CN104913667A - D形螺栓u形管式高压换热器 - Google Patents

Abstract

D形螺栓U形管式高压换热器，主要用于解决现有的螺栓法兰式换热器、Ω密封环换热器、螺纹锁紧环换热器及隔膜密封换热器所存在的问题。在管箱筒体(13)端部设有平顶盖(3)，两者之间通过一圈偏心均布的D形螺栓(7)连接以承受轴向力。D形螺栓可固定在平顶盖或管箱筒体端部约3/4螺纹孔中，外密封垫片(12)可选择缠绕垫、波齿复合垫或不锈钢C形密封环。平顶盖上设有内圈压紧螺栓(6)和外圈紧螺栓(8)，管箱筒体凹槽内设有内部螺栓(29)，内圈压紧螺栓与内部螺栓均能提供内密封垫片(19)密封力，外圈压紧螺栓提供外密封垫片密封力。本装置主要用于石油炼制加氢处理工艺的换热过程。

Description

D形螺栓U形管式高压换热器

技术领域

本发明涉及一种石油加工工业所用的U形管式高压换热器。

背景技术

目前，随着原油质量的日益贫差、国家经济的飞速发展及对环保要求的不断提高，发展低硫清洁燃料的需求日益迫切。加氢精制、加氢裂化、加氢脱硫等加氢处理工艺是改变油品性质的重要手段，而加氢换热器是加氢工艺流程中必不可少的设备，也是重要的节能降耗设备。

加氢装置中的介质易燃易爆，且设备工作环境恶劣：高温、高压、介质含氢与硫化氢，要求设备具有很高的密封可靠性。目前国内外的加氢换热器一般采用螺栓法兰式换热器、Ω密封环换热器、螺纹锁紧环换热器和隔膜密封换热器。

螺栓法兰式换热器，其管板两侧为两个对焊钢法兰，管板与大法兰之间为垫片。垫片类型有缠绕式垫片、波齿复合垫片、金属平垫片和八角垫片等。密封机理为通过拧紧大法兰上的主螺栓压紧垫片，使垫片发生弹性或塑性变形而实现密封，从而阻止介质泄露。法兰上的螺栓工作时需要承受介质压力产生的轴向力和垫片密封力。该结构的主要优点在于结构简单，零部件少，便于设计制造。但在压力较高(10MPa以上)和设备尺寸较大时，这种密封结构的可靠性并不好，且螺栓和法兰的尺寸很大很笨重。

Ω密封环换热器是在螺栓法兰结构的基础上开发出来的，其密封原理是：在螺栓法兰联接结构中，将两个Ω半环组焊成Ω形密封环，半环的另一端分别焊在法兰和管板上。半环之间、半环和法兰、半环和管板之间均通过焊接连接，不存在泄漏点。Ω形密封环无需变形即可实现密封，还可以起到类似膨胀节的作用，可在介质温度与压力波动时起到轴向补偿的作用，而法兰上的螺栓仅需承受介质内压产生的轴向力，因此螺栓力较小，法兰尺寸减小，重量也减轻了。该结构优点是密封可靠，结构、设计与制造均较简单。缺点是Ω密封环内会积存液体，若介质腐蚀性较强此处就易发生腐蚀失效，此外，Ω密封环处的安装与焊接要求较高、施焊难度大，其每次拆装均需先切割再焊接，步骤繁琐且易损坏密封环。

螺栓法兰式换热器和Ω密封环换热器均采用设备法兰联接。由于管板两侧法兰长度较长，导致换热器壳程出入口距管板的距离较长，换热死区较大，换热器效率较低，而加设导流筒则会增加换热器的压降。

