螺纹锁紧环换热器

832 加氢协作组第六届年会报告论文选集

螺纹锁紧环换热器

摘要 本文结合检修过程，简要阐述了高压螺纹锁紧环换热器的拆装

程序，着重分析了检修中存在的几个主要问题及可采取的相应措施；并计

算了如何确定管、壳程垫片螺栓预紧力。

关键词 高压螺纹锁紧环换热器 结构特点 问题 对策

1 概述

在炼油厂使用的换热器结构形式较多，但最常用的是普通大法兰联接型式的

换热器。该换热器具有结构简单、拆卸方便、易于密封等优点。但随着装置的大型化，所需换热器的尺寸也越来越大，尤其是在加氢裂化、加氢脱硫等装置上用于高温高压并含有氢和硫化氢介质场合的换热器，首先要解决在如此苛刻条件下的密封问题。为了解决密封问题，这种形式的换热器管、壳程法兰将变得很厚，其紧固螺栓也随之明显增大，这不仅给紧固、拆卸带来了很大的困难，既不便于维修，又难以保证不漏，并且大大增加了金属材料的耗量。所以，具有密封可靠、结构紧凑、维护简单而且又能及时解决运行中出现的泄漏问题的螺纹锁紧环式换热器应运而生，并广泛地应用在加氢裂化和加氢脱硫等装置中。

2 螺纹锁紧环换热器的结构特点

螺纹锁紧环换热器的密封结构最早是由美国Chevron 公司和日本千代田公司共同开发研究成功的，我国已有十几套加氢装置使用这种换热器。此换热器的管束多采用U 形管式，它的独到结构在于管箱部分。该换热器可分为两类：即H-H 型和H-L 型，H-H 型适用于管壳程均为高压的场合；H-L 型适用于壳程为低压而管程为高压的场合［1］。本文重点介绍H-H 型螺纹锁紧环换热器，它的基本结构如图1所示。

