密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨管式换热器管板与换热管的密封装置，以解决现有密封装置所存在的密封孔上的螺纹容易损坏、密封结构与安装过程比较复杂、密封圈不能补偿径向间隙等问题。本发明密封装置由内向外设有内密封圈(3)、金属壳体(2)和外密封圈(4)，金属壳体由内向外设有内侧板(21)和外侧板(22)。内侧板和外侧板的底部设有圆环形的底板(23)，顶部设有圆环形的盖板(5)，盖板上设有开孔(51)。内侧板、外侧板、底板和盖板之间形成腔体，腔体内设有膨胀橡胶(1)，膨胀橡胶为吸水或吸油膨胀橡胶。本发明主要用于石油化工、煤化工等行业的石墨管式换热器中。

Description

一种石墨管式换热器管板与换热管的密封装置

技术领域

本发明属于密封装置技术领域，涉及一种石墨管式换热器管板与换热管的密封装置。

背景技术

石油化工、煤化工等行业中使用的换热器一般由金属材料制造，但是在换热介质具有腐蚀性时，金属材料制造的换热器显然不能满足使用要求。为使换热器能够在腐蚀性环境中工作，可以使用石墨管式换热器。石墨管式换热器的管板和换热管均由石墨材料制造；石墨材料有着良好的传热性能，并且具有很强的耐腐蚀性能。但是，石墨是脆性材料，易于损坏；石墨管板与换热管之间还不能焊接密封，通常是采用密封填料密封或粘结剂黏结密封。粘结剂黏结密封是在石墨换热管外表面和管板密封孔的表面上涂一层粘结剂，换热管与管板装配好后经过固化连接在一起，形成密封。黏结密封的缺点是，在石墨管板和换热管受热产生热膨胀差时容易造成密封失效。

中国专利CN201780037U公开了一种石墨换热器中石墨换热管的密封装置，其结构包括石墨换热管板和石墨换热管，石墨换热管端部与石墨换热管板之间的连接处从内到外依次安装有O型密封圈和石墨垫片，石墨垫片的外侧设置有石墨压紧螺母。《腐蚀科学与防护技术》杂志2004年第3期发表的“石墨蒸发器的选择”一文介绍了一种石墨换热管与管板的密封装置，包括旋紧螺母、石墨衬圈和聚四氟乙烯O型圈等。上述两种密封，都属于密封填料密封，在螺母旋紧后通过石墨垫片或石墨衬圈压紧密封圈实现石墨管板与换热管之间的密封。存在的问题是：(1)需要在石墨管板上的密封孔上加工出螺纹。由于石墨较脆，螺纹容易损坏，从而使作用于密封圈上的密封压力减小，造成密封的可靠性降低或密封失效。(2)密封结构与安装过程比较复杂。对于每一根石墨换热管与管板之间的密封，都需要在石墨管板上加工出一个带螺纹的密封孔，然后用螺母等零件压紧密封圈。在换热管的数量较大时(例如数百根换热管)，密封工作将相当烦琐。(3)密封圈通常使用聚四氟乙烯、普通密封橡胶等材料，对于密封圈与石墨管板上的密封孔和与换热管之间的径向间隙(因石墨管板和换热管的热膨胀差而产生)，不能进行补偿，也会造成密封的可靠性降低或密封失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨管式换热器管板与换热管的密封装置，以解决现有密封装置所存在的密封孔上的螺纹容易损坏、密封结构与安装过程比较复杂、密封圈不能补偿径向间隙等问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种石墨管式换热器管板与换热管的密封装置，其特征在于：它由内向外设有内密封圈、金属壳体和外密封圈，金属壳体由内向外设有内侧板和外侧板，内密封圈、外密封圈、内侧板和外侧板均为圆筒形，同轴设置，内密封圈与内侧板之间、外密封圈与外侧板之间相互接触，内侧板与外侧板之间相互隔开，内侧板和外侧板的底部设有圆环形的底板，顶部设有圆环形的盖板，盖板上设有开孔，内侧板、外侧板、底板和盖板之间形成腔体，腔体内设有膨胀橡胶，膨胀橡胶为吸水或吸油膨胀橡胶。