螺纹锁紧环换热器(参见《石油化工厂设备检修手册(第八分册换热器)》2005年1月第1版第238～240页)，是目前在高压加氢装置上广泛使用一种高压换热器。其优点是：(1)密封可靠、压紧螺栓直径小。因其本身结构特点，由内压引起的轴向力通过管箱盖板和螺纹锁紧环而由管箱筒体承受。因此加给密封垫片的面压力小，螺栓小，便于拧紧，很容易发挥密封效果。在工作状态下，如果发现管程泄露或管壳间串漏时，利用露在外面的外圈压紧螺栓或内圈压紧螺栓再拧紧就可以消除泄露；(2)泄露点少。管箱筒体和壳程筒体是锻成或焊为一体的，没有大法兰且换热器开口接管直接与管线焊接，可杜绝这些部位可能产生的泄露；(3)结构紧凑、换热面积利用率高。由于换热器管箱筒体与壳程筒体为一体，壳程开口接管就可设置在尽可能靠近管板的地方，换热管长度方向的利用率得到提高，避免了换热死区的不利影响；(4)全机械拆装，不需要像Ω密封环结构那样进行焊割。螺纹锁紧环换热器的缺点是：(1)制造难度大、技术要求高。由于螺纹锁紧环高压换热的特殊性，其制造时壳程筒体几何尺寸和壳程筒体直线度的控制、螺纹锁紧环大螺纹的加工技术等都给制造带来很大的困难；(2)结构复杂、内件多、装配要求高。管箱密封结构较为复杂，管箱内件间配合要求高，除了管箱端部内螺纹与螺纹锁紧环外螺纹之间的精密配合外，内外圈压环与螺纹锁紧环、分合环与管箱凹槽之间等都有严格的公差配合要求，且大直径锁紧环等结构的装拆均需专用工具，装拆困难，此外零部件的机加工量也很大，又总质量大，使得制造成本相当高；(3)管壳程之间的内部窜漏不易发现。

隔膜密封换热器类似于螺纹锁紧环换热器，其管壳程一体，管板内置，内部螺栓与内圈螺栓同时保证管板处密封。但管箱密封有所不同：管程密封通过将隔膜密封盘外缘焊接在管箱端部上实现的，而平盖上的主螺栓则承担了管程压力。该密封结构的优点有：管程一般不发生泄漏，泄漏点少，换热面积浪费少，构造相对简单，成本较低等。缺点有：(1)隔膜密封盘外缘的焊接工作会因空间狭小而变得相当困难，且由于受热不均使得两者热膨胀量不同，密封焊处容易产生裂纹开裂失效；(2)密封焊处不是全熔透结构，还存在着很小的缝隙，容易造成介质浓度增大而产生应力腐蚀开裂失效；(3)当介质压力很高、设备直径很大时，平盖会因为受力情况不佳而需要很大的厚度，相应地，主螺栓的尺寸也会增大，造成管箱端部结构笨重且装拆困难。因此，隔膜密封结构的适用场合也有限，比较适合对密封要求高，直径较大，但压力不是很高的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：螺栓法兰式换热器不适合高温高压场合，Ω密封环换热器装拆过程焊接、切割工作量大，拆装困难，不耐腐蚀，且这两种换热器的换热死区大；螺纹锁紧环换热器装拆需要专人专具，主螺纹等结构的机加工量大且制造精度高，装拆过程中容易出现咬死，装拆不便，管箱笨重，制造成本高；隔膜密封换热器隔膜密封盘焊接处易开裂、腐蚀失效，高压时主螺纹尺寸很大使得管箱结构笨重且装拆困难。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种D形螺栓U形管式高压换热器，包括壳程筒体(21)、管箱筒体(13)，壳程筒体(21)与管箱筒体(13)之间设有管板(18)，管箱筒体(13)内设有分程箱(15)、定位环(28)、分合环(30)、内部螺栓(29)、内套筒(31)、压环(1)、密封盘(2)，管箱筒体(13)端部设有平顶盖(3)，两者之间采用沿环向偏心均布的D形螺栓(7)连接，平顶盖(3)与管箱筒体(13)台阶面间依次设有密封盘(2)和外密封垫片(12)，密封盘(2)为一整体结构圆盘，由圆周向圆心依次由密封段(201)、柔性段(202)和加强段(203)组成，密封段(201)与外密封垫片(12)相对布置，柔性段(202)与压环(1)相对布置，密封盘(2)与平顶盖(3)相对的一面为平面，紧贴于平顶盖(3)的端面，平顶盖(3)上设有内圈压紧螺栓(6)和内压杆(5)，通过内圈压环(4)经密封盘(2)的柔性段(202)、压环(1)和内套筒(31)压紧分程箱(15)的一端并使分程箱(15)另一端压紧管板(18)，平顶盖(3)上设有外圈压紧螺栓(8)和外压杆(9)，通过外圈压环(10)经密封盘(2)的密封段(201)压紧外密封垫片(12)，管箱筒体(13)内侧开槽处设有分合环(30)，内部螺栓(29)利用分合环(30)经定位环(28)和环垫(14)压紧分程箱(15)的一端并使分程箱(15)另一端压紧管板(18)。

