一种带自平衡密封堵头的弯头及具有该弯头的加热炉的制作方法

本发明涉及机械工程装备中的设计及建造技术领域，具体涉及一种带自平衡密封堵头的弯头及具有该弯头的加热炉，特别适用于石油炼制、石油化工、煤化工及其他化工工艺过程对流体介质的管式加热炉。

背景技术：

(1)传统加热炉的结构设计及功能

加热炉是化工装置中的心脏，管式加热炉的作用于是将管内的介质（油料或气体）加热至工艺所需的温度。

如图1所示，为加热炉的其中一个模块，每台加热炉由多个模块上下叠装而成，该结构能够实现充分平衡和利用各种热源。炉体的四面由高大的炉墙1围成炉膛，炉墙1由工字钢等型钢钢架上铺焊钢板，钢板上分布焊接保温钉，在保温钉之间浇铸入隔热和耐磨材料。炉墙上安装有支架用于支撑管板3和5，炉管4穿过带孔的管板3、5从而被管板支撑住，炉管4可以部分是螺旋翅片管或全部是螺旋翅片管，炉管4设有出口或入口2，炉管4两端通过180°的u形弯头6连通，炉管4内流过的是需要加热的油料，炉管4外面在炉膛内垂直从下往上(或水平从左到右、从右到左)流过的是高温烟气或热风，热量通过管壁传给管内的油料。

(2)传统加热炉的建造技术及其存在的问题

随着社会经济的长期发展，能源需求激增，开采的原油劣质化越来越严重，炼油工艺技术向高温高压深度发展，使用时炉管内壁很容易结上一层类似焦炭的硬物，影响炉管的换热效果。对此有两种处理办法，一是烧焦去除，二是从弯头上的开孔伸进机械工具把炉管内的硬焦层清除，带开孔的铸造弯头及其加热炉就是为此而设计的，当然，通过该开孔也可以利用仪器对炉管内壁进行质量检测，保证加热炉的安全运行。

传统的炉管弯头是由钢管弯制而成的，因工艺限制该钢管的管壁较薄，当需要在弯头上开孔再装配诸多密封零件时，则薄壁弯头会组焊变形导致强度降低，且密封线短浅，厚壁弯头不便弯制，只好采用铸造成形。这样的铸造弯头结构有带来两个主要问题：一是开孔的密封；二是铸造材料疏松不耐冲刷腐蚀。工程界曾使用过这样的铸造弯头，但是弯头的每个开孔均分别设置一套专门的密封配件来分别实现每个开孔的密封，结构复杂，零件笨重，容易泄漏，常常需要非计划停工修理，操作成本高。

由此可见，改进已有的堵头弯头密封，简化结构，提高密封可靠性，可以提高加热炉热效率及经济效益，具有很强的工程和社会经济意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在上述技术问题，本发明提供一种结构简单，提高弯头密封可靠性，提高换热效率的带自平衡密封堵头的弯头及其加热炉。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一种带自平衡密封堵头的弯头，包括u形的弯头本体，所述弯头本体的两侧部均开设有圆锥通孔，这两个圆锥通孔处分别设有用于密封其对应侧的圆锥通孔的圆锥形的堵头，所述弯头本体设有支撑组件、平衡梁和两个螺柱，支撑组件固定在弯头本体上，平衡梁的中部铰接于所述支撑组件，两个螺柱分别安装在平衡梁的两端部，螺柱与平衡梁之间螺纹连接，两个螺柱分别抵住对应侧的堵头以使得所述堵头密封住其对应侧的圆锥通孔。

其中，所述支撑组件包括孔耳、支轴和轴销，所述孔耳设有一对，该对孔耳固定在弯头本体的顶部，所述支轴铰接于两个孔耳，所述平衡梁的中部铰接于所述支轴，所述支轴的两端部开设有安装孔，所述轴销插在所述安装孔内从而沿轴向对支轴限位。

