新型低温管道出保冷箱密封结构

2018-01-20梁银峰

低温与特气 2017年6期

梁银峰

(西安陕鼓工程技术有限公司，陕西西安 710000)

随着科学技术的发展和生产能力的提高，空气分离装置产量的不断提高。对于设备、管道等残留低温液体的排放管，不凝气的排放管等这些间断性低温管道的直径越来越大，低温排放时间也越来越长。因此现有的管道出保冷箱的密封结构已经不能满足设计要求。本文通过对比分析，介绍一种新型的低温管道出保冷箱的密封结构。

1 管道穿出保冷箱现有三种形式

1.1 换热器箱顶常温气体管道

对这种常温管道穿出保冷箱现在一般采用“连接件”(图1a)或“浮动套”(图1b)的设计形式。

a．连接件结构 b.浮动套结构

1.2 间断性低温气体吹除、液体排放管道

对于这种管道穿出保冷箱现在一般采用“贴面法兰”(图2)的设计形式。

图2 贴面法兰结构

1.3 常流低温气体、液体管道

对于这种管道穿出保冷箱现阶段采用发泡(图3)，来达到保冷密封作用。

图3 发泡结构

2 “间断性低温吹除排放管道”密封结构缺陷分析

对常温管道出保冷箱的密封结构“连接件”或“浮动套”都不会出现保冷不良、保冷箱挂霜以及密封不严的问题，这两种结构完全能够满足设计要求。对于间断性低温吹除排放管道，由于现场安装条件、运行状况等因素，贴面法兰很难达到良好的密封性，经常出现漏气漏砂的现象。随着空气分离装置生产能力的不断提高，对于设备、管道等残留低温液体的排放管，不凝气的排放管等这些间断性低温管道的直径越来越大，低温时间也越来越长。长时间排液容易导致冷箱冻裂，而冻裂这种情况在大空分尤为明显，存在严重的安全隐患。因为普通碳钢(如Q235B)在低温状况下金属的机械性能开始下降，温度越低，性能下降越明显，发生冷脆的可能性越大，一旦发生冷脆直接影响所在区域的安全性[1]。先前有项目的间断性低温吹除排放管道也采用发泡结构，但由于现场施工条件受限，发泡质量不过关。密封性不理想，而且这种结构多在冷箱底部，来往人多，影响保冷箱美观。

3 新型密封板结构介绍(图4)

铝(不锈钢)管道与序号4密封焊接。序号1与冷箱面板密封焊接。序号1、2、3、4之间用螺栓连接。

1. 不锈钢板δ=2mm； 2. 不锈钢板δ=4mm； 3. 改性聚四氟乙烯垫片δ=4mm； 4. 铝板或不锈钢板δ=5mm

图4新型密封结构

Fig.4 New seal structure

传热是一种复杂现象。从本质上来说，只要一个介质内或者两个介质之间存在温度差，就一定会发生传热。我们把不同类型的传热过程称为传热模式。物体的传热过程分为三种基本传热模式，即：热传导、热对流和热辐射[2]。在保冷箱内填充满了固体的珠光砂，限制了密封气体的对流，同时又是低温状态，热对流和热辐射与热传导对比，传热影响就微乎其微。

表1 ANSYS Workbench相关计算参数

计算热传导的速率方程就是傅立叶定律：

Qx(W/m2)是与传输方向相垂直的单位面积上的热流速率。它与在该方向上的温度梯度成正比，其中的比例系数k就是介质的热导率，是物质最基本的物理性质之一。不锈钢(06Cr19Ni10)材料的导热率仅为碳素钢(Q235B)材料导热率的1/4。同时2 mm厚的不锈钢板在满足密封结构强度的前提下减小了传热截面积。因此此密封结构充分利用不锈钢板传热和耐低温的特性，解决了冷箱箱板冻裂和挂霜的现象。

4 新型密封板优点分析

保冷箱内装填珠光砂是为了限制冷箱内密封气的对流，对流将导致冷损。正常运行时，冷箱内珠光砂及孔隙内的密封气存在一个温度场，如果冷箱有缝隙，冷箱内压力降低，为了保持冷箱压力，将向冷箱充污氮气，而冷箱内处于温度场较低温度区的密封气将向冷箱壁流动，最终将导致冷箱挂霜。吹除排放管道处于冷箱下部，而此处箱内低温管道较集中，容易出现此类问题，所以新设计的结构将贴面法兰的“线密封”改为了改性聚四氟乙烯垫片的“面密封”。

在排液过程中，排液管道周围的低温区将扩散成较大区域，长时间排液、将导致碳钢箱板冻裂。为了解决此问题，新结构将管道周围的碳钢板换成了不锈钢板，为了得到不锈钢板的最小尺寸，最大程度减少不锈钢板用量，采用先进的ANSYS进行传热模拟计算，得出了管道周围温度场，将不锈钢板、碳钢板连接处的温度控制在碳钢可以耐受的温度之上。在模拟中发现，四氟垫片内温度梯度较大，对传热有明显阻碍作用，另外不锈钢板的厚度也是影响低温扩散区的一个重要因素，所以，垫片压紧处钢板仍用厚板，但是之外的区域用薄不锈钢板，这样还可以节省材料。

考虑到安装环节，铝管和铝板的焊接热影响区可能会影响到改性聚四氟垫片的性能，进行了验证性试验，由于铝材良好的导热性，连续焊接过程中，焊接热量尽快扩散，并没有使改性聚四氟垫片发生变形。

5 ANSYS Workbench对本密封结构进行建模分析

1．ANSYS Workbench steady-state Thermal中相关参数设置见表1。铝管内为低温液体(液氧或液氮)故其内表面温度设置为-196℃，环境温度为5℃，空气对流换热系数为10 W/(m2·℃)。

2．用steady-state Thermal模拟结果见图5，由温度云图可以看出即使在铝管温度-196℃，环境温度5℃，空气对流换热系数10 W/(m2·℃)这样苛刻的条件下保冷箱Q235B面板的温度为2.9℃，符合Q235B材料的使用要求。Q235B作为重要承重结构，其承受静载荷及间接动载荷时，使用环境温度应高于-20℃[3]。