D形螺栓(7)为沿普通螺栓轴向削去约1/4圈螺纹弧长，其横截面呈“D”形，沿环向偏心均布在管箱筒体(13)端部与平顶盖(3)之间。

D形螺栓(7)螺纹孔3/4开在平顶盖(3)上，另1/4开在管箱筒体(13)端部上，外圈压紧螺栓(8)和外压杆(9)置于D形螺栓(7)芯部，平顶盖(3)上周向均布安装内圈压紧螺栓(6)、内压杆(5)。

D形螺栓(7)螺纹孔3/4开在管箱筒体(13)端部上，另1/4开在平顶盖(3)上，平顶盖(3)上周向均布安装内圈压紧螺栓(6)、内压杆(5)和外圈压紧螺栓(8)、外压杆(9)。

平顶盖(3)组件的环向定位采用D形定位销(32)，即沿普通定位销轴向削去1/4圈弧长，其横截面呈“D”形，定位孔的3/4可开在平顶盖(3)或管箱筒体(13)端部上。

外密封垫片(12)为缠绕垫或波齿复合垫或不锈钢C形密封环。

采用本发明，具有如下的有益效果：

首先，与隔膜密封换热器相比，本发明的有益效果如下。

1、本发明密封采用垫片密封，没有隔膜密封盘边缘的焊缝，避免了施焊困难且焊缝处以发生开裂与腐蚀失效等问题；

2、本发明没有主螺栓，而采用D形螺栓连接结构，D形螺栓主要承受剪切力，尺寸较小、设备重量较小，同时制造简单，装拆方便、迅速。

其次，与螺纹锁紧环换热器相比，本发明的有益效果如下。

1、本发明采用D形螺栓结构代替大梯形螺纹连接，同时将螺纹锁紧环与管箱盖板合为一平顶盖结构，无需专门夹具即可实现平顶盖的快速安装和拆卸，平顶盖安装之前，先将D形螺栓旋入平顶盖或管箱筒体端部的3/4螺纹孔中，此时D形螺栓便被螺纹孔全部包围，平顶盖也就能顺利放入管箱端部，经D形定位销与管箱端部台阶面环向与轴向定位后，用普通扳手旋转D形螺栓180度便可实现平顶盖与管箱筒体之间的连接，避免螺纹锁紧环拆装过程中出现的螺纹咬死等现象，减少安装和拆卸过程的工作量。

2、本发明采用的D形螺栓，只需将普通螺栓沿螺纹轴向的一侧削平约1/4圈螺纹弧长即可，制造方便，精度要求较低，且平顶盖与管箱筒体端部的螺纹孔也可一次性定位加工成型，降低了换热器的制造难度。

