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| 編輯推薦： |
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热交换器在石油化工、能源等领域应用极广，对外部密封研究较多，内部密封资料较少
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| 內容簡介： |
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《热交换器的内部密封及其失效分析》以管壳式热交换器的内部密封失效问题为导向，分别按密封失效的表现、管接头密封的技术基础及技术拓展、内部密封失效的技术因素和运行工艺因素共五个专题，对异侧流程间的密封、同侧流程间的密封、非常规工况的内部密封、热应力作用下的内部密封和换热工况参数的优化设计等11 个小题进行分类归纳，综述了与管壳式热交换器内部密封失效相关的问题，特别是按常规设计的密封失效影响因素及技术对策，并结合实例加以说明，拓展读者对热交换器内部密封问题的了解，加深读者对内部密封技术的认识，为解决内部密封问题提供指引。本书融知识性、科学性与工程实用性为一体，可作为炼油化工及其他化工领域承压设备及工程管理的技术人员进行继续工程教育学习，从事热交换器密封研究、失效分析、改进设计、制造质量保证、设备建造监理和检修维护等工程实践的参考书，也可供相关专业师生使用。
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| 關於作者： |
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陈孙艺1965年生，工学博士，正高级工程师，享受“国务院政府特殊津贴”，全国锅炉压力容器标准化技术委员会固定式压力容器分技术委员会委员，中国机械工程学会压力容器分会常务理事，广东省机械工程学会压力容器分会副理事长，中国石油和石油化工设备工业协会设备标准化分技术委员会委员，中国知网评审专家库与中国设备工程专家库专家，广州市特种设备事故调查技术中心事故鉴定专家，广东石油化工学院客座教授与硕士专业学位校外导师，茂名职业技术学院客座教授与校企合作委员会委员，压力容器规则设计与分析设计审批员，《压力容器》与《石油化工设备技术》编委会委员，出版专著4部。
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| 目錄：
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第1篇 热交换器的工程发展及其内部密封失效的表现
第1章 管壳式热交换器的工程发展问题 003
1.1 管壳式热交换器的技术规范问题 003
1.1.1 技术传统与研究发展的课题 003
1.1.2 建设需求与技术供给的课题 004
1.1.3 工程管理与观念创新的课题 005
1.2 管壳式热交换器的密封分类 007
1.2.1 传统的密封分类 007
1.2.2 内部密封分类 007
1.2.3 内部泄漏的功用 009
1.3 管壳式热交换器内部密封失效的影响因素 010
1.3.1 影响内部密封的全过程管理因素 010
1.3.2 影响内部密封的建造技术因素 011
1.3.3 影响内部密封的工艺技术因素 012
1.3.4 影响内部密封的失效分析因素 015
参考文献 016
第2章 管壳式热交换器内部密封失效的表现 018
2.1 管程和壳程之间的失效及内漏 018
2.1.1 管接头的密封失效表现及分类 018
2.1.2 换热管的密封失效表现及分类 031
2.1.3 管板的密封失效表现 037
2.1.4 浮动管板填料函的密封失效表现 037
2.1.5 浮头盖的密封失效表现 038
2.2 往复流程间的内漏 040
2.2.1 管程各往复流程间内漏 040
2.2.2 壳程各往复流程间内漏 042
2.3 特殊内漏及内漏的预测 043
参考文献 045
第2篇 热交换器特殊管接头的密封技术
第3章 管接头的密封技术 051
3.1 管接头试验分类 051
3.1.1 管接头试验内容分类 051
