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| 編輯推薦： |
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《热交换器密封技术与失效影响因素》内容与能源、减排、碳达峰、碳中和高度相关。在能源、石油化工等领域大量使用热交换器、承压设备、压力容器，为控制这些设备中的介质向大气排放，设备密封的设计、制造、使用、维护、监测等各环节涉及很多技术问题。本书作者通过长期企业一线技术资料积累和对相关文献融会贯通，系统地总结了热交换器、承压设备密封的12个技术专题。
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| 內容簡介： |
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《热交换器密封技术与失效影响因素》研究了管壳式热交换器主体密封的失效及泄漏问题，综述了与管壳式热交换器主体密封相关的质量技术，特别是按常规设计的密封失效影响因素及技术对策。本书从密封失效的表现及基本影响因素、密封失效的技术因素、新型垫片的结构功能因素、工程建设及设备管理因素四个方面对相关技术问题进行归类，展开讨论了金属平垫片综合安全系数、平垫的几何尺寸、设备法兰及接管连接外密封、设计制造工序的质量技术、垫片结构质量关联的密封、换热工况参数的优化设计、热交换器的组装和维修对密封的影响等问题，结合实例和插图加以说明，拓展读者对上述密封问题的了解，加深读者对密封技术的认识，为解决工程中的密封问题提供指引。 本书可作为能源、石油化工、煤化工、化工等领域承压设备工程技术人员进行继续工程教育及从事热交换器（换热器）、承压设备密封研究、失效分析、改进设计、制造质量保证和检修维护等工程实践的参考书，也可适用于相关专业研究生教学。
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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”，中国机械工程学会压力容器分会与广东省机械工程学会压力容器分会常务理事，全国锅炉压力容器标准化技术委员会专家，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，广东石油化工学院与茂名职业技术学院客座教授，压力容器规则设计和分析设计审批员，《压力容器》《石油化工设备技术》编委会委员。出版专著3部。
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| 目錄：
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第1篇 热交换器主体密封的失效及基本影响因素
第1章 管壳式热交换器的密封失效现象 3
1.1 管程外漏或壳程外漏 3
1.1.1 设备法兰与管板之间的外漏 3
1.1.2 管箱端盖处的外漏 5
1.1.3 螺塞的外漏 6
1.2 垫片相关问题 6
1.2.1 垫片及紧固件质量问题 6
1.2.2 垫片安装问题 8
1.2.3 垫片选材问题 11
1.2.4 运行载荷对垫片的损伤 12
参考文献 12
第2章 环形平垫的安全系数及其许用压力 13
2.1 垫片密封效果的影响因素 14
2.1.1 载荷因素 14
2.1.2 结构因素 15
2.1.3 垫片自身特性因素 16
2.1.4 科研因素 17
2.2 垫片的组合特性 18
2.3 垫片密封安全系数 19
2.3.1 垫片紧密度及垫片强度安全系数 20
2.3.2 垫片综合安全裕度 21
2.3.3 垫片密封安全系数的应用 22
参考文献 23
第3章 环形平垫的几何尺寸 26
3.1 垫片初始宽度设计 27
3.2 垫片的理论宽度与实际宽度 29
3.2.1 垫片宽度相关概念 29
3.2.2 垫片主要宽度概念的关系 31
3.3 垫片宽度的影响因素及对策 33
3.3.1 人为因素的不确定性对垫片宽度的影响 34
3.3.2 结构因素对垫片宽度的影响 34
