一种用于调节内套筒换热器热膨胀差的装置的制作方法

本发明涉及石油、化工和煤化工等领域的内套筒换热器，通常指加氢装置螺纹锁紧环换热器，具体地说涉及一种用于调节内套筒换热器热膨胀差的装置。

背景技术：

石油、化工和煤化工领域的加氢装置高压换热器通常采用螺纹锁紧环结构或其它内套筒结构，该结构的管程和壳程之间通过一个内部垫片实现密封，内部垫片的密封压力由内套筒施加。在开、停工阶段或操作中温度出现波动时，由于内套筒和外部壳体的热膨胀和冷收缩量不同，造成内部垫片上的密封压力不稳定，因而造成内垫片表面密封压力不足或垫片失效，产生内部泄漏，影响生产效率和产品质量；严重时导致反应器温度剧烈变化，影响安全。内漏通常为壳程侧的介质泄漏至管程侧，通常采用回弹性好的垫片，增大内套筒的弹性并采用合理的水压试验，可以降低发生内漏的倾向，但这并不能从根本上解决内漏问题。

近年来由于加氢装置大型化，高压换热器规格大型化，换热器内部结构和壳体的热膨胀差最高可达1.5mm～2.5mm，而目前任何垫片的回弹性能都无法补偿这一膨胀差，因而导致严重的内部泄漏。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的内漏问题，本发明提供了一种用于调节内套筒换热器热膨胀差的装置。

本发明提供的用于调节内套筒换热器热膨胀差的装置主要由管箱、内套筒、管板和补偿机构组成；管箱内壁上加工有密封台阶面，密封台阶面将管箱内部分为内直径大小不同的两段；管板呈厚度一致的圆饼状，横贯于管箱内部密封台阶面附近，将管箱内部分为管程侧和壳程侧；管板在轴向上位于密封台阶面附近内直径较大一侧；内套筒位于管程侧，内套筒一端顶紧在管板上，与管板固定并可推动管板一同在管箱轴向进行滑动；管板面向壳程侧的表面外缘加工成环形密封面与管箱上的密封台阶面相对，与密封台阶面形成环形密封间隙；环形密封间隙内安装环形的补偿机构，补偿机构在轴向上可随管板在管箱内的滑动进行弹性伸缩，补偿机构通过其上设置的密封垫片分别与管箱内的密封台阶面及管板上的环形密封面贴合形成密封。

为了便于在径向上对管箱内壁、管板、补偿机构起定位作用，在管板上设有支撑套筒，支撑套筒位于壳程侧，一端固定连接在管板上，另一端插入壳程 侧一定长度，其外表面的一部分构成环形密封间隙的内环面。

作为本发明的一种改进,管板可制成环形密封面部分薄、中间厚的带环形台阶的饼状，中间厚的部分向壳程侧突出，突出部分直径与壳程侧的内直径相配合，全部或部分代替支撑套筒的作用，可减小支撑套筒长度。

作为本发明的另一种改进,支撑套筒的内径可制作成与壳程侧内直径相同，这样为了支撑套筒能够插入壳程侧，在密封台阶面处内直径小的管箱内壁上需加工出一段内直径扩大部分,该扩大部分内直径与支撑套筒外径相配合，该扩大部分尾部形成台阶，台阶与支撑套筒尾端之间留出膨胀间隙，形成环形膨胀间隙。

管箱、管板和内套筒更详细的结构根据换热器的设计需要进行确定，其材质根据换热器的使用条件确定，通常管箱为低Cr-Mo合金钢，管板和内套筒为18-8型不锈钢是合理的选材。