3.1.2 管接头试验方法分类 052
3.2 管接头试验结果解读 054
3.2.1 检测报告及结果分析 054
3.2.2 胀接工艺评定的误解 055
3.3 特殊热交换器管接头分类及技术对策 057
3.3.1 基于管接头结构特性的管接头分类 057
3.3.2 基于热交换器结构特性的管接头分类 060
3.4 热交换器式反应器管接头的密封 068
3.4.1 与反应器分体式撇热冷却器的管接头 068
3.4.2 与反应器直连式撇热冷却器的管接头 069
3.4.3 与反应器分体内连式热交换器的管接头 071
3.4.4 与反应器一体化式的热交换器管接头 072
3.4.5 热交换器式反应器管接头的壳程防护 076
3.4.6 热交换器式反应器管接头的管程防护 077
3.5 多区段式热交换器管接头的密封 078
参考文献 079
第4章 特殊管接头的焊接工艺评定 082
4.1 管接头的焊接分类及其评定要求 082
4.1.1 管接头的焊接分类 082
4.1.2 胀焊并用的优缺点及最佳方案 083
4.1.3 标准对管接头焊接工艺评定的要求 086
4.2 特殊结构管接头的焊接 086
4.2.1 刚性管束的管接头组焊技术 086
4.2.2 挠性管板的管接头组焊技术 089
4.2.3 复合管与复合管板管接头的焊接工艺评定 090
4.3 特殊材料管接头的焊接 093
4.3.1 管接头焊接技术分析 094
4.3.2 焊接对策 094
4.4 特殊管接头的质量检验 095
参考文献 097
第5章 特殊管接头的胀接工艺评定 098
5.1 管接头的胀接方法及工艺评定的必要性 098
5.1.1 传统的胀接方法 098
5.1.2 创新的缩胀方法 100
5.1.3 胀接试验技术规程的必要性 100
5.2 管接头胀接的材料性能 101
5.2.1 换热管力学性能的差异 101
5.2.2 换热管胀接的力学性能 104
5.3 特殊结构管接头的胀接 107
5.3.1 基于特殊管板的管接头胀接 107
5.3.2 基于特殊换热管的管接头胀接 108
5.3.3 基于特殊制造工艺的管接头胀接 109
5.4 特殊材料管接头的胀接 109
5.4.1 铜材管接头的液压胀接 109
5.4.2 铜材管接头的机电胀接 111
5.4.3 铁素体不锈钢换热管接头的胀接 113
5.5 管接头的橡胶胀接 113
5.5.1 橡胶胀管试验 114
5.5.2 结果分析及技术改进 115
5.6 特殊管接头的密封性要求 116
参考文献 117
第3篇 热交换器管接头密封的技术拓展
第6章 管接头胀接分析及质量技术 121
6.1 管接头胀接分析的模型设计 121
6.1.1 管接头模型分类 121
6.1.2 管接头胀接模型的规范化 122
6.1.3 管接头胀接模型的设计 123
6.2 管接头液压胀接有限元分析 126
6.2.1 液压胀接周向应力分布的星齿图 126
6.2.2 液压胀接轴向应力分布的拱门图 128
6.2.3 液压胀接效果及其影响因素的认识 129
6.2.4 机电胀接数值模拟 131
6.3 管接头液压胀接解析解分析 132
6.3.1 液压胀接压力的相关概念 132
6.3.2 进口胀管机胀接压力计算 136
6.3.3 国产胀管机胀接压力计算 138
6.3.4 国内外胀管机胀接压力的比较 138
6.4 液压胀和机电胀的胀接参数等效性分析 139
6.4.1 机电胀接功率 140
6.4.2 胀管机输入功率 146
6.4.3 管接头胀接枪的胀接压力 147
6.5 管接头的残余应力 148
6.5.1 管接头制造时的残余应力 148
6.5.2 管接头运行工况下的残余应力 149
参考文献 151
第7章 热交换器管接头的高等级要求 153
7.1 高等级管接头的质量技术要求 153
7.1.1 管束管接头防振的特别结构 154
7.1.2 管接头拉脱力设计校核的完整性 155
7.1.3 管接头拉脱力设计校核的制造工艺调适 157
7.1.4 管接头拉脱力设计校核的运行状况调适 161
7.1.5 管接头制造质量特别技术要求 163
7.1.6 管接头质量检验特别技术要求 169
7.2 换热管的防振对策 171