3、本发明采用的D形螺栓结构还降低了换热器管箱轴向长度，使换热器结构更为紧凑，用料更省，节省了安装和维修空间，也降低了制造成本。

再次，与Ω密封环换热器相比，本发明的有益效果如下。

1、本发明密封采用垫片密封，没有Ω密封环的密封焊，减少了拆装过程中的焊接、切割工作量，同时避免了Ω密封环处易积液发生腐蚀失效的可能；

2、本发明换热器无大法兰结构，壳程侧壳程入口可以最大限度的靠近管板，有效地减少了换热死区的面积，提高了换热效率，也减轻了一定的重量；

3、本发明换热器能够使装置不必停工就可以通过直接拧紧设在平顶盖上的压紧螺栓来实现管程和管壳程之间的密封，减少了不必要的停工损失。

最后，与传统螺栓法兰式换热器相比，本发明的有益效果如下。

1、本发明换热器管箱筒体端部采用D形螺栓连接结构，D形螺栓主要承受剪切力，将由介质产生的内压传递到筒体，整体尺寸较小、设备重量较小，同时制造简单，装拆方便、迅速，只需旋转D形螺栓一定角度即可实现装拆；

2、本发明换热器管箱筒体和壳程筒体通过锻造或焊接在一起，泄露点少，一旦工作过程中发生泄露无需停车即可实现密封调节，密封可靠；

3、本发明换热器无大法兰结构，壳程入口可以最大限度接近管板，有效降低了换热死区，提高了换热效率，也减轻了重量。

总之，本发明是综合了螺纹锁紧环换热器和D形螺栓连接结构各自的优点开发出的一种新型D形螺栓U形管式高压换热器。本发明采用换热器壳程筒体和管箱筒体为一体的结构，没有大尺寸设备法兰，密封结构在线可调。采用的D形螺栓联接结构，使本发明与传统高压管壳式换热器相比，具有结构紧凑、占地面积小、密封可靠、装拆维修方便等诸多优点，与螺纹锁紧环换热器相比，具有装拆方便而无需专用工具，可避免大尺寸螺纹咬死，制造加工难度降低，管箱长度及重量下降，节约了成本等优点。

附图说明

图1.1是本发明D形螺栓U形管式高压换热器的左视图。

图1.2是本发明D形螺栓U形管式高压换热器的轴向剖视图。

图2是图1中的Ⅰ部放大图，D形螺栓螺纹孔约3/4开在平顶盖上。

图3是图1中的Ⅰ部放大图，D形螺栓螺纹孔约3/4开在管箱筒体端部上。

图4是密封盘的轴向剖视图。

图5是D形螺栓结构简图。

图6是D形螺栓松开与连接状态图，D形螺栓螺纹孔约3/4开在平顶盖上。

图7是D形螺栓松开与连接状态图，D形螺栓螺纹孔约3/4开在管箱筒体端部上。

图8是D形定位销松开与连接状态图，定位孔约3/4开在平顶盖上。

图9是D形定位销松开与连接状态图，定位孔约3/4开在管箱筒体端部上。

图10是内外圈压紧螺栓、内外压杆和内外圈压环的结构示意图，D形螺栓螺纹孔约3/4开在平顶盖上。

图11是内外圈压紧螺栓、内外压杆和内外圈压环的结构示意图，D形螺栓螺纹孔约3/4开在管箱筒体端部上。

图中：1、压环，2、密封盘，3、平顶盖，4、内圈压环，5、内压杆，6、内圈压紧螺栓，7、D形螺栓，12、外密封垫片，13、管箱筒体，14、环垫，15、分程箱，16、管程入口，17、垫片，18、管板，19、内密封垫片，20、壳程出口，21、壳程筒体，22、支座，23、排液孔，24、球形封头，25、管束，26、壳程入口，27、管程出口，28、定位环，29、内部螺栓，30、分合环，31、内套筒，32、D形定位销，33、套筒，34、分程隔板，35、支承环，36、分程箱盖板，201、密封段，202、柔性段，203、加强段。

