丝堵式空冷器管束密封技术研究

杨峰

摘 要：管束产品的运行情况为整个设备运行的核心部分。文章对空冷器管束丝堵密封技术进行深入研究，分析影响密封重要因素，并阐述在设计制造中重点问题的解决方案，以便于现场运行时，减少维修提高运行效率。

关键词：密封面；丝堵；垫片；丝堵板

中图分类号：TK172 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0152-02

Abstract： The operation of the pipe bundle product is the core part of the whole equipment operation. In order to reduce maintenance and improve operation efficiency， the sealing technology of air cooler bundle wire is studied in depth， the important factors affecting sealing are analyzed， and the solutions to the key problems in design and manufacture are expounded in this paper.

Keywords： sealing surface； wire plug； gasket； wire plug plate

1 概述

对于石油、化工、发电行业中所用空冷器，往往因丝堵密封稳定性问题导致泄漏，影响设备正常运行，然而对于如何提高丝堵密封的稳定性、安全性问题尤为重要，因此针对影响丝堵密封重要因素进行深入分析，以确定重点、难点问题的解决方案。

2 丝堵密封原理分析

空冷器丝堵密封结构是一种榫槽型密封方式，它是由一榫面（丝堵密封面）和一槽面（丝堵板密封面）相配合而形成的，垫片置于槽内，由于垫片较窄，压紧面积较小，能够产生较高且均匀垫片应力，受介质冲刷和腐蚀倾向少，因此能够适用于高温、高压、高腐蚀工况场合。

丝堵密封机理是在丝堵-垫片-丝堵板连接中，通过对丝堵施加压紧载荷，以产生压紧应力，提高垫片与丝堵板密封面的接触程度，当应力增大到足以引起表面产生明显的塑形变形时，就可以填补丝堵板密封面的微小凹凸不平，堵塞泄露通道，从而实现密封。其连接形式见图1。

3 影响丝堵密封重要因素

3.1 垫片选择

丝堵是否能够可靠密封，其中最重要因素之一就是垫片材料的选择，不同材料的垫片在相同载荷压缩当量下，垫片的应力是不同的。丝堵密封结构垫片的选择应根据工况环境的温度、压力以及密封介质种类、化学性能、物理性能等综合考虑。一般要求垫片材料不污染设备介质、具有较好的变形能力和回弹力。垫片的耐用温度应大于实际操作温度，且在温度波动较大时不易变质硬化或软化。

空冷式换热器丝堵密封一般采用：（1）金属平垫片，是目前应用广泛的一种密封垫片。在空冷器中一般采用碳钢软铁、不锈钢或耐腐蚀含有微量元素的合金材料，能够适应高温、高压、高腐蚀工况；（2）波齿形垫片，将金属不锈钢平垫片的两接触面利用車床加工出同心、间隔均匀的沟槽，并将柔性石墨、蒙乃尔或其它一些软金属，附着在两沟槽面上，在较低的预紧力下作用下，表面附着材料将垫片与丝堵隔离避免直接接触且与二者紧密的结合，在较高的载荷下保护了丝堵密封面与丝堵板密封线不被损伤。在空冷器中波齿形垫片一般用于高温、高压，低腐蚀工况条下；（3）金属缠绕式垫片，由W形、V形薄钢带均匀环向交替缠绕，在每层钢带之间填充能够耐高温、高压的软性材料，此种垫片回弹性极好，且通过不同材料组合，可解决各种介质对垫片的化学腐蚀问题，其结构缠绕密度、填充介质厚度、钢带高度可依据不同的锁紧力要求来制作，以加强加强主体承载力和准确定位，在空冷器中金属缠绕式垫片一般采用石墨+316L材料组合，适用于高温、高压、交变工况下，并能够适应密封面的表面精度要求不高状态。

