熱交換器的內部密封及其失效分析

《熱交換器的內部密封及其失效分析》以管殼式熱交換器的內部密封失效問題為導向，分別按密封失效的表現(xiàn)、管接頭密封的技術基礎及技術拓展、內部密封失效的技術因素和運行工藝因素共五個專題，對異側流程間的密封、同側流程間的密封、非常規(guī)工況的內部密封、熱應力作用下的內部密封和換熱工況參數(shù)的優(yōu)化設計等11 個小題進行分類歸納，綜述了與管殼式熱交換器內部密封失效相關的問題，特別是按常規(guī)設計的密封失效影響因素及技術對策，并結合實例加以說明，拓展讀者對熱交換器內部密封問題的了解，加深讀者對內部密封技術的認識，為解決內部密封問題提供指引。
本書融知識性、科學性與工程實用性為一體，可作為煉油化工及其他化工領域承壓設備及工程管理的技術人員進行繼續(xù)工程教育學習，從事熱交換器密封研究、失效分析、改進設計、制造質量保證、設備建造監(jiān)理和檢修維護等工程實踐的參考書，也可供相關專業(yè)師生使用。

熱交換器是承壓設備中具有較多密封結構的一類設備，相關密封技術在整體上需要隨著熱交換器及節(jié)能環(huán)保要求的提高而不斷豐富和完善。針對熱交換器各種密封結構所在位置及泄漏的失效表現(xiàn)，可以把介質在熱交換器內部的各種法蘭強制密封及非強制性密封歸納為內部密封，把防止介質從熱交換器內部向殼體外大氣環(huán)境泄漏的密封歸納為外部密封。外部密封泄漏常會造成嚴重的污染甚至燃燒爆炸事件，因而是緊迫的失效形式，化學工業(yè)出版社2022 年出版的《熱交換器密封技術與失效影響因素》是筆者在這一方面的專著。從密封技術原理來說，熱交換器的內部密封技術需要應用大部分的外密封技術，只不過內部密封具有更復雜的工況、有限的結構空間和不便強制密封等周邊環(huán)境，外部密封則只有大氣這一常見的普遍環(huán)境，反而使得外部密封相對于內部密封來說實質上成為一種帶有簡化條件的特例。熱交換器管程和殼程之間的內部泄漏也存在引發(fā)二次失效的可能，例如高壓氣體向低壓氣體泄漏本來就會引起設備及管線的振動，當某些輕餾分烴類液體漏入低壓液體中時可能會迅速閃蒸出蒸汽，這種突然的膨脹也會導致壓力的波動而形成管線振動。因此我們有必要努力填補內部密封這一領域內的一些空白。本書為《熱交換器密封技術與失效影響因素》的姊妹篇，兩本書構成熱交換器內部密封和外部密封這兩個空間關系緊密的結構范疇，集合串聯(lián)起分散各處的熱交換器密封技術。
面對工程上諸多變化的密封問題，已有的相關教材、手冊和標準難以逐一明確處理對策，只能給出部分問題的答案，甚至是答案的部分。針對管殼(列管)式熱交換器這一種結構普通、功效簡明、應用廣泛的設備，書中不再詳細介紹，讀者應已熟悉各種結構功能。其密封問題的關鍵在于其局部結構及設計的非常之處，制造工藝或運行工藝的特殊之處，這些專業(yè)知識常被非專業(yè)人員忽視。圍繞熱交換器內部密封及失效分析這一專題進行研究的專著較為少見，進而針對這一專題貫穿其工程管理、設計、制造、組裝、運行、維護等相關過程進行綜合述評的專著更加少見。過程裝備技術縱向鏈條薄弱，橫向鏈節(jié)缺少催化，難以培育出根深蒂固的發(fā)展課題，也無法輸送足夠橫向研究結出碩果所需要的素養(yǎng)。本書的第二個目的就是認真琢磨熱交換器內部密封技術的點滴傳承，有條理地排布內容，逐一串珠成鏈。
熱交換器無論其內部密封還是外部密封都涉及運行工藝、設備結構和產品質量這三維因素的互動，工藝界定密封要求，結構提供密封基礎，質量保證密封可靠。過程裝備技術缺乏三維因素的橫向融通，難以有技術縱向的積累。作為一種現(xiàn)實需要，本書的第三個目的就是通過專業(yè)知識理論、工程問題處置態(tài)度、技術道德和企業(yè)運營能力等非技術性的黏性因素，將所收集的內、外部密封技術資源再加工后鏈接成具有生態(tài)氛圍的網(wǎng)絡，作為已有密封技術的補充，為日后逐漸形成一套關于該類設備相對全面、完整的密封技術資料鋪墊基礎。
本書按5篇11章的結構展開，努力達成各篇章內容在內部密封體系上的完整性。
第1篇是內部密封失效及其影響因素，分為2章。其中，第1章簡述了管殼式熱交換器的工程管理和技術規(guī)范與設備技術持續(xù)發(fā)展之間的矛盾，并基于流程關系、密封動態(tài)和密封效果三個或明或暗的新視角對熱交換器的內部密封進行分類，創(chuàng)建了熱交換器密封分類及主要影響因素框架圖，為各篇章技術分析的鋪開設定了路徑；第2章結合大量圖片簡介了石化裝置現(xiàn)場換熱管和管板之間管接頭的20 種密封失效表現(xiàn)，換熱管的13 種密封失效表現(xiàn)、管板的2 種密封失效表現(xiàn)，以及浮動管板填料函密封泄漏的失效表現(xiàn)，首次歸納了管殼式熱交換器內部密封失效的表現(xiàn)一覽表。