所述的补偿机构主要由补偿环组、密封垫片和外壳组成；

补偿环组由补偿环构成，补偿环是截面为平行四边形的环状体，平行四边形的一对对边平行于环状体的轴心线，绕轴心线旋转形成补偿环的内环面和外环面；平行四边形的另一对对边与轴心线的垂线成一定角度为截面斜角，该对对边绕轴心线旋转形成环状体的两个端面；补偿环组可由单个补偿环构成，也可由2～6个补偿环按照并列或摞列的方式相互叠加构成，所述的并列方式指的是直径不等的环沿环径向进行排列的方式，所述的摞列方式指的是直径相等的环沿环轴向进行排列的方式，摞列方式中补偿环截面斜角方向可以相同也可以相反，并列和摞列也可以联合使用；

所述外壳为一两端分别带圆形折边的圆筒，圆形折边与圆筒轴心线垂直或接近垂直，两端圆形折边的弯折方向同时向着圆筒的轴心线或同时背离圆筒的轴心线；外壳包覆于补偿环组上，其轴心线与补偿环组轴心线重合，根据管程侧和壳程侧压力的不同，外壳的圆筒分别与补偿环机构的内环面或外环面相贴合，圆形折边也采用相应的弯折方向，使两端的圆形折边与补偿环组的两端面相贴合；密封垫片焊接于圆形折边的边缘，密封垫片的圆心与圆形折边的圆心相重合，密封垫片以内侧密封面与补偿环组的端面相贴合；当然，也可以在圆形折边的内外表面加工出内、外环形密封面，密封垫片以内侧密封面与圆形折边的外环形密封面相贴合以实现密封面密封，圆形折边的内环形密封面与补偿环组的端面相贴合以实现密封面密封。

外壳具有柔性，可以全部由厚度为1.5～2mm的薄钢板制成，也可以部分由厚度为1.5～2mm的薄钢板制成，其余部分用较厚钢板制成，具有一定刚度。

所述的补偿环组靠其弹性回弹力提供密封垫片表面的密封压力，其弹性压缩和舒张量可以在温度波动时吸收或补偿热膨胀差。补偿环材料可采用耐换热器介质腐蚀，并能在换热器操作温度范围内使用的任何材料；优先选择弹性较好的金属材料，通常18-8不锈钢、Ni基合金等属于合理选材。

外壳的具体结构可以根据补偿环组的具体结构作适当的调整，但其原则上需要起到固定、定位弹性补偿环组和便于安装和使用的作用；外壳可由各部分焊接成为一体，也可为整体制作。外壳材料需要耐换热器介质的腐蚀，并可在换热器操作温度下正常使用；在常规加氢装置高压换热器上，通常可采用18-8型不锈钢。外壳具有柔性，可全部为柔性壳，也可分为支撑部分和柔性部分，支撑部分具有足够刚度，柔性部分具有足够柔性。外壳柔性部分在强度上受到补偿环支撑，不单独承受换热器的内压或压差。外壳的刚性部分对补偿环组起到定位、组装作用，在运输和安装中起到固定作用，而外壳的柔性部分为补偿环在使用中发生弹性变形提供可能；补偿环的截面斜角为补偿环发生弹性变形提供空间。

密封垫片起密封作用，适合换热器使用温度范围的平垫片均为可选类型，优先选用垫片系数m较低、密封可靠的垫片，缠绕垫和波齿复合垫通常为合理类型，其他类型如金属包垫、金属平垫等均为可选垫片类型。垫片形式可为：基本形式、带内环形式、带外环形式或带内-外环形式。带内环、外环或内外环的密封垫片可在外壳与密封垫片采用密封面密封时实现很好的定位。

所述的补偿机构的轴向高度与环形密封间隙的轴向距离相同，补偿机构的两端设有密封垫片，通过密封垫片实现管程侧和壳程侧之间的隔离，密封压力由补偿机构的回弹作用和内套筒的压紧作用提供。

