大型钛-钢复合板换热器管箱密封问题分析与优化

张京 刘钊 王一安

摘  要：随着PTA行业的高速发展，钛-钢复合板已广泛应用于制作生产PTA的换热器，由于钛-钢复合板材料的特殊性，尤其针对大型钛-钢复合板换热器的管箱，在其密封处易出现泄露问题。本文结合我公司生产的大型钛-钢复合板的换热器，针对管箱密封处的泄漏问题，分别从制造、安装及检测上进行了分析，并提出了优化方案。

关键词：钛-钢复合板  换热器管箱  密封问题  优化方案

引言

PTA（精对苯二甲酸）是重要的大宗有机原料之一，广泛用于与化学纤维、轻工、电子、建筑等国民经济相关的各个方面。生产PTA的换热单元主要为以钛材为耐蚀层的换热器，故其管箱及管板的材料多为钛-钢复合板。由于钛-钢复合板材料的特殊性，所以对换热器的加工制造就提高了难度，在管箱密封方面也易出现泄漏的问题。本文结合公司生产的某钛-钢复合板换热器（换热器规格：Φ2500mm，L=15000mm;设计压力：3.4MPa;详见图4），从制造、安装及检测三个方面分析了管箱密封处的泄露问题，并对此提出了相应的优化方案。

1 钛-钢复合板换热器管箱泄漏原因分析

1.1 换热器管箱密封面泄露问题

换热器直径Φ2500mm，其中管板和管箱均采用钛-钢复合板材料制作，所以管箱与管板的连接处采用复合板焊环（管箱）与管板钛层接触密封，密封垫为石墨缠绕垫，具体结构如图1所示：

图1中，左侧为管板，右侧为管箱法兰，采用螺栓连接，其中泄漏问题为介质从间隙h处流出，故考虑为密封面泄漏，如图2所示：

1.2 泄露原因分析

根据泄漏情况初步分析为管箱密封面泄漏，故对管箱进行拆卸，并重新测量管箱及管板密封结构尺寸，得到管箱拆卸前间隙h沿圆周方向不均匀，其中泄漏位置的间隙基本等于0，即管箱法兰与管板在螺栓孔基准面处已经顶死，而未泄露部分的间隙最大处为5.5mm。待管箱拆除后，经过测量发现管板密封面凸台的高度尺寸沿圆周方向不均匀（如图2所示），通过比对发现由于管板密封面凸台的高度尺寸的不一致造成间隙h沿圆周方向不均匀。

通过对管板及复合板焊环及间隙h的测量数据进行分析，得到表1数据表：

由此可推断泄露原因：

（1）由于管板密封面凸台加工偏差（管板不平度原因）问题，造成B侧密封面压缩量较小，降低密封性能;

（2）从h的计算与实测值可得到，管箱与管板在紧固时，螺栓的预紧力不相同，造成了垫片的压缩量不相同;

2  钛-钢复合板换热器管箱密封性优化措施

2.1  鈦-钢复合板管板加工过程优化

由于钛-钢复合板是钢板与钛板经过爆炸力的作用贴合在一起形成的，所以其复合板的平面度偏差较大，根据NB/T47002.3-2009《压力容器用爆炸焊接复合板 钛-钢复合板》标准中规定的，直径为2600mm钢板，其平面度偏差应不超过10mm;根据管板结构（如图4所示），管板有三个加工面，其中密封面的平面度要求较高。

图5中，平面1为管板密封面;平面2为钛层螺栓孔基面;平面3为钢层螺栓孔基面;

为了保证密封面的平面度及密封面外径处凸台的高度尺寸的一致性，对管板的加工过程进行优化，方案如下：

（1）管板上车床后进行找正，钛面向上;

（2）确定管板密封面的尺寸范围，对此尺寸范围进行找平，并车见光处理;

（3）以平面1为基准车加工平面2，此时可保证平面1与2 之间的凸台高度的一致性;

（4）以平面2为基准车加工平面3，这样保证了平面1/2/3的平行度;

针对大尺寸管箱的螺栓紧固，尽可能采用液压扳手，调整好扭矩，在固定扭矩的情况下进行紧固，保证垫片受力均匀;

2.2  钛-钢复合板管箱安装过程优化

大型钛-钢复合板管箱在与壳程进行安装时，由于设备尺寸较大及场地受限的原因，一般采用卧式安装方法，此时沿管箱法兰圆周方向的紧固螺栓受力是不均匀的，上部螺栓受拉应力较大，自上而下螺栓受拉应力逐渐减小，这样就造成螺栓预紧过程受力不均匀，最终会导致管箱垫片受力不均从而使压缩量不均匀，压缩量较小的位置就易发生泄露。

为了解决安装问题，对管箱安装及检测过程进行优化，保证管箱垫片受力的均匀性。优化方案如下：

（1）针对大型换热器的管箱与壳程卧式进行组装时，为了避免管箱重力的影响而导致螺栓受力不均匀的情况，应在管箱的重心点处设置支撑，以减少对管箱上部螺栓的受力;

（2）根据图1 所示，在管箱组装完成后应对间隙h进行测量，确定沿圆周方向的间隙h是否均匀。

3  结论

通过以及上述分析，得到了以下结论：

（1）PTA行业大型复合板换热器管箱密封面的泄露，主要问题之一为管板加工的偏差造成密封垫受力不均匀;

（2）针对复合板管板的加工，应根据密封面处间隙h的结构要求，合理安排加工工序，由于复合板管板原材料不平度的不可避免，所以应保证密封面与螺栓孔基面的平行误差，确保不会造成安装时出现“顶死”的问题;

（3）针对大型换热器的管箱在需要卧式组装时，应在管箱重心处设置支撑装置，防止管箱重力影响螺栓紧固时受力不均;检测管箱垫片是否压缩均匀，可对间隙h所示进行测量。

参考文献

[1]陈焕芝，柳少军，张军超，王亚峰，张兵兵，换热器管箱法兰与管板密封问题研究[J]，漯河兴茂钛业股份有限公司，广州化工，2014，42（6），135-136;