第2篇是熱交換器管接頭密封的技術基礎，分為3章。其中，第3章是關于管接頭密封基本的技術手段，首創(chuàng)熱交換器管接頭試驗分類圖?；诠苁Y構尺寸、功能和工藝參數(shù)以及管接頭結構特點對常見大同小異的管束進行16 種細分；再圍繞管接頭的質量保證提出“一品一策，精益求精”的設計和制造技術對策，以小見大；列舉了6 種熱交換器式反應器這一具有換熱與反應二合一功能設備關鍵結構及其密封技術，以點帶面加深認識。第4章是特殊結構、特殊材料管接頭的焊接工藝評定及產品質量檢驗。第5章是特殊結構、特殊材料管接頭的脹接工藝評定，比較了國內管接頭脹接強度所依據(jù)的力學理論基本概念與國外相關概念的區(qū)別，指出了材料性能對脹接效果的影響，列舉了不同的取樣方法對換熱管材料強度性能檢測結果存在偏差的問題，并提出了更準確的測算建議。首次對液壓脹接和機械脹接這兩種常用脹接手段的等效性進行了分析，推導了這兩種手段關鍵工藝參數(shù)之間的換算關系式。第4章和第5章在技術對象上聚焦了管接頭。
第3篇是熱交換器管接頭密封的技術拓展，分為2章。其中，第6章是管接頭脹接模擬分析質量技術，首次提出管接頭模型的分類及其規(guī)范化設計，為業(yè)內不同分析條件及成果的對比打下基礎，從案例展示的管接頭三維模型脹接結果中發(fā)現(xiàn)了液壓脹接殘余壓應力沿周向分布不均勻的事實。第7章是高等級管接頭的質量技術要求，特別是管束的防振結構技術，首次討論了管束中縱向振動的概念，提出了相關的技術對策，包括加強薄管板的組合式結構，強化管束整體穩(wěn)固性的雙向式拉桿和雙頭式拉桿結構，提高折流板周邊密封性的隨緊結構等，以期引起業(yè)內對這一新的專題技術關注。第6章和第7章在技術管理上強調了關鍵結構的品質要求和事前管理理念。
第4篇是熱交換器內部除了管接頭外其他結構密封失效的技術因素，分為2章。其中，第8章是熱交換器管程的內部密封、殼程的內部密封、管程與殼程之間的內部密封，內部板與板、板與殼等結構非絕對性的靜密封和微動密封為原創(chuàng)內容，拓展了密封的類型。第9章是內部密封的維護及改造，把內部密封的維護技術從傳統(tǒng)的檢修環(huán)節(jié)向前后雙向延伸，關聯(lián)到了設計和運行。
第5篇是熱交換器密封失效的運行工藝因素，分為2章。其中，第10章是熱交換器熱應力對密封的影響，在全書中占有較大的分量，把殼體外4 種特殊結構的鞍座、殼體上的膨脹節(jié)和殼體內的浮動管板三個重要零部件關聯(lián)到同一專題下，形成一個系統(tǒng)的認識。第11章是熱交換器非常規(guī)工況參數(shù)對內外密封的影響，涉及常規(guī)標準難以解決的問題，包括較高溫度的密封技術、開停車工況的影響、設計未預防的工況、非設計工況、介質雜物的影響和非計劃停車工況的影響，特別是還有殼程較高壓力的浮頭蓋密封技術。當浮頭法蘭密封設計既要滿足正常操作時殼程壓力大于管程壓力的情況，也要滿足制造檢驗及非正常工況下管程壓力大于殼程壓力的情況時，毫無疑問需要技術創(chuàng)新來協(xié)調這一對矛盾。
面對紛至沓來的行業(yè)資訊和密封老大難問題應對乏策的矛盾，筆者主要從經歷過的建設項目和工程案例當中篩選出能夠反映經驗價值的內容，再從這些客觀內容當中提煉出面向工程、容易理解、便于應用的新概念。本書不討論乙烯裂解急冷換熱器等特殊工藝和螺旋折流板等特殊結構熱交換器的密封問題，也無意涉及任何未曾公開的專有技術。熱交換器的密封失效問題十分復雜，如果只憑個體的、個別專業(yè)的、臨時的、初步的或者參照近似案例的分析，難免得出生硬的結論，即便處理對策取得成效，也可能掩蓋其他不良因素，導致潛在風險。只有對包括設計、制造、安裝和操作使用在內的全過程進行系統(tǒng)的分析，才能避免輕率，找到密封失效的真正原因。筆者建議感興趣的讀者循著本書的參考文獻拓展閱讀，以彌補本人引用學習的不足，也期待和熱交換器的同行交互促進，共同構建具有動態(tài)效應的交流平臺，讓代表設計者或制造者、供應商或業(yè)主、用戶或研究院中的任一方，能夠而且有能力同時代表多方與各方進行平等和深入的溝通，作為局內人一起解決有關密封的問題。即便不能最終找到影響密封泄漏的真正原因和關鍵所在，通過已有知識起碼可以適當界定問題的范圍，恰當?shù)叵蛲刑峁┚哂袇⒖純r值的有關信息，根據(jù)個別問題的指引去尋訪答案。
筆者衷心感謝中國工程院院士、國際壓力容器學會亞太地區(qū)主席、國際機構學與機器科學聯(lián)合會可靠性委員會委員、中國機械工程學會壓力容器分會與材料分會榮譽主任委員、華東理工大學科協(xié)主席涂善東先生，以及中國工程院院士、中國機械工程學會壓力容器分會主任委員、全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會委員、教育部“長江學者”特聘教授、國際氫能協(xié)會規(guī)范標準專業(yè)委員會主席、國際標準化組織氫技術委員會（ISO/TC97）特別顧問、浙江大學氫能研究院鄭津洋先生的關愛、指導和幫助。
筆者從事石油化工設備理論學習、產品設計、制造及失效分析40 年，愿為管殼式熱交換器持續(xù)發(fā)展的技術體系添磚加瓦。對書中的不當之處，懇請讀者指正。