支撑套筒可便于补偿机构的安装，支撑套筒材质可与管板相同或同类，并需考虑耐换热器介质的腐蚀；换热器装配时可将补偿机构先套在支撑套筒上，随管束一同装配。

本发明采用补偿机构代替内垫片安装于管板和管箱的密封处，初始安装后，补偿环组发生一定量的弹性变形，截面斜角发生一定量的减小。当换热器温度升高时，内套筒热膨胀量大于管箱热膨胀量，造成补偿机构两端部之间的距离减小，垫片压力升高；这时补偿环组发生进一步弹性变形，其截面斜角进一步减小。而当换热器温度降低时，补偿机构两端部之间的距离增大，密封垫片压力减小，这时补偿环组回弹，其截面斜角弹性回复。在整个过程中补偿环组总处于弹性范围内，且在补偿环组回弹力作用下，密封垫片表面压力维持在所须的最小密封压力之上，制止发生内漏。通过改变补偿环的尺寸及采用补偿环组 或进行补偿环组的联合使用，可以调节补偿装置的回弹力和回弹量，达到合理范围。

采用本发明具有如下有益效果：

1)本发明可适用于直径为：700mm～2000mm，管、壳程压力差为：-6.0MPa～6.0MPa，操作温度低于或等于500℃的内套筒换热器。

2)当换热器从水压试验的常温升高到最高操作温度时，通常内套筒与管箱的热膨胀差可达1.5mm～2.5mm；如果通过采用合理的补偿环材料、补偿环尺寸，采用合理的补偿环组或补偿环组的联合，补偿装置能提供足够的弹性回弹力且其弹性回弹量能够满足上述要求，则可以完全阻止换热器的内漏，这是最佳的效果。

3)采用本发明，即使补偿机构不能提供上述如此大的补偿量，补偿环组也能够获得较大的弹性补偿量，较原来仅采用垫片结构的换热器弹性补偿作用大很多，必然可以使换热器在更大的温度波动条件下使用，保证在更苛刻的条件下换热器不发生内泄漏。

本发明利用补偿环的弹性调节作用补偿或吸收膨胀差,能够避免或至少可以极大地减小内泄漏。

附图说明

图1为本发明提供的装置的第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明提供的装置的第二种实施方式的结构示意图；

图3为本发明提供的装置的第三种实施方式的结构示意图；

图4为本发明提供的装置的第四种实施方式的结构示意图；

图5为密封机构的一种结构示意图；

图6为单个补偿环的结构示意图；

图7为按截面斜角方向一致摞列而成的补偿环组结构示意图；

图8为按截面斜角方向相反摞列而成的补偿环组结构示意图；

图9为并列、摞列联合使用而成的补偿环组结构示意图。

图中：1-管板，2-支撑套筒，3-补偿机构，4-管箱，5-内套筒，6-密封垫片，7-外壳，8-补偿环组，S1-环形密封间隙，S2-环形膨胀间隙，G-管程侧，Q-壳程侧，Di-补偿环内径，Do-补偿环外径，h-补偿环高度，R-补偿环棱角倒圆半径，α-截面斜角，S-并列补偿环间隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明的一种实施方式，由图可知，本发明主要由管箱4、内套筒5、 管板1、支撑套筒2和补偿机构3组成；管箱4为厚壁圆筒，是换热器的主体结构，管箱4内壁上加工有密封台阶面，密封台阶面将管箱内部分为内直径大小不同的两段；管板1呈厚度一致的圆饼状，横贯于管箱内部密封台阶面附近，将管箱内部空间在轴向上分为管程侧G和壳程侧Q，管程侧G内直径较大，壳程侧Q内直径较小；管板1在轴向上位于密封台阶面附近内直径较大一侧，管板1外径与该较大内直径相配合；内套筒5位于管程侧G，其外径与管程侧G内直径相配合，内套筒5一端顶紧在管板1上，与管板1固定并可推动管板1一同在管箱4轴向进行滑动；管板1面向壳程侧Q的表面外缘加工成环形密封面与管箱4上的密封台阶面相对，与密封台阶面形成环形密封间隙S1；环形密封间隙S1内安装环形的补偿机构3，补偿机构3在轴向上可随管板1在管箱4内的滑动进行弹性伸缩，补偿机构3通过其上设置的密封垫片分别与管箱内的密封台阶面及管板上的环形密封面贴合形成密封；支撑套筒2位于壳程侧Q，一端固定连接在管板1上，另一端插入壳程侧Q一定长度，其外径与壳程侧Q的内直径及补偿机构3的内径相配合，并可在轴向上随管板1滑动，其外表面的一部分构成环形密封间隙S1的内环面。支撑套筒2在径向上对管箱内壁、管板1、补偿机构3起到定位作用。图中的补偿机构3采用的是单个补偿环的结构。