7.2.1 管束的动特性及其振动形式 171
7.2.2 管束直管段的基本防振措施 174
7.2.3 管束直管段的特别防振措施 177
7.2.4 管束U 形段的基本防振措施 180
7.2.5 管束U 形段的各种支持结构 181
7.2.6 管束直段与U 形段的相互协调 187
7.2.7 逆流换热管束支持板的特殊功能 189
7.3 管束中其他振动的对策 190
7.3.1 纵向振动的可能性 191
7.3.2 纵向振动的防治对策 192
7.3.3 振动特性专题研究 198
参考文献 200
第4篇 热交换器内部密封失效的技术因素
第8章 热交换器内部密封的设计 207
8.1 壳程内部密封 207
8.1.1 周向流的隔板密封 207
8.1.2 纵向流的隔板密封 208
8.1.3 旁路挡板密封 210
8.1.4 折流板周边密封 211
8.1.5 折流板管孔密封 214
8.1.6 导流筒挡板密封 217
8.2 管程内部密封 217
8.2.1 管箱隔板密封 217
8.2.2 隔板人孔密封 219
8.2.3 浮头盖隔板密封 220
8.2.4 中心筒调节阀密封 220
8.3 异侧流程内部密封 222
8.3.1 滑动管板的填料函密封 222
8.3.2 管板的内部密封 233
8.3.3 双管板密封及换热管的填料函密封 233
8.3.4 浮头管箱的密封 235
8.3.5 浮头盖的密封 238
8.4 管束的滑动和换热管的微振 240
8.4.1 填料函管束视同固定管板管束设计 240
8.4.2 管束的滑动性 240
8.4.3 换热管的微振磨损 242
8.5 热自紧密封 243
参考文献 244
第9章 热交换器内密封的维护 247
9.1 管束存放及吊运的维护 248
9.1.1 管束存放的维护 248
9.1.2 管束起吊吊具的选用 248
9.1.3 一种保护耐腐蚀管束的吊具设计 251
9.2 热交换器包装及吊耳设计 253
9.2.1 热交换器的包装 253
9.2.2 热交换器吊耳设计 254
9.3 热交换器的检修和改造 255
9.3.1 热交换器的清洗和检验 255
9.3.2 管束的修理和改造 257
9.4 较高温度下典型结构的密封失效 261
9.4.1 较高温度下管接头的密封失效 261
9.4.2 较高温度下法兰的密封失效 265
参考文献 267
第5篇 热交换器密封失效的运行工艺因素
第10章 热交换器温度载荷对密封的影响 271
10.1 热交换器部件的温度载荷及其热应力分析新方法 271
10.1.1 壳体对管束滑动的摩擦约束引起的热应力 272
10.1.2 管板温差热应力 276
10.1.3 换热管的热应力 281
10.2 支座与壳体的相互影响 283
10.2.1 鞍座应力的影响因素 284
10.2.2 等高双鞍座压应力分析 285
10.2.3 特殊鞍座的影响及对策 288
10.2.4 鞍座位置的影响因素 294
10.2.5 立式支座和卧式支座的影响 295
10.3 膨胀节对热交换器安全运行的影响 295
10.3.1 膨胀节的设计关联多种泄漏失效 296
10.3.2 膨胀节的产品质量超差分析 301
参考文献 309
第11章 热交换器非常规工况参数对内外密封的影响 311
11.1 耐压试验特殊工况对密封的影响 311
11.1.1 耐压试验工况下管板强度的校核 311
11.1.2 壳程较低试验压力下的浮头盖密封技术 312
11.1.3 壳程较高试验压力下的浮头盖密封技术 313
11.2 壳程较高温度的浮头结构密封技术 318
11.2.1 浮头盖密封设计的温度因素 318
11.2.2 浮头管箱密封设计的温度因素 319
11.3 设计未预防工况对密封的影响 320
11.3.1 意外工况对密封的影响 320
11.3.2 未预防开停车工况的失效案例 321
11.3.3 常见诱导振动案例分析 322
11.3.4 流体弹性不稳定的特例 325
11.3.5 管板背面空间结构禁忌 326
11.4 简化设计工况对密封的影响 327
11.4.1 计算模型简化的影响 327
11.4.2 设计技术欠缺的影响 329
参考文献 331