陳孫藝
董事 副總經理 總工程師
茂名重力石化裝備股份公司

第1篇　熱交換器的工程發(fā)展及其內部密封失效的表現(xiàn)
第1章　管殼式熱交換器的工程發(fā)展問題 003
1.1　管殼式熱交換器的技術規(guī)范問題 003
1.1.1　技術傳統(tǒng)與研究發(fā)展的課題 003
1.1.2　建設需求與技術供給的課題 004
1.1.3　工程管理與觀念創(chuàng)新的課題 005
1.2　管殼式熱交換器的密封分類 007
1.2.1　傳統(tǒng)的密封分類 007
1.2.2　內部密封分類 007
1.2.3　內部泄漏的功用 009
1.3　管殼式熱交換器內部密封失效的影響因素 010
1.3.1　影響內部密封的全過程管理因素 010
1.3.2　影響內部密封的建造技術因素 011
1.3.3　影響內部密封的工藝技術因素 012
1.3.4　影響內部密封的失效分析因素 015
參考文獻 016

第2章　管殼式熱交換器內部密封失效的表現(xiàn) 018
2.1　管程和殼程之間的失效及內漏 018
2.1.1　管接頭的密封失效表現(xiàn)及分類 018
2.1.2　換熱管的密封失效表現(xiàn)及分類 031
2.1.3　管板的密封失效表現(xiàn) 037
2.1.4　浮動管板填料函的密封失效表現(xiàn) 037
2.1.5　浮頭蓋的密封失效表現(xiàn) 038
2.2　往復流程間的內漏 040
2.2.1　管程各往復流程間內漏 040
2.2.2　殼程各往復流程間內漏 042
2.3　特殊內漏及內漏的預測 043
參考文獻 045