3.2 丝堵孔螺纹加工

在整个空冷式换热器丝堵孔螺纹加工中，通常采用的方法有丝锥加工与螺纹铣加工，其均有各自有优缺点，根据加工材料、螺纹公称直径、丝堵孔结构以及所适用的工况不同进行选用。其中丝锥攻丝具有相对较低加工成本优势目前普遍使用，但又因为其在攻丝的过程中，由于受应力大，速度较低，而且还必须反向退刀等因素容易导致折断、崩齿、磨损过快加工尺寸不稳定、螺纹表面粗糙度大等不利因素，因此在使用过程中常常受到限制，随着数控加工技术的不断发展，螺纹铣加工技术越来越多的在空冷器制造中使用，其原理是通过数控机床的三轴联动加工模式，利用螺纹铣刀进行螺旋插补铣削而完成的。螺纹铣相比于传统丝锥优点在于：（1）度高、光洁度好，螺纹铣刀以刀补实现精度，可以实现所需要的精度等级；（2）对于孔直径较大、板较厚的丝堵孔，螺纹铣刀的加工效率高于丝锥；（3）不怕折断，丝锥折断后取出难度大，且存在丝堵孔重新补焊修复风险，螺纹铣刀不会因扭力过大折断，即使人为折断也容易取；（4）螺纹铣刀非全齿接触切削，机床负载和切削力都比丝锥小；（5）相同螺距不同直径的螺纹孔，丝锥需要更换几支，螺纹铣刀可通用，一把螺纹铣刀可以加工一定范围的孔径，而不是只能加工一个尺寸的螺纹。且一把丝锥只能生产一种旋向（左旋或右旋）的螺纹，这是在丝锥上已经磨好的。（6）对于盲孔加工时，由于丝锥端头存在锥度，无法加工至孔根部，且最后几扣不是有效螺纹，在孔的其余深度留下未完成的螺纹，螺纹铣刀有平的底部，不存在这个问题。它能向下更深，加工出完整的螺纹，更接近同样盲孔的底部。（7）螺纹铣刀切削为粉末状短屑，丝锥加工为螺旋状铁屑，容易缠刀。

针对以上优缺点对比空冷器螺纹铣加工与丝锥加工适用范围可按如下区分：（1）对于常规螺纹孔M30×2、M36×

2一般采用丝锥数控加工，对于公称尺寸较大丝堵孔M42×2、M56×2采用螺纹铣数控加工；（2）对于碳钢、耐热钢材料采用丝锥数控加工，不锈钢、合金钢采用螺纹铣加工；（3）对于螺纹通孔且丝堵板厚度小于等于50mm的一般采用丝锥数控加工，而双丝堵密封形式或板厚较大的可采用螺纹铣加工。

3.3 尺寸配合

对于丝堵、垫片、密封面尺寸配合一般原则为：（1）垫片厚度与丝堵板密封槽深度、丝堵密封平台高度匹配，防止丝堵与丝堵板非密封面接触，影响密封面间接触干涉；（2）垫片内外径与丝堵板密封槽直径、丝堵密封面直径匹配，保证垫片在安装过程中能够对中，不出槽、不偏槽，丝堵密封面能够与垫片完全接触，不偏压；（3）尺寸公差匹

配。对于三者匹配尺寸可参照表1。

3.4 安装力矩

在丝堵安装过程中，垫片与密封面之间产生一定的垫片预紧力，其大小与装配垫片时的预压缩量以及垫片的变形特性有关，而其分布状况与垫片截面的几何形状以及变形有关，从理论上讲垫片预紧应力越大，垫片中储存的弹性应变能力也越大，因而补偿丝堵板密封面分离和连接松弛的能力也越强。密封性随垫片的压缩变形而变化，配合期间首先接触的是表面最突出部分，如毛刺、颗粒状杂物。在预紧力加载初期，因局部载荷很大，这些突出部分很快被压平或嵌入凹陷部分，此时尽管垫片产生了一定的压缩变形，但仍未达到很好的密封，在此阶段，配合表面大部分呈自由状态，间隙很大，基本上没有密封能力，尚不能构成初始密封，当继续加载预紧载荷，配合面间波峰、波谷相互穿插、嵌合，微小间隙逐渐减少直至配合面吻合，在该阶段中流道截面随预紧力增加而減小，流到阻力随之增大，即增加预紧力载荷可有效控制、提高丝堵密封可靠性，因此合理控制预紧力对丝堵起到关键作用，其可按式（1）进行计算。

T=K0KFd=K0KδSASd=0.785K0KδSd（D12-D22） （1）

其中，D1-垫片外径，mm；D2-垫片内径，mm；AS-垫片横截面积，mm2；δS-垫片材料屈服强度，MPa；K-拧紧力矩系数，取0.13～0.15；K0-丝堵与丝堵孔密封面接触系数，取1.3；F-丝堵预紧力，N；T-丝堵拧紧力矩，N·m。系数K0的变化范围很大，与丝堵板丝堵孔润滑状态有关，一般取0.2-1.0，根据丝堵板材质不同、螺纹加工方法不同选择润滑剂或抗咬合剂，润滑越好系数K0取值越小，一般采用经验值或通过模拟试验测得。

在丝堵安装过程中应注意：（1）垫片尽量与丝堵孔对

中，防止偏口密封宽度减小；（2）垫片安装前检查密封面是否光洁、有无机械损伤、径向刻痕或锈蚀；（3）必须均匀、匀速施加预紧力；（4）紧固后采用扭力矩扳手进行校验证；

（5）丝堵孔螺纹适当涂抹润滑剂或抗咬合剂。

4 结束语

在空冷器设计制造中对影响丝堵密封重要因素进行严格质量控制，并通过不断优化改进来提高丝堵密封稳定性，更好地保证设备平稳运行。

参考文献：

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