具体实施方式

如图1.1-1.2所示，D形螺栓U形管式高压换热器，包括壳程筒体21、管箱筒体13，壳程筒体21和管箱筒体13之间设有管板18。壳程筒体21上设有支座22、排液孔23、壳程入口26和壳程出口20，壳程入口26和壳程出口20之间为管束25；管箱筒体13上设有管程入口16、管程出口27和支座11。管板18与管箱筒体13之间设有内密封垫片19，管板18与分程箱15之间设有垫片17。

管箱筒体13内设有分程箱15，分程箱15包括分程箱盖板36(横截面为半圆)和分程隔板34。分程箱盖板36的半圆周与分程箱15上的支承环35(横截面为圆环)相连，其下端与分成隔板34相连；分程隔板34的另一端与管板18连接。套筒33(横截面圆环)一端通过垫片17与管板18连接，另一端与支承环35通过焊接连接在一起，支承环35通过内套筒31和压环1顶紧密封盘柔性段202。套筒33设有两个开孔，分别与管程入口16和管程出口27相对应。管箱筒体13内开槽处设有分合环30(横截面为圆环，分成2～4瓣)，内部螺栓29通过螺纹与之相连，内部螺栓29底部穿过定位环28通过环垫14顶紧分程箱15，从而压紧管板18两侧垫片实现管壳间密封。

管箱筒体13端部设有平顶盖3，两者之间采用D形螺栓7连接，D形螺栓7松开和连接示意图见图6和图7。平顶盖3的环向定位采用D形定位销32，D形定位销32也是将圆柱定位销沿轴向削平约1/4圈圆弧长形成的，轴向定位则采用台阶面，D形定位销松32开和连接示意图见图8和图9，其定位孔的约3/4可开在平顶盖4或管箱筒体13端部上。

平顶盖3端面处设有密封盘2为一整体结构圆板，由圆周向圆心依次分为密封段201、柔性段202和加强段203组成，参见图4。密封圆盘2的柔性段202的厚度应比较薄(一般为6至8毫米)，使之能够产生适当的弹性变形，其密封段201一端通过外密封垫片12顶紧管箱筒体13，另一端则贴紧外圈压环10，管箱筒体13内介质的密封依靠密封盘2和外密封垫片12实现，外密封垫片12可选择缠绕垫、波齿复合垫或不锈钢C形密封环。

平顶盖3上设有两圈压紧螺栓：内圈压紧螺栓6和外圈压紧螺栓8。平顶盖3端面开有两个环形凹槽，在环形凹槽内设有内圈压环4和外圈压环10(压环截面为圆环形)，内压杆5和外压杆9分别位于内圈压紧螺栓6和外圈压紧螺栓8底部与内圈压环4和外圈压环10顶部之间，参见图10和图11。内圈压紧螺栓6的压紧力通过内压杆5压紧内圈压环4，从而压紧密封盘2柔性段202，再通过压环1、内套筒31和分程箱15压紧管板18以实现管壳间密封。外圈压紧螺栓8的压紧力通过外压杆9压紧外圈压环10，从而压紧密封盘2密封段201以压紧外密封垫片12，实现管程密封。内圈压紧螺栓6和外圈压紧螺栓8的个数和尺寸应根据换热器的直径、操作压力以及以保障管、壳间密封良好为原则加以确定。上述操作过程可以在装置运行的过程中进行，装置不需要停工。

D形螺栓7可以安装固定于平顶盖3的约3/4螺孔中，相对应的管箱筒体13端部内圆周上的螺孔约为1/4弧长，此时外圈压紧螺栓8和外压杆9置于D形螺栓7芯部，如图2。D形螺栓7也可安装固定于管箱筒体13端部的约3/4螺孔中，相对应的平顶盖3外圆周上的螺孔约为1/4弧长，此时外圈压紧螺栓8和外压杆9置于平顶盖3上，如图3。