第2篇　熱交換器特殊管接頭的密封技術
第3章　管接頭的密封技術 051
3.1　管接頭試驗分類 051
3.1.1　管接頭試驗內容分類 051
3.1.2　管接頭試驗方法分類 052
3.2　管接頭試驗結果解讀 054
3.2.1　檢測報告及結果分析 054
3.2.2　脹接工藝評定的誤解 055
3.3　特殊熱交換器管接頭分類及技術對策 057
3.3.1　基于管接頭結構特性的管接頭分類 057
3.3.2　基于熱交換器結構特性的管接頭分類 060
3.4　熱交換器式反應器管接頭的密封 068
3.4.1　與反應器分體式撇熱冷卻器的管接頭 068
3.4.2　與反應器直連式撇熱冷卻器的管接頭 069
3.4.3　與反應器分體內連式熱交換器的管接頭 071
3.4.4　與反應器一體化式的熱交換器管接頭 072
3.4.5　熱交換器式反應器管接頭的殼程防護 076
3.4.6　熱交換器式反應器管接頭的管程防護 077
3.5　多區(qū)段式熱交換器管接頭的密封 078
參考文獻 079

第4章　特殊管接頭的焊接工藝評定 082
4.1　管接頭的焊接分類及其評定要求 082
4.1.1　管接頭的焊接分類 082
4.1.2　脹焊并用的優(yōu)缺點及最佳方案 083
4.1.3　標準對管接頭焊接工藝評定的要求 086
4.2　特殊結構管接頭的焊接 086
4.2.1　剛性管束的管接頭組焊技術 086
4.2.2　撓性管板的管接頭組焊技術 089
4.2.3　復合管與復合管板管接頭的焊接工藝評定 090
4.3　特殊材料管接頭的焊接 093
4.3.1　管接頭焊接技術分析 094
4.3.2　焊接對策 094
4.4　特殊管接頭的質量檢驗 095
參考文獻 097

第5章　特殊管接頭的脹接工藝評定 098
5.1　管接頭的脹接方法及工藝評定的必要性 098
5.1.1　傳統(tǒng)的脹接方法 098
5.1.2　創(chuàng)新的縮脹方法 100
5.1.3　脹接試驗技術規(guī)程的必要性 100
5.2　管接頭脹接的材料性能 101
5.2.1　換熱管力學性能的差異 101
5.2.2　換熱管脹接的力學性能 104
5.3　特殊結構管接頭的脹接 107
5.3.1　基于特殊管板的管接頭脹接 107
5.3.2　基于特殊換熱管的管接頭脹接 108
5.3.3　基于特殊制造工藝的管接頭脹接 109
5.4　特殊材料管接頭的脹接 109
5.4.1　銅材管接頭的液壓脹接 109
5.4.2　銅材管接頭的機電脹接 111
5.4.3　鐵素體不銹鋼換熱管接頭的脹接 113
5.5　管接頭的橡膠脹接 113
5.5.1　橡膠脹管試驗 114
5.5.2　結果分析及技術改進 115
5.6　特殊管接頭的密封性要求 116
參考文獻 117


第3篇　熱交換器管接頭密封的技術拓展
第6章　管接頭脹接分析及質量技術 121
6.1　管接頭脹接分析的模型設計 121
6.1.1　管接頭模型分類 121
6.1.2　管接頭脹接模型的規(guī)范化 122
6.1.3　管接頭脹接模型的設計 123
6.2　管接頭液壓脹接有限元分析 126
6.2.1　液壓脹接周向應力分布的星齒圖 126
6.2.2　液壓脹接軸向應力分布的拱門圖 128
6.2.3　液壓脹接效果及其影響因素的認識 129
6.2.4　機電脹接數(shù)值模擬 131
6.3　管接頭液壓脹接解析解分析 132
6.3.1　液壓脹接壓力的相關概念 132
6.3.2　進口脹管機脹接壓力計算 136
6.3.3　國產脹管機脹接壓力計算 138
6.3.4　國內外脹管機脹接壓力的比較 138
6.4　液壓脹和機電脹的脹接參數(shù)等效性分析 139
6.4.1　機電脹接功率 140
6.4.2　脹管機輸入功率 146
6.4.3　管接頭脹接槍的脹接壓力 147
6.5　管接頭的殘余應力 148
6.5.1　管接頭制造時的殘余應力 148
6.5.2　管接頭運行工況下的殘余應力 149
參考文獻 151