采用本发明，具有如下的有益效果：(1)本发明密封装置在使用时，管板上的密封孔上不需要加工出螺纹，避免了现有密封装置因该螺纹容易损坏而造成密封可靠性降低或密封失效的问题。(2)本发明密封装置的结构比较简单。在使用时，将其作为一个整体部件放置在管板上的密封孔内、换热管的端部插入内密封圈的内孔中，即完成了安装；安装过程也比较简单。在换热管的数量较大时，与现有密封装置的密封方案相比，本发明的密封工作易于进行，密封工作量可以大大减少。(3)本发明在使用过程中，管程换热介质(油或水)从盖板上的开孔进入金属壳体的腔体之内，膨胀橡胶吸水或吸油后发生膨胀。受金属壳体的限制，膨胀橡胶沿径向膨胀，使其两侧的内侧板和外侧板分别产生向内密封圈和外密封圈方向的径向变形，从而使内密封圈和外密封圈分别产生径向压缩变形。因此，在石墨管板和换热管受热产生热膨胀差时，内密封圈对于内密封圈与换热管之间的径向间隙、外密封圈对于外密封圈与密封孔之间的径向间隙，可以进行补偿，防止所述径向间隙的形成，使内密封圈与换热管之间、外密封圈与密封孔之间始终保持紧密贴合、持续产生足够的密封压力。内密封圈与内侧板之间、外密封圈与外侧板之间，也能够始终保持紧密贴合，不存在径向间隙。由于以上的原因，本发明不会因径向间隙问题造成密封的可靠性降低或密封失效，在管程和壳程换热介质压力较高时也能够实现良好的密封。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明石墨管式换热器管板与换热管的密封装置沿轴向的剖视图。

图2是图1所示密封装置的俯视图。

图3是本发明密封装置的安装示意图。

图4是管板以及管板上密封孔和管孔的示意图。

图1至图4中，相同附图标记表示相同的技术特征。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明的石墨管式换热器管板与换热管的密封装置(简称为密封装置)，由内向外设有内密封圈3、金属壳体2和外密封圈4，金属壳体2由内向外设有内侧板21和外侧板22。内密封圈3、外密封圈4、内侧板21和外侧板22均为圆筒形，同轴设置。内密封圈3与内侧板21之间、外密封圈4与外侧板22之间相互接触，内侧板21与外侧板22之间相互隔开。内侧板21和外侧板22的底部设有圆环形的底板23，顶部设有圆环形的盖板5，盖板5上设有开孔51。内侧板21、外侧板22、底板23和盖板5之间形成腔体，腔体内设有膨胀橡胶1。腔体和膨胀橡胶1均为圆筒形，横截面形状均为长方形。金属壳体2由内侧板21、外侧板22、底板23和盖板5组成。

膨胀橡胶1为吸水或吸油膨胀橡胶，它们都是现有的。换热介质为水时，使用吸水膨胀橡胶；换热介质为油时，使用吸油膨胀橡胶。吸水膨胀橡胶吸水后或吸油膨胀橡胶吸油后，在不受约束的情况下，体积膨胀率一般均为200％～350％。吸水膨胀橡胶可以使用WRS200、WRS250、WRS350等牌号的吸水膨胀橡胶，吸油膨胀橡胶可以使用ORS200、ORS250、ORS350等牌号的吸油膨胀橡胶。本发明要求，膨胀橡胶1的拉伸强度一般为6～10MPa。

内密封圈3和外密封圈4的材料一般均为各种硅橡胶或聚四氟乙烯。

金属壳体2(包括内侧板21、外侧板22、底板23和盖板5)的材料一般为不锈钢，例如1Cr18Ni9、Cr17等。本发明要求不锈钢的弹性模量(杨氏弹性模量)一般为195×10³～201×10³MPa。

参见图1，膨胀橡胶1的厚度b一般为5～15毫米，内密封圈3和外密封圈4的厚度a一般均为4～8毫米。为使金属壳体2保持轴向刚性、防止膨胀橡胶1沿轴向膨胀，本发明要求金属壳体2中底板23和盖板5的厚度均大于内侧板21和外侧板22的厚度。内侧板21和外侧板22的厚度一般均为0.5～1毫米，底板23和盖板5的厚度一般均为1.5～4毫米。

参见图1、图3和图4，内密封圈3的内直径d1一般要比换热管6的外直径d3小1～3毫米，换热管6的外直径d3一般为18～42毫米。外密封圈4的外直径d2一般要比密封孔72的直径d4大1～3毫米。本发明石墨管式换热器管板与换热管的密封装置的总高度h1一般为20～50毫米，密封孔72的深度h2一般比h1大2～5毫米。

盖板5上开孔51的形状一般为圆形或正方形，数量一般为4～16个，在盖板5上绕圆周方向均匀分布；每个开孔51的面积一般为4～12平方毫米。图2所示，盖板5上设有8个圆形开孔51。

本发明的密封装置，内密封圈3与内侧板21之间、外密封圈4与外侧板22之间分别用有机硅树脂(例如甲基苯基硅树脂等)胶粘剂黏结在一起；可以使用1052、1053、1054、WJ-2、WJ-3等牌号的有机硅树脂胶粘剂。内侧板21、外侧板22和底板23通常为一体式组合构件，整体冲压加工而成。将膨胀橡胶1放入内侧板21、外侧板22和底板23组成的圆筒形空间后，通常再通过点焊的方式将盖板5连接于内侧板21和外侧板22的顶部。这样，就使本发明的密封装置成为一个整体部件。