其中，所述支轴的横截面为圆形。

其中，所述堵头的热膨胀系数大于所述弯头本体的热膨胀系数。

其中，所述平衡梁的横截面为矩形，所述平衡梁在纵向以中间为对称中心对称两段折弯设置。

其中，所述圆锥通孔与所述弯头本体的两个端部开口对齐。

其中，所述螺柱与所述平衡梁之间的螺纹为具有自锁功能的梯形螺纹。

其中，所述堵头和所述圆锥通孔之间设置有石墨涂层。

其中，所述堵头设置有表面光滑的凹坑，所述凹坑与所述螺柱相对应。

其中，所述堵头的堵住所述圆锥通孔的内端面设有硬质耐磨合金层。

一种采用了上述弯头的加热炉，包括若干个上下叠装的模块，每个模块均包括炉墙、设置在所述炉墙上的支耳、所述支耳支承住的管板、所述管板支承住的炉管，所述炉管的两端部通过弯头连通。

本发明的有益效果：

本发明的一种带自平衡密封堵头的弯头及具有该弯头的加热炉，与现有技术相比，本发明的两个堵头分别对两个圆锥通孔的密封紧固力之间能够实现平衡，通过平衡梁和支撑组件形成的杠杆结构实现，当其中一个堵头受到弯头内压或流体的冲击作用时，该作用力直接作用在堵头上，是一个不利于密封的推开力，通过堵头传到与之相抵住的螺柱上，再作用到平衡梁上，这个推开力通过平衡梁传到另一个堵头上，形成对这个堵头的压紧力，推开力越大，传给另一个堵头的压紧力也增大，形成相互制约的自我平衡密封，因此能够有效提高弯头的密封可靠性能，提高换热效率，而且该结构整体比较简单，制造方便。

附图说明

图1为加热炉的一个模块的结构示意图。

图2为实施例中的一种带自平衡密封堵头的弯头的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为图2结构模拟简化后的杠杆作用原理图。

图5为实施例中的堵头的结构示意图。

附图标记：

炉墙1；

炉管2、炉管的出口或入口4；

管板3、5；

弯头6、弯头本体7、堵头8、凹坑81、耐磨合金层82、螺柱9、平衡梁10、孔耳11、支轴12、轴销13；

被加热的流体从左边的开口箭头a进入弯头，然后从右边的开口箭头b流出来。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。

本实施例的一种具有弯头的加热炉，该弯头带自平衡密封堵头，如图1所示，加热炉包括若干个上下叠装的模块，每个模块均包括炉墙1、设置在炉墙1上的支耳、支耳支承住的管板3和5、管板支承住的炉管2，炉管2的两端部通过弯头6连通。

如图2和图3所示，弯头6包括180°的u形的弯头本体7，弯头本体7的两侧部均开设有圆锥通孔，圆锥通孔与弯头本体7的两个端部开口对齐，这两个圆锥通孔处分别设有用于密封其对应侧的圆锥通孔的圆锥形的堵头8，由于圆锥通孔的轮廓与堵头8内封面重合，因此图中没标记处圆锥通孔，堵头8的圆锥形密封结构具有补偿功能，密封面损伤了可修缮后继续使用。弯头本体7设有孔耳11、轴销13、横截面为圆形的支轴12、平衡梁10和两个螺柱9，孔耳11设有一对，该对孔耳11固定在弯头本体7的顶部，支轴12铰接于两个孔耳11，平衡梁10的中部铰接于支轴12，支轴12的两端部开设有安装孔，轴销13插在安装孔内从而沿轴向对支轴12限位，左右相互协调平衡十分灵活方便，穿过孔耳11的支轴12两端装有轴销13，防止支轴12窜动。平衡梁10的中部铰接于支轴12，两个螺柱9分别安装在平衡梁10的两端部，螺柱9与平衡梁10之间螺纹连接，两个螺柱9分别抵住对应侧的堵头8以使得堵头8密封住其对应侧的圆锥通孔。一件180°弯头本体7上只设置一对孔耳11，孔耳11与弯头本体7一起铸造而成。不需要像传统那样需要两对耳孔，一对孔耳11就能密封两个圆锥通孔。一对孔耳11的两块耳顶之间可以联成一体，也可以不连成一体，视弯头所受内压大小，经应力分析确定。

