热管锅炉隔板密封结构探讨及优化设计

(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003)

随着节能减排工作的深入推进，热管作为一种高效传热元件得到了广泛应用。热管式锅炉以其特有的优势，在余热回收、低品位热能利用等方面发挥了重要作用。

隔板密封结构是热管中间隔开冷、热流体通道的密封装置。由于热管管外一般带有强化传热的翅片，因此热管与隔板之间的密封结构便成了热管锅炉的一个设计难点，其密封效果对锅炉性能及可靠性有重要影响。关于隔板密封，国内外都进行过大量的研究，提出了许多密封形式，但均存在密封不严、拆装不便、造价高及需要专用模具等问题，在一定程度上限制了热管式换热器的广泛应用。除此之外，由于密封结构的缺陷而经常导致冷热流体泄漏，从而引发装备腐蚀问题。

1 热管密封隔板结构和设计要求

1.1 热管及其密封隔板的基本结构

隔板上密布着按一定方式排列的热管，由于热管要穿过隔板，在隔板两侧均有一定的长度，因此导致了隔板制造的特殊性和安装的复杂性。热管及密封隔板的基本结构如图1所示。

图1 热管及其密封隔板

1.2 密封结构的设计要求

冷热流体泄漏是热管锅炉的常见故障之一，造成泄漏的原因主要有两方面：一是加工精度不够，密封面存在各种形状及尺寸偏差，导致其联接处产生间隙；二是密封结构两侧流体存在压力差，冷热流体通过间隙而泄漏。密封结构的作用就是切断冷热流体的泄漏通道。

为了提高换热效率，热管换热器的管间距一般较小，又要求管子便于拆卸，因此这种密封结构有其特殊性，给设计和制造带来了一些困难。使用场合不同，需要的密封结构设计也不相同：热管锅炉等气液换热设备和不允许相混的气气换热设备，流体之间要求严格密封，必须采用螺纹密封或者焊接密封；热管空气预热器等用于废热回收的流体密封则属于一般性密封，可以采用卡环密封、面密封或螺纹密封[1]。

2 热管隔板的密封方式

2.1 螺纹垫片密封

2.1.1 螺纹垫片密封的特点

螺纹密封的特点是结构简单，制造、安装方便，利于传热。热管上的套管螺纹起到固定作用，只需配备简单的专用工具，即可方便地拆装任何一根热管，适用于需要经常更换热管的场合。

要实现热管的螺纹垫片密封，通常是在热管上焊一段带外螺纹的套管，在隔板的通孔处加工内螺纹或者直接焊接螺母。由于热管锅炉高温侧流体温度较高，为避免螺纹在高温下损坏，一般设计中会把螺纹布置在冷流体中加以保护(见图2)。设计经验表明：安装时在螺纹上涂极细颗粒的铅粉，安装后在螺纹密封部位涂高温防锈漆，有助于此后的检修拆卸。

图2 螺纹垫片密封示意

2.1.2 螺纹密封结构中的密封圈选择

螺纹密封结构中的密封圈应尽量选用O形圈，因为O形圈的密封效果优于普通密封垫片。O形圈密封结构示意见图3。

密封圈材料和形式的选择应考虑密封要求、承压能力、介质腐蚀性和适用温度等方面的因素，其中适用温度是首要因素。不同密封垫片材料的适用温度见表1[2]。

图3 O形圈密封结构示意

表1 不同密封材料的适用温度

2.1.3 螺纹垫片密封的缺点

采用传统的螺纹密封结构,虽然能满足热管拆换方便的要求，但由于腐蚀和变形等原因，其使用寿命有限。因为螺纹有缝隙存在，也容易出现冷热流体的泄漏，这些均影响了热管锅炉的可靠性和经济性。

2.2 传统的焊接密封

2.2.1 传统的焊接密封结构特点

焊接密封是一种可靠的密封方式，可以做到安全、牢固、无泄漏;但这种方式仅仅适用于一端无翅片的热管，其结构形式如图4所示。为了焊接的安全性，热管壁需要一定的厚度，同时应加一段焊接套管。采用电弧焊密封时，热管和套管的壁厚不得小于2 mm[3]；采用钎焊密封时，对两者的壁厚没有严格要求。

图4 套管焊接密封示意

2.2.2 传统焊接密封结构缺点

由于热管密集排列，现场焊接操作困难，因此热管冷侧无翅片的一端长度受限。另外，焊接密封完成后，热管更换将非常困难，不利于后续检维修操作。

3 热管锅炉隔板新型密封结构设计

3.1 新型套管焊接密封结构设计

热管锅炉一侧走高温烟气，另一侧为被加热的水，需要可靠的密封结构。针对热管锅炉设计出的新型套管焊接密封结构如图5所示。

图5 新型套管焊接密封结构示意

先把密封套管焊接在隔板上，严格控制焊接质量，从而起到密封抗压的作用，随后把热管的光管一端插入套管中。为了方便安装热管并保证良好的传热性能，在插入热管前，套管里填充导热性能良好的润滑脂类物质。在此基础上可以采用双重管板，起到隔离密封的作用。

3.2 新型密封结构对传热的影响

从图5可以看出，由于有整体套管的存在，会增加冷侧的热阻，对传热效率带来一定的影响。分析认为，热阻的增加是极其有限的，其对总换热系数UH影响很小，可用式(1)分析计算。

(1)

4 结 语

分析了热管锅炉隔板密封的特点和现有密封结构的缺点，设计了一种密封性好、可靠性高、方便检修更换的热管锅炉隔板密封新结构。这种结构能够有效解决锅炉冷热介质泄漏造成的能量损失和设备腐蚀问题，同时满足高温高压安全稳定运行的要求。分析计算了该结构的传热特性，为今后热管锅炉隔板密封结构的设计和制造提供了新思路。