设备的腐蚀与防护 833

管箱中：1、管板；2、壳程垫片；3、隔板箱；4、填料；5、填料压盖；6、内法兰；7、三合环；8、内法兰螺栓；9、管程垫片；10、垫片压板；11、外压环；

12、外圈压紧螺栓；13、外圈顶梢；14、螺纹锁紧环；15、管箱盖板；16、内圈压紧螺栓；17、内压环；18、支撑圈；19、内套筒。

3 螺纹锁紧环换热器的检修程序

3.1 拆除程序及注意事项

(1)做好准备工作。如：放好专用升降台、拆去妨碍检修的物件或视情况进行

中和清洗等等。

(2)在壳体和头盖组件上作好测量标记，并用深度游标卡尺测量螺纹锁紧环端

面到管箱盖板端面的距离及螺纹锁紧环端面到壳体端面的距离，并认真记录。

(3)拆卸头盖组件上的螺栓。

(4)将盖夹具固定在头盖组件上，并检查是否稳固；再把平衡重装在相应位置

上。

(5)拆卸螺纹锁紧环等头盖组件。注意：在松开过程中，若发现紧力变大应及

时检查，并调节专用升降台和换热器壳体的对中性。

(6)小心拆下内、外压环。

(7)拆下垫片压板。注意：不要碰撞壳体螺纹。

(8)装上专用螺纹保护罩，取出管程密封垫片，并认真检查密封面。

(9)拆下内套筒和支撑圈。

(10)在内法兰组件和隔板箱端面上作好标记后，测量三合环到隔板箱端面的

距离的测量点，并认真记录。

(11)用扭矩板手拆下内法兰螺栓，并记录各个螺栓的残余力矩。

(12)拆下三合环、内法兰。注意：在拆三合环时，应防止“三合环”的一部

分坠落受损伤人。

(13)拆卸管箱上盖板、填料部件。

(14)拆出隔板箱。

(15)抽出管束。抽芯时，应十分谨慎小心，密切注意各部间隙，并始终保持

管束处在水平位置。当管束在通过螺纹保护罩时，要注意是否受阻，并必须保证管束滑板末端将要越过垫片槽时，整个管束即被吊起。注意：管束和抽芯机起吊

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前，必须提前做好钢丝绳的安全分析。

(16)拆下壳程垫片，认真检查密封面。

(17)清洗。清洗部位应包括壳体内表面，壳体管箱段内表面，螺纹表面，垫

片槽等各密封面，螺纹锁紧环、管束、隔板箱等各内件。

(18)理化检验：

①对壳体堆焊层，管板堆焊层，各接管等部位进行各种无损检测；

②对垫片槽、管板密封面、垫片压板密封面等部位应认真进行检查；

③对螺纹锁紧环外螺纹和壳体内螺纹要认真检查。

3.2 安装程序

螺纹锁紧环换热器的安装步骤基本上与其拆卸过程相反。

4 检修中可能出现的主要问题和处理方法

4.1 内、外压紧螺栓拧不出或拧断

4.1.1 原因分析

(1)管箱内件和管箱、壳体材质搭配不当。在高温作用下，导致各内件在轴向

的变形量不一致，小的温差使螺栓与结合面之间磨损、出现凹坑，大的温差致使螺栓变形。

(2)螺纹摩擦副丝扣较长，加上所配丝扣是细牙螺纹，只要某一处出现变形或

错位，或者在上紧不畅的情况下，若此时加大扭矩，都会使丝扣出现乱扣现象。

4.1.2 处理方法

(1)如果部分压紧螺栓在拧松的情况下拧断，这并不影响锁紧环和头盖的拆

卸，可在头盖拆下后用机加工处理。

(2)如果在螺栓断的时候螺栓还未拧松，只能在现场用枪钻和磁座钻把断螺栓

取出。但在施工时不能破坏螺栓孔，且在安装前，所有螺孔都要重新攻丝。

4.2 内法兰螺栓拧不出或拧断

4.2.1 原因分析

(1)螺栓设计不合理。即螺栓头部没有顶柱，内法兰螺栓在各种轴向力的作用

下，头部容易墩粗或弯曲。

(2)内法兰螺栓与内法兰、三合环材质搭配不好，在高温作用下变形咬死。

设备的腐蚀与防护 835

4.2.2 处理方法

由于螺栓是通过三合环上的螺栓孔再拧在内法兰上的，所以必须要把埋在三

合环孔内的螺栓头处理掉。可根据实际情况采取不同方法：

(1)把三合环孔内的断螺栓用钻机打掉，但由于内部空间狭小，工作难度较大，故应根据现场实际情况采用合适的作业方法及保护措施，并且要根据丝扣的损害情况，进行堆焊或重新攻丝。

(2)用气割或等离子切割破坏三合环，从内缘把三合环割穿，再把螺栓割平，就可取出三合环和内法兰，但这需要更换三合环。

(3)将所有内法兰螺栓头部丝扣车小为缩径光杆，避免螺栓头部墩粗或弯曲。

4.3 锁紧环螺纹拧不开或半路咬死

4.3.1 原因分析

(1)部分外圈压紧螺栓无法拆卸，致使螺纹锁紧环不能自由旋出。

(2)螺纹丝扣较长，如某一部分有杂物或出现变形，就会出现卡涩现象。

(3)螺纹锁紧环直径大，偏重，专用拆卸工具现场操作较难，加上人为调节、测量误差，致使螺纹锁紧环与壳体在拆卸过程中不能一直保持较好的同心度和垂直度。

4.3.2 处理方法

(1)可在管箱壳体外包上电加热器加热使壳体膨胀；或在专用松紧杆上用千斤

顶助力。

(2)当螺纹锁紧环旋出和旋进过程中发现有意外卡滞现象时，要及时查找原

因，调整同心。可进行几次正反旋动，并加润滑油，以消除毛刺；如果卡滞越来越严重，在适当提高螺纹锁紧环外圈上的力还不能松动时，要重新进行壳件加热并在允许范围内适当增加加热温度，使壳体膨胀，再旋出；如果仍然不能旋出，可将锁紧环外圈上的力增加到10～20吨，直至旋出。

5 管、壳程垫片螺栓预紧力的确定

管、壳程垫片密封是整个螺纹锁紧环换热器检修的关键。由于管、壳程垫片

都采用“W ”基本形缠绕垫，在螺栓预紧力均匀地作用于垫片的前提下，加大螺栓预紧力，不仅能使垫片变形，而且能缩小垫片材料中的毛细管，操作时还能使垫片残留较大的密封比压，从而保证良好的密封状态。但如果螺栓力过大，造成

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垫片产生过大的塑性变形，则会使缠绕垫失去密封效果。因此，如何把握管、壳程垫片螺栓预紧力的数值，是检修的关键。笔者以如下计算作为实际预紧力参考值(以镇海炼化加氢裂化装置E303为例) 。

5.1 壳程垫片预紧力数值的计算

（1）内法兰螺栓预紧力的计算

预紧时，螺栓载荷等于垫圈所需预紧力：

W 1 =π×D c ×B ×Y (1)

操作时，螺栓载荷等于管板两侧由差压引起的轴向力P 1与垫片工作时的反力

G （数值上等于操作时垫片密封所需的预紧力）之和：

W 2 = P1 + G ＝π/4×D c 2×P ＋2×π×D c ×B ×m ×P (2)