该换热器壳程筒体21、管箱筒体13以及换热介质出入口的内部可以堆焊一层耐腐蚀的堆焊层，以防止换热介质的侵蚀。密封垫片的材质应根据换热介质以及具体的腐蚀环境选用。

本发明“U形管式高压换热器”一词为本领域通用技术术语：“U形管”所指的是管壳式换热器壳程结构的一种(见GB151-1999)，其管束均被弯成U形；“高压”所指的是管壳程介质的压力一般为6～20MPa，设计温度一般为150℃～450℃。本发明换热器的操作方式以及换热介质的流动方式与常规U形管式换热器相同。

本发明说明书图2至图11中所有未注明附图标记的含义均与图1相同。

本发明可用于石油炼制加氢处理装置的高压换热过程；在其他类似的高压U形管式换热器的应用领域也可以广泛采用。

Claims (7)

1.D形螺栓U形管式高压换热器，包括壳程筒体(21)、管箱筒体(13)，壳程筒体(21)与管箱筒体(13)之间设有管板(18)，管箱筒体(13)内设有分程箱(15)、定位环(28)、分合环(30)、内部螺栓(29)、内套筒(31)、压环(1)、密封盘(2)，其特征在于：管箱筒体(13)端部设有平顶盖(3)，两者之间采用沿环向偏心均布的D形螺栓(7)连接，平顶盖(3)与管箱筒体(13)台阶面间依次设有密封盘(2)和外密封垫片(12)，密封盘(2)为一整体结构圆盘，由圆周向圆心依次由密封段(201)、柔性段(202)和加强段(203)组成，密封段(201)与外密封垫片(12)相对布置，柔性段(202)与压环(1)相对布置，密封盘(2)与平顶盖(3)相对的一面为平面，紧贴于平顶盖(3)的端面，平顶盖(3)上设有内圈压紧螺栓(6)和内压杆(5)，通过内圈压环(4)经密封盘(2)的柔性段(202)、压环(1)和内套筒(31)压紧分程箱(15)的一端并使分程箱(15)另一端压紧管板(18)，平顶盖(3)上设有外圈压紧螺栓(8)和外压杆(9)，通过外圈压环(10)经密封盘(2)的密封段(201)压紧外密封垫片(12)，管箱筒体(13)内侧开槽处设有分合环(30)，内部螺栓(29)利用分合环(30)经定位环(28)和环垫(14)压紧分程箱(15)的一端并使分程箱(15)另一端压紧管板(18)。

2.根据权利要求1所述的D形螺栓U形管式高压换热器，其特征在于：D形螺栓(7)为沿普通螺栓轴向削去约1/4圈螺纹弧长，其横截面呈“D”形，沿环向偏心均布在管箱筒体(13)端部与平顶盖(3)之间。

3.根据权利要求1所述的D形螺栓U形管式高压换热器，其特征在于：D形螺栓(7)螺纹孔3/4开在平顶盖(3)上，另1/4开在管箱筒体(13)端部上，外圈压紧螺栓(8)和外压杆(9)置于D形螺栓(7)芯部，平顶盖(3)上周向均布安装内圈压紧螺栓(6)、内压杆(5)。

4.根据权利要求1所述的D形螺栓U形管式高压换热器，其特征在于：D形螺栓(7)螺纹孔3/4开在管箱筒体(13)端部上，另1/4开在平顶盖(3)上，平顶盖(3)上周向均布安装内圈压紧螺栓(6)、内压杆(5)和外圈压紧螺栓(8)、外压杆(9)。

5.根据权利要求1所述的D形螺栓U形管式高压换热器，其特征在于：平顶盖(3)组件的环向定位采用D形定位销(32)，即沿普通定位销轴向削去1/4圈弧长，其横截面呈“D”形，定位孔的3/4可开在平顶盖(3)或管箱筒体(13)端部上。

6.根据权利要求1所述的D形螺栓U形管式高压换热器，其特征在于：外密封垫片(12)为缠绕垫或波齿复合垫或不锈钢C形密封环。

7.根据权利要求1所述的D形螺栓U形管式高压换热器，其特征在于：管板(18)与管箱筒体(13)之间设有内密封垫片(19)，管板(18)与分程箱(15)之间设有垫片(17)。