图2为本发明的第二种实施方式，相对于图1其改进之处在于管板1为环形密封面部分薄、中间厚的带环形台阶的饼状，中间厚的部分向壳程侧Q突出，突出部分直径与壳程侧Q的内直径相配合，全部或部分代替支撑套筒2的作用，可减小支撑套筒2的长度。图中的补偿机构3为双环按截面斜角相反的方向摞列而成的结构。

图3为本发明的第三种实施方式，相对于图2其改进之处在于支撑套筒2的内径与壳程侧Q内直径相同，这样为了使支撑套筒2能够插入壳程侧Q，在密封台阶面处内直径小的管箱内壁上加工出了一段内直径扩大部分,该扩大部分内直径与支撑套筒2外径相配合，该扩大部分尾部形成台阶，台阶与支撑套筒2尾端之间留出膨胀间隙，形成环形膨胀间隙S2。图中补偿机构3为双环按截面斜角相同的方向摞列而成的结构。

图4为本发明的第四种实施方式，相对于图3其不同之处仅在于补偿机构3的结构有所不同，是由两组按截面斜角相同的方向摞列而成的补偿环组再按截面斜角相反的方向摞列而成的四环结构。

在上述四种实施方式中，补偿机构3的具体结构可根据实际需要进行选用，并不限于上述四种结构。

图5为本发明中补偿机构的一种结构示意图，主要由密封垫片6、外壳7 和补偿环组8组成。密封垫片6为带内-外环形式的密封垫片，当然也可采用其它形式的垫片；外壳7为两端分别带圆形折边的圆筒，外壳7包覆在补偿环组8内环面上并通过其圆筒部分与之相贴合，外壳7的轴心线与补偿环组8轴心线重合，外壳7两端圆形折边弯折方向同时背离圆筒的轴心线，在圆形折边的内外表面加工有内、外环形密封面，密封垫片6的密封面与圆形折边的外环形密封面相贴合从而实现密封面密封，圆形折边的内环形密封面与补偿环组8的两端面相贴合以实现密封面密封。当然，根据管程侧和壳程侧压力的不同，外壳的圆筒也可以与补偿环机构的外环面相贴合，圆形折边也采用相应的弯折方向，使两端的圆形折边与补偿环组的两端面相贴合；密封垫片6也可以焊接于圆形折边的边缘，密封垫片6以内侧密封面与补偿环组8的端面相贴合从而实现密封面密封。

图6为单个补偿环的结构示意图，补偿环是截面为平行四边形的环状体，图中给出了补偿环的主要结构尺寸，其中Di为补偿环内径，Do为补偿环外径，h为补偿环高度，R为补偿环棱角倒圆半径，α为截面斜角。

图7给出了由两个单环按截面斜角方向相同摞列而成的补偿环组，图中α为截面斜角。

图8给出了由两个单环按截面斜角方向相反摞列而成的补偿环组，图中两个截面斜角α相邻。

图9给出了由两组按截面斜角相同的方向摞列而成的补偿环组再按截面斜角相反的方向并列而成的四环补偿环组，为并列、摞列联合使用而成的补偿环组，图中S为并列补偿环间隙，α为截面斜角。

当然，本发明可通过调整补偿环的数量及并列、摞列方式的组合得到不同结构的补偿环组，以满足不同的需求。