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| 內容試閱：
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热交换器是承压设备中具有较多密封结构的一类设备，相关密封技术在整体上需要随着热交换器及节能环保要求的提高而不断丰富和完善。针对热交换器各种密封结构所在位置及泄漏的失效表现，可以把介质在热交换器内部的各种法兰强制密封及非强制性密封归纳为内部密封，把防止介质从热交换器内部向壳体外大气环境泄漏的密封归纳为外部密封。外部密封泄漏常会造成严重的污染甚至燃烧爆炸事件，因而是紧迫的失效形式，化学工业出版社2022 年出版的《热交换器密封技术与失效影响因素》是笔者在这一方面的专著。从密封技术原理来说，热交换器的内部密封技术需要应用大部分的外密封技术，只不过内部密封具有更复杂的工况、有限的结构空间和不便强制密封等周边环境，外部密封则只有大气这一常见的普遍环境，反而使得外部密封相对于内部密封来说实质上成为一种带有简化条件的特例。热交换器管程和壳程之间的内部泄漏也存在引发二次失效的可能，例如高压气体向低压气体泄漏本来就会引起设备及管线的振动，当某些轻馏分烃类液体漏入低压液体中时可能会迅速闪蒸出蒸汽，这种突然的膨胀也会导致压力的波动而形成管线振动。因此我们有必要努力填补内部密封这一领域内的一些空白。本书为《热交换器密封技术与失效影响因素》的姊妹篇，两本书构成热交换器内部密封和外部密封这两个空间关系紧密的结构范畴，集合串联起分散各处的热交换器密封技术。
面对工程上诸多变化的密封问题，已有的相关教材、手册和标准难以逐一明确处理对策，只能给出部分问题的答案，甚至是答案的部分。针对管壳(列管)式热交换器这一种结构普通、功效简明、应用广泛的设备，书中不再详细介绍，读者应已熟悉各种结构功能。其密封问题的关键在于其局部结构及设计的非常之处，制造工艺或运行工艺的特殊之处，这些专业知识常被非专业人员忽视。围绕热交换器内部密封及失效分析这一专题进行研究的专著较为少见，进而针对这一专题贯穿其工程管理、设计、制造、组装、运行、维护等相关过程进行综合述评的专著更加少见。过程装备技术纵向链条薄弱，横向链节缺少催化，难以培育出根深蒂固的发展课题，也无法输送足够横向研究结出硕果所需要的素养。本书的第二个目的就是认真琢磨热交换器内部密封技术的点滴传承，有条理地排布内容，逐一串珠成链。
热交换器无论其内部密封还是外部密封都涉及运行工艺、设备结构和产品质量这三维因素的互动，工艺界定密封要求，结构提供密封基础，质量保证密封可靠。过程装备技术缺乏三维因素的横向融通，难以有技术纵向的积累。作为一种现实需要，本书的第三个目的就是通过专业知识理论、工程问题处置态度、技术道德和企业运营能力等非技术性的黏性因素，将所收集的内、外部密封技术资源再加工后链接成具有生态氛围的网络，作为已有密封技术的补充，为日后逐渐形成一套关于该类设备相对全面、完整的密封技术资料铺垫基础。
本书按5篇11章的结构展开，努力达成各篇章内容在内部密封体系上的完整性。
第1篇是内部密封失效及其影响因素，分为2章。其中，第1章简述了管壳式热交换器的工程管理和技术规范与设备技术持续发展之间的矛盾，并基于流程关系、密封动态和密封效果三个或明或暗的新视角对热交换器的内部密封进行分类，创建了热交换器密封分类及主要影响因素框架图，为各篇章技术分析的铺开设定了路径；第2章结合大量图片简介了石化装置现场换热管和管板之间管接头的20 种密封失效表现，换热管的13 种密封失效表现、管板的2 种密封失效表现，以及浮动管板填料函密封泄漏的失效表现，首次归纳了管壳式热交换器内部密封失效的表现一览表。
第2篇是热交换器管接头密封的技术基础，分为3章。其中，第3章是关于管接头密封基本的技术手段，首创热交换器管接头试验分类图。基于管束结构尺寸、功能和工艺参数以及管接头结构特点对常见大同小异的管束进行16 种细分；再围绕管接头的质量保证提出“一品一策，精益求精”的设计和制造技术对策，以小见大；列举了6 种热交换器式反应器这一具有换热与反应二合一功能设备关键结构及其密封技术，以点带面加深认识。第4章是特殊结构、特殊材料管接头的焊接工艺评定及产品质量检验。第5章是特殊结构、特殊材料管接头的胀接工艺评定，比较了国内管接头胀接强度所依据的力学理论基本概念与国外相关概念的区别，指出了材料性能对胀接效果的影响，列举了不同的取样方法对换热管材料强度性能检测结果存在偏差的问题，并提出了更准确的测算建议。首次对液压胀接和机械胀接这两种常用胀接手段的等效性进行了分析，推导了这两种手段关键工艺参数之间的换算关系式。第4章和第5章在技术对象上聚焦了管接头。