式（1）、（2）中：

D o —— 垫片实际外径，mm ，D o = 968mm ；

N —— 垫片实际宽度，cm ，N = 1.9cm ；

B o —— 垫片有效密封宽度，cm ，B o = N/2 = 0.95cm ；

B —— 垫片计算密封宽度，mm ，B =（0.6×B o ）1/2 = 0.755cm =

7.55mm ；

D c —— 垫片压紧作用的计算直径，mm ，D c = Do –2×B = 952.9mm ； Y —— 垫片的密封比压，MPa ，Y = 68.9MPa ；

m —— 垫片系数，m = 3 ；

P —— 操作差压，MPa ，P = 4.5MPa ；

P 1 —— 管板两侧由差压引起的轴向力，N ，P 1 =π/4×D c 2×P = 3145000N ；

G —— 垫片工作时的反力，N ，G = 2×π×D c ×B ×m ×P = 598000N ； 则，预紧时的螺栓载荷：

W 1 =π×D c ×B ×Y = 1526000N

操作时的螺栓载荷：

W 2 = P1 + G = 3743000N

根据上述计算，W 2＞W 1，故取W 2为螺栓的计算载荷。

那么，单个螺栓的预紧力：

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F

（3）

式（3）中： = W 2 / N 1

W 2 ——操作时的螺栓载荷，N ，W 2 = 3743000N ；

N 1 —— 内法兰螺栓的数量，个 ，N 1 = 44 个；

则，单个螺栓的预紧力：

F = W2 / N1 = 85100N

在拧紧螺母时，需要克服螺纹副的螺纹力矩T 1，由于螺栓头部设计成球面，单头螺栓六角头与锁紧环不接触。所以，螺栓头部的承压面力矩T 3、螺母的承压面力矩T 2和夹持力矩T 4均可忽略不计，故拧紧力矩T 等于螺纹力矩T 1。在螺纹力矩的影响下，螺纹副间有圆周力F T 的作用，螺栓受到预紧力F 作用。

T 1

（4）

式（4）中：

ψ —— 螺纹中径升角，度 ，ψ=arctg(np/π×d2) ；

ρν—— 当量摩擦角，度 ，ρν=arctgμ/cosα ；

d 1 —— 内法兰螺栓的中径，mm ，d 1 = 32.89mm ；

n —— 螺纹头数，n = 1 ；

p —— 螺距，mm ，p = 3.175mm ；

np —— 导程，mm ，np = 3.175mm ；

α —— 牙形角，度 ，α = 550 ；

μ —— 摩擦系数，μ = 0.2 ；

M 1 —— 拧紧力矩系数，取M 1=tg(ψ+ρν)/2 = 0.1972；

F —— 单个螺栓的预紧力，N ，F = 85100N ；

则，单个螺栓的拧紧力矩：

T = T1 = 552Nm

从上述计算可知，只要内法兰每一个压紧螺栓的上紧力矩达到552Nm ，便

可保证壳程密封。但考虑到一些其它因素，在实际操作中为确保壳程的密封效果，最好同时做以下几个方面的工作：

①拆卸时，在三合环、内法兰和隔板箱上作上三者原始相对角度位置标记。 = F T × d 1/2 = F ×tg(ψ+ρν)×d1/2

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②安装时，内法兰螺栓上紧力矩取计算值的1.1倍左右即为610Nm 。