参见图3，管程换热介质8(油或水)的温度一般为100～160℃。本发明使用的膨胀橡胶1以及内密封圈3和外密封圈4所用的硅橡胶或聚四氟乙烯的使用温度，一般均为140～220℃，通常都应比管程换热介质8的温度高出40～60℃。上述部件材料的使用温度，是指这些部件材料在140～220℃的温度范围内能够使用。

参见图3和图4，本发明的密封装置在使用时，安装在管板7上的密封孔72内。换热管6由管板7上的管孔71穿过(管孔71的直径d5一般要比换热管6的外直径d3大1.5～3毫米)，换热管6的端部插入内密封圈3的内孔中。由于内密封圈3的内直径d1小于换热管6的外直径d3、外密封圈4的外直径d2大于密封孔72的直径d4，所以密封装置安装完成后，内密封圈3和外密封圈4会分别产生径向压缩变形，使内密封圈3与换热管6之间、内密封圈3与内侧板21之间、外密封圈4与外侧板22之间、外密封圈4与密封孔72之间能够紧密贴合，形成密封。为便于密封装置和换热管6的安装，可在密封孔72和管孔71的孔口以及换热管6的端头加工出倒角(图略)。

本发明上述的各种结构参数，均为密封装置未安装使用时、石墨管式换热器未运行时的数据。

参见图3，本发明密封装置在使用过程中(石墨管式换热器处于运行状态)，管程换热介质8(油或水)进入换热管6内，同时也从盖板5上的开孔51进入金属壳体2的腔体之内；腔体内的膨胀橡胶1吸水或吸油后发生膨胀。由于金属壳体2中底板23和盖板5的厚度均大于内侧板21和外侧板22的厚度，所以膨胀橡胶1沿径向、向其两侧的内侧板21和外侧板22两个方向膨胀，使内侧板21和外侧板22分别产生向内密封圈3和外密封圈4方向的径向变形(变形量一般分别为0.5～2毫米)，从而使内密封圈3和外密封圈4分别产生径向压缩变形(变形量一般分别为0.5～2毫米)。因此，内密封圈3与换热管6之间、内密封圈3与内侧板21之间、外密封圈4与外侧板22之间、外密封圈4与密封孔72之间能够紧密贴合并持续产生足够的密封压力，不存在径向间隙，可以实现良好、可靠的密封。

本发明所述有关部件之间或有关部件与部位之间的贴合、径向间隙或密封压力，是对于有关部件或部位的侧面而言的。各有关部件在不同轴向位置的径向变形量基本相等。本发明所述的径向、轴向，是对于有关部件的自身而言。

本发明主要用于石油化工、煤化工等行业的石墨管式换热器中。

Claims (4)

1.一种石墨管式换热器管板与换热管的密封装置，其特征在于：它由内向外设有内密封圈(3)、金属壳体(2)和外密封圈(4)，金属壳体(2)由内向外设有内侧板(21)和外侧板(22)，内密封圈(3)、外密封圈(4)、内侧板(21)和外侧板(22)均为圆筒形，同轴设置，内密封圈(3)与内侧板(21)之间、外密封圈(4)与外侧板(22)之间分别用有机硅树脂胶粘剂黏结在一起，内侧板(21)与外侧板(22)之间相互隔开，内侧板(21)和外侧板(22)的底部设有圆环形的底板(23)，顶部设有圆环形的盖板(5)，所述的金属壳体(2)即由内侧板(21)、外侧板(22)、底板(23)和盖板(5)组成，盖板(5)上设有开孔(51)，内侧板(21)、外侧板(22)、底板(23)和盖板(5)之间形成腔体，腔体内设有膨胀橡胶(1)，膨胀橡胶(1)为吸水或吸油膨胀橡胶。

2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于：膨胀橡胶(1)的拉伸强度为6～10WPa，使用温度为140～220℃，内密封圈(3)和外密封圈(4)的材料均为硅橡胶或聚四氟乙烯，金属壳体(2)的材料为不锈钢，不锈钢的弹性模量为195×10³～201×10³MPa。

3.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于：盖板(5)上开孔(51)的形状为圆形或正方形，数量为4～16个，在盖板(5)上绕圆周方向均匀分布，每个开孔(51)的面积为4～12平方毫米。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的密封装置，其特征在于：它安装在管板(7)上的密封孔(72)内，换热管(6)的端部插入内密封圈(3)的内孔中，使用过程中，膨胀橡胶(1)沿径向膨胀，使其两侧的内侧板(21)和外侧板(22)分别产生0.5～2毫米的径向变形。