第3篇是热交换器管接头密封的技术拓展，分为2章。其中，第6章是管接头胀接模拟分析质量技术，首次提出管接头模型的分类及其规范化设计，为业内不同分析条件及成果的对比打下基础，从案例展示的管接头三维模型胀接结果中发现了液压胀接残余压应力沿周向分布不均匀的事实。第7章是高等级管接头的质量技术要求，特别是管束的防振结构技术，首次讨论了管束中纵向振动的概念，提出了相关的技术对策，包括加强薄管板的组合式结构，强化管束整体稳固性的双向式拉杆和双头式拉杆结构，提高折流板周边密封性的随紧结构等，以期引起业内对这一新的专题技术关注。第6章和第7章在技术管理上强调了关键结构的品质要求和事前管理理念。
第4篇是热交换器内部除了管接头外其他结构密封失效的技术因素，分为2章。其中，第8章是热交换器管程的内部密封、壳程的内部密封、管程与壳程之间的内部密封，内部板与板、板与壳等结构非绝对性的静密封和微动密封为原创内容，拓展了密封的类型。第9章是内部密封的维护及改造，把内部密封的维护技术从传统的检修环节向前后双向延伸，关联到了设计和运行。
第5篇是热交换器密封失效的运行工艺因素，分为2章。其中，第10章是热交换器热应力对密封的影响，在全书中占有较大的分量，把壳体外4 种特殊结构的鞍座、壳体上的膨胀节和壳体内的浮动管板三个重要零部件关联到同一专题下，形成一个系统的认识。第11章是热交换器非常规工况参数对内外密封的影响，涉及常规标准难以解决的问题，包括较高温度的密封技术、开停车工况的影响、设计未预防的工况、非设计工况、介质杂物的影响和非计划停车工况的影响，特别是还有壳程较高压力的浮头盖密封技术。当浮头法兰密封设计既要满足正常操作时壳程压力大于管程压力的情况，也要满足制造检验及非正常工况下管程压力大于壳程压力的情况时，毫无疑问需要技术创新来协调这一对矛盾。
面对纷至沓来的行业资讯和密封老大难问题应对乏策的矛盾，笔者主要从经历过的建设项目和工程案例当中筛选出能够反映经验价值的内容，再从这些客观内容当中提炼出面向工程、容易理解、便于应用的新概念。本书不讨论乙烯裂解急冷换热器等特殊工艺和螺旋折流板等特殊结构热交换器的密封问题，也无意涉及任何未曾公开的专有技术。热交换器的密封失效问题十分复杂，如果只凭个体的、个别专业的、临时的、初步的或者参照近似案例的分析，难免得出生硬的结论，即便处理对策取得成效，也可能掩盖其他不良因素，导致潜在风险。只有对包括设计、制造、安装和操作使用在内的全过程进行系统的分析，才能避免轻率，找到密封失效的真正原因。笔者建议感兴趣的读者循着本书的参考文献拓展阅读，以弥补本人引用学习的不足，也期待和热交换器的同行交互促进，共同构建具有动态效应的交流平台，让代表设计者或制造者、供应商或业主、用户或研究院中的任一方，能够而且有能力同时代表多方与各方进行平等和深入的沟通，作为局内人一起解决有关密封的问题。即便不能最终找到影响密封泄漏的真正原因和关键所在，通过已有知识起码可以适当界定问题的范围，恰当地向同行提供具有参考价值的有关信息，根据个别问题的指引去寻访答案。
笔者衷心感谢中国工程院院士、国际压力容器学会亚太地区主席、国际机构学与机器科学联合会可靠性委员会委员、中国机械工程学会压力容器分会与材料分会荣誉主任委员、华东理工大学科协主席涂善东先生，以及中国工程院院士、中国机械工程学会压力容器分会主任委员、全国锅炉压力容器标准化技术委员会委员、“长江学者”特聘教授、国际氢能协会规范标准专业委员会主席、国际标准化组织氢技术委员会（ISO/TC97）特别顾问、浙江大学氢能研究院郑津洋先生的关爱、指导和帮助。
笔者从事石油化工设备理论学习、产品设计、制造及失效分析40 年，愿为管壳式热交换器持续发展的技术体系添砖加瓦。对书中的不当之处，恳请读者指正。
陈孙艺
董事 副总经理 总工程师
茂名重力石化装备股份公司
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