③安装时，在隔板箱上作顺时针方向且相隔45°的8个标记，认真测量三合

环到隔板箱端面的距离，并在检修记录表上记录。

（2）内圈压紧螺栓上紧力的计算

在检修安装中，内圈压紧螺栓一般是不上紧的，采取做法是将内圈压紧螺栓

先顶紧内压环后，再退半扣。在运行过程中若发现有内漏现象时，则通过上紧内圈压紧螺栓，使压紧力作用到壳程垫片上，从而达到密封效果。

在操作时，一旦发现内漏，此时内圈压紧螺栓压力等于管、壳程内压产生的

轴向力P 1、P 2与壳程垫片工作时的反力G （数值上等于垫片操作时密封所需的总压紧力）三者之和：

W 3

（5）

式（5）中

P 1 —— 管板两侧由差压引起的轴向力，N ，上已计算P 1 = 3145000N ；

G —— 操作时垫片密封所需的预紧力，N ，上已计算G = 598000N ；

P —— 管程设计压力，Mpa ，P = 16.91Mpa = 16.91N/mm2 ；

D o —— 内压环的外径，mm ，D o = 889mm ；

D i —— 内压环的内径，mm ，D i = 811mm ；

S —— 内压环的面积，mm 2，S =π/4×（D o 2- Di 2）= 104091mm2 ；

P 2 —— 管程内压产生的轴向力，N ，P 2 = P×S ＝1760179N ；

则，操作时螺栓的载荷：

W 3 = P1 + P2 + G = 5503179N

那么，单个螺栓的预紧力：

F 1

（6）

式（6）中：

W 3 —— 操作时螺栓的载荷，N ，W 3 = 5503179N ；

N 2 —— 内法兰螺栓的数量，个 ，N 2 = 44个 ；

则，单个螺栓的预紧力：

F 1 = W3/N2 = 125072N = W 3 / = P 1 + P 2 + G N 2

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那么，拧紧力矩：

T 2 = F T ’×d 2/2 = F 1×tg(ψ+ρν)×d2/2 = F 1×M 2×d2

（7）

式（7）中：

F 1 —— 单个螺栓的预紧力，N ，F 1 = 125072N ；

M 2 —— 拧紧力矩系数，取M 2 = tg(ψ+ρν)/2 = 0.194 ；

d 2 ——内圈压紧螺栓的中径，mm ，d 2 = 29.717mm ；

则，拧紧力矩：

T = T2 = F1×M 2×d 2 = 721Nm

从上述计算可知：内圈压紧螺栓的上紧力肯定要大于壳程垫片在初始密封

时由内法兰螺栓所加的预紧力，这是因为内圈压紧螺栓所提供的压紧力在克服由内压产生的轴向力之后，剩余的压紧力作用在壳程垫片上产生的比压还要略大于由内法兰螺栓所施加的初始密封比压值。

在实际施工中：为了消除内漏，一般是将内圈压紧螺栓的上紧力按比内法兰

螺栓的预紧力大10%、20%……比例递增，直到消除内漏为止。但要注意：该压紧力递增的幅度不应过大，以免压紧力过大将垫片压至与槽一样高。

5.2 管程垫片预紧力数值的计算

计算过程基本同上5.1中的内法兰螺栓预紧力的计算过程，只不过有部分参

数及在计算操作时螺栓载荷中的P 1有所差异。

在计算外圈压紧螺栓的预紧力时，P 4=π/4×（D c ’2 - D r12）× P 3

（8）

式（8）中：

D c ’—— 管程垫片压紧作用的计算直径，mm ，D c ’ = 1072.4mm ；

D r1 —— 外压环的内径，mm ，D r1 = 1015mm ；

P 3 —— 操作差压，MPa ，P 3 = 18.0MPa ；

计算结果：外圈压紧螺栓拧紧力矩：

T = T3 = 638.24Nm

只要每一个外圈压紧螺栓上紧力矩达到638.24Nm ，可保证管程密封。但考

虑到一些其它因素，在实际操作中为确保壳程的密封效果，最好同时做以下几个

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方面的工作：

①拆卸时，在螺纹锁紧环的端面，壳体的端面以及管箱盖板的端面作相对角度位置标记。

②安装时，外圈压紧螺栓上紧力矩取计算值的1.25倍左右，即为800Nm 。 ③安装时，认真测量螺纹锁紧环端面到管箱盖板端面的距离及螺纹锁紧环端面到壳体端面的距离，并在检修记录表上记录。

6 结论

（1）螺纹锁紧环换热器由于结构复杂，零部件多，装配要求高等原因，检修难度较大，必须引起足够的重视。特别是螺纹锁紧环的拆装，如果中途卡死，将会引起严重后果。所以在螺纹锁紧环安装过程中应十分重视对中精度，稍有卡住的迹象应及时检查调整，如卡住现象有严重的趋势，应果断退出，检查和修整后再重新安装。

（2）必须配置合适的专用工机具。由于换热器的零部件都有一定的重量，尤其是螺纹锁紧环，必须在专用工具的配合下才能正确定位，否则容易产生螺纹锁紧环的偏心，影响大螺纹的啮合及密封垫片的定位；在管束的拆装过程中，要使用专门的工具以保护好管箱大螺纹。

（3）螺纹锁紧环换热器安装时，要确保各零部件都能正确安装到位，并确保各零部件的安装尺寸与拆卸时各尺寸一一对应。所以，安装过程中最好是以控制各零部件与基准面的相对尺寸为主，而把螺栓上紧扭矩作为参考值。如果安装到位的话，其相对尺寸和扭矩应该是大致对应的。

（4）螺纹锁紧环换热器的检修，关键在于管、壳程垫片的安装。每圈螺栓必须对称上紧，并且按上紧扭矩的50%、80%、100%上紧，以确保垫片受力均匀。

（5）在设备运行中，发现壳程密封泄漏时，一般将内圈压紧螺栓的上紧力按比内法兰螺栓的压紧力大10%、20%……比例递增，直到消除内漏为止。但要注意：该压紧力递增的幅度不应过大，以免压紧力过大将垫片压至与槽一样高。

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参考文献

[1] 韩崇仁主编. 加氢裂化工艺与工程. 中国石化出版社，2001