第7章　熱交換器管接頭的高等級要求 153
7.1　高等級管接頭的質量技術要求 153
7.1.1　管束管接頭防振的特別結構 154
7.1.2　管接頭拉脫力設計校核的完整性 155
7.1.3　管接頭拉脫力設計校核的制造工藝調適 157
7.1.4　管接頭拉脫力設計校核的運行狀況調適 161
7.1.5　管接頭制造質量特別技術要求 163
7.1.6　管接頭質量檢驗特別技術要求 169
7.2　換熱管的防振對策 171
7.2.1　管束的動特性及其振動形式 171
7.2.2　管束直管段的基本防振措施 174
7.2.3　管束直管段的特別防振措施 177
7.2.4　管束U 形段的基本防振措施 180
7.2.5　管束U 形段的各種支持結構 181
7.2.6　管束直段與U 形段的相互協(xié)調 187
7.2.7　逆流換熱管束支持板的特殊功能 189
7.3　管束中其他振動的對策 190
7.3.1　縱向振動的可能性 191
7.3.2　縱向振動的防治對策 192
7.3.3　振動特性專題研究 198
參考文獻 200


第4篇　熱交換器內部密封失效的技術因素
第8章　熱交換器內部密封的設計 207
8.1　殼程內部密封 207
8.1.1　周向流的隔板密封 207
8.1.2　縱向流的隔板密封 208
8.1.3　旁路擋板密封 210
8.1.4　折流板周邊密封 211
8.1.5　折流板管孔密封 214
8.1.6　導流筒擋板密封 217
8.2　管程內部密封 217
8.2.1　管箱隔板密封 217
8.2.2　隔板人孔密封 219
8.2.3　浮頭蓋隔板密封 220
8.2.4　中心筒調節(jié)閥密封 220
8.3　異側流程內部密封 222
8.3.1　滑動管板的填料函密封 222
8.3.2　管板的內部密封 233
8.3.3　雙管板密封及換熱管的填料函密封 233
8.3.4　浮頭管箱的密封 235
8.3.5　浮頭蓋的密封 238
8.4　管束的滑動和換熱管的微振 240
8.4.1　填料函管束視同固定管板管束設計 240
8.4.2　管束的滑動性 240
8.4.3　換熱管的微振磨損 242
8.5　熱自緊密封 243
參考文獻 244

第9章　熱交換器內密封的維護 247
9.1　管束存放及吊運的維護 248
9.1.1　管束存放的維護 248
9.1.2　管束起吊吊具的選用 248
9.1.3　一種保護耐腐蝕管束的吊具設計 251
9.2　熱交換器包裝及吊耳設計 253
9.2.1　熱交換器的包裝 253
9.2.2　熱交換器吊耳設計 254
9.3　熱交換器的檢修和改造 255
9.3.1　熱交換器的清洗和檢驗 255
9.3.2　管束的修理和改造 257
9.4　較高溫度下典型結構的密封失效 261
9.4.1　較高溫度下管接頭的密封失效 261
9.4.2　較高溫度下法蘭的密封失效 265
參考文獻 267


第5篇　熱交換器密封失效的運行工藝因素
第10章　熱交換器溫度載荷對密封的影響 271
10.1　熱交換器部件的溫度載荷及其熱應力分析新方法 271
10.1.1　殼體對管束滑動的摩擦約束引起的熱應力 272
10.1.2　管板溫差熱應力 276
10.1.3　換熱管的熱應力 281
10.2　支座與殼體的相互影響 283
10.2.1　鞍座應力的影響因素 284
10.2.2　等高雙鞍座壓應力分析 285
10.2.3　特殊鞍座的影響及對策 288
10.2.4　鞍座位置的影響因素 294
10.2.5　立式支座和臥式支座的影響 295
10.3　膨脹節(jié)對熱交換器安全運行的影響 295
10.3.1　膨脹節(jié)的設計關聯(lián)多種泄漏失效 296
10.3.2　膨脹節(jié)的產品質量超差分析 301
參考文獻 309

第11章　熱交換器非常規(guī)工況參數(shù)對內外密封的影響 311
11.1　耐壓試驗特殊工況對密封的影響 311
11.1.1　耐壓試驗工況下管板強度的校核 311
11.1.2　殼程較低試驗壓力下的浮頭蓋密封技術 312
11.1.3　殼程較高試驗壓力下的浮頭蓋密封技術 313
11.2　殼程較高溫度的浮頭結構密封技術 318
11.2.1　浮頭蓋密封設計的溫度因素 318
11.2.2　浮頭管箱密封設計的溫度因素 319
11.3　設計未預防工況對密封的影響 320
11.3.1　意外工況對密封的影響 320
11.3.2　未預防開停車工況的失效案例 321
11.3.3　常見誘導振動案例分析 322
11.3.4　流體彈性不穩(wěn)定的特例 325
11.3.5　管板背面空間結構禁忌 326
11.4　簡化設計工況對密封的影響 327
11.4.1　計算模型簡化的影響 327
11.4.2　設計技術欠缺的影響 329
參考文獻 331