与现有技术相比，本发明的两个堵头8分别对两个圆锥通孔的密封紧固力之间能够实现平衡，如图2和图3所示，通过平衡梁10和支轴12形成的杠杆结构实现，当其中一个堵头8受到弯头内压或流体的冲击作用时，该作用力直接作用在堵头8上，是一个不利于密封的推开力，通过堵头8传到与之相抵住的螺柱9上，再作用到平衡梁10上，这个推开力通过平衡梁10传到另一个堵头8上，形成对这个堵头8的压紧力，推开力越大，传给另一个堵头8的压紧力也增大，如图4所示，平衡梁10是杠杆，支轴12是杠杆的平衡支点，f1越大则f2也跟着增大，但是基本有f1=f2和f=f1+f2，形成相互制约的自我平衡密封，因此能够有效提高弯头的密封可靠性能，提高换热效率，而且该结构整体比较简单，制造方便。

本实施例中，堵头8的热膨胀系数大于弯头本体7的热膨胀系数，是本发明自平衡密封的另一种含义，堵头8受热后其膨胀程度也就大于弯头本体7圆锥通孔的胀形，起自紧作用。堵头8和圆锥通孔之间设置有石墨涂层，石墨涂层细腻均匀，涂在堵头8外圆和弯头圆锥通孔密封面上的石墨在高温下受热会膨胀，也具有自紧作用。

其中，平衡梁10的横截面为矩形，平衡梁10在纵向以中间为对称中心对称两段折弯设置，从而形成具有弹性的平衡梁10，弹性缓冲高温变形，弥补热膨胀变形的影响。

本实施例中，螺柱9与平衡梁10之间的螺纹为具有自锁功能的梯形螺纹，以防受振时松动。

本实施例中，如图5所示，堵头8设置有表面光滑的凹坑81，凹坑81与螺柱9相对应，既可使螺柱9的下端圆头与堵头8之间迅速准确定位，也可减少堵头8与螺柱9之间的磨擦，达成轻便紧固目的。

本实施例中，堵头8的堵住圆锥通孔的内端面设有硬质耐磨合金层82。耐磨合金可堆焊或嵌上，耐流体杂质冲蚀。从专业技术的角度说，铸造组织是很不均匀、存在疏松和偏析的金相组织，焊接性能差，焊肉冷却收缩时会把旁边未焊的铸造组织拉出裂纹，所以，没有开孔的弯头本体7内壁很少用堆焊耐磨层的办法提高其耐冲刷腐蚀能力，但是开孔的弯头就可以单独堆焊其堵头8内端面的办法体高其耐冲刷腐蚀的能力。单独的堵头8端面较弯头内腔窄小的空间也方便堆焊操作，只要将堵头8预热到足够合适的温度再堆焊，焊后保温消除应力，就能防止裂纹的产生。在检查中如果发现堆焊层已被磨损，重新堆焊一层耐磨层即可继续使用。或者，堵头8选用非铸造的状态的其他可性锻件材料。因此该结构也能延长弯头的使用寿命。总之，新的结构简单而较传统结构的密封性更可靠，更加适用于各种加热炉的需要。

实际生产制造中，首先，铸造带孔耳11但是不开孔的180°弯头本体7；

其次，整理弯头本体7内外表面后对其内腔充水试压，检验合格。

再次，弯头本体7加工开圆锥通孔及孔耳11上的孔。

第四，加工螺柱9和平衡量。

第五，堆焊堵头8内端面约5mm，焊接前需要将堵头8预热到足够合适的温度，堆焊后保温消除应力，对堆焊部位进行着色检查，看是否存在裂纹或其他缺陷。

第六，精加工堵头8，使其锥形密封面与弯头本体7上圆锥通孔的圆锥面相配，通过红丹研磨判断其贴合程度达95%以上。

第七，组装弯头整体，再进行一次内腔充水试压，检验堵头8的密封性能，如有渗漏应修整，直到合格。

第八，组装加热炉时，严格按设计图纸要求的排管方式组对焊接炉管和弯头，该组对焊接接头应经射线检测内部、经着色检查外表面，确认不存在不允许的缺陷。

最后，加热炉的其他建造方式与传统工艺相同。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。