3.3.3 系统因素对垫片宽度的影响 35
3.3.4 质量因素对垫片宽度的影响 36
3.3.5 隔板因素对垫片宽度的影响 37
3.3.6 垫片有效密封宽度修正 38
3.4 垫片设计技术对策 41
3.4.1 垫片宽度对策 41
3.4.2 垫片直径对策 42
3.4.3 垫片厚度对策 43
3.4.4 垫片结构改良 44
3.5 垫片制造技术条件 47
参考文献 47
第2篇 热交换器主体密封失效的技术因素
第4章 热交换器的外密封 51
4.1 热交换器设备法兰密封 51
4.1.1 螺柱法兰连接密封失效的设计因素及对策 52
4.1.2 螺柱法兰连接密封失效的动态干扰因素及对策 63
4.1.3 螺柱法兰连接密封失效的结构因素及对策 70
4.1.4 螺柱法兰连接密封失效的制造偏差因素 79
4.2 管板周边的密封 80
4.2.1 管接头焊接的影响 80
4.2.2 管板与壳程筒体焊接的影响 80
4.2.3 U形壳热交换器管板的密封 85
4.2.4 管板密封面质量检测 86
4.2.5 管束反向设计制造的偏差 87
4.3 热交换器人孔密封 92
4.3.1 制造工艺人孔的焊接密封 92
4.3.2 检测维修人孔的螺栓强制密封 93
4.3.3 高压蒸汽的反向内压自紧密封 93
4.4 热交换器接管密封 94
4.4.1 螺柱法兰强制密封 95
4.4.2 焊接密封 96
4.4.3 螺纹连接 96
4.4.4 叠装热交换器的开口连接 97
4.4.5 填料函密封 98
4.4.6 耐压试验卡板密封 98
参考文献 100
第5章 设计制造工序的质量技术 103
5.1 设计质量技术经验点滴 103
5.1.1 高压热交换器密封结构的螺柱载荷 104
5.1.2 浮头管箱端支持板的形位要求 104
5.1.3 管板径向延伸与管箱法兰配对时的厚（刚）度差要求 105
5.1.4 分段式循环气冷却器设计的热膨胀分析 106
5.1.5 固定端鞍座位置的调整 107
5.2 结构材料对环形垫压紧力的影响 108
5.2.1 管箱局部结构对密封的影响 108
5.2.2 紧固件对环形垫压紧力的影响 109
5.3 制造质量技术经验点滴 110
5.3.1 某制氢装置蒸汽发生器的关键制造技术 110
5.3.2 大型热交换器壳体制造过程的刚度要求 110
5.3.3 热交换器制造中膨胀节的维护 112
5.3.4 各种加工变形的防治对策 113
5.3.5 垫片的各种损伤及防治对策 113
5.4 螺塞密封问题 114
参考文献 115
第3篇 热交换器新型密封垫的质量检验及结构功能因素
第6章 密封垫质量技术对密封的影响 119
6.1 复合石墨波齿金属垫的质量状况 119
6.1.1 产品结构及其标准 119
6.1.2 垫片性能分析 122
6.1.3 垫片应用验证 123
6.1.4 材料的工况适应性 125
6.1.5 结构的影响 126
6.1.6 技术对策 127
6.2 复合石墨波齿金属垫质量保证技术对策 128
6.2.1 质量管理问题分析 128
6.2.2 垫片骨架结构检测 130
6.2.3 垫片骨架机械性能检测 132
6.2.4 垫片复合层检测 132
6.2.5 设计技术对策 133
6.2.6 制造关键工艺 134
6.2.7 采购技术对策 135
参考文献 135
第7章 双层金属垫的密封功能分析 137
7.1 双层金属垫的结构及功能 137
7.2 双层金属垫自紧密封作用的内压下限分析 140
7.2.1 双层金属垫片密封压紧力分析 140
7.2.2 垫片间隙获得内压作用的计算式 142
7.2.3 双层金属垫自紧作用的可行性 144
7.2.4 双层金属垫自紧作用的影响因素 146
7.2.5 双层金属垫内压自紧密封的适用下限 147
7.3 双层金属垫自紧密封作用的内压上限分析 148
7.3.1 结构尺寸对双层金属垫自紧性密封的影响 148
7.3.2 内压作用下双层金属垫的密封行为力学分析 149
7.3.3 垫片金属环张开自紧的计算压力 152
7.3.4 计算压力存在张开自紧有效值的物理意义 156
7.3.5 垫片金属环自紧密封的计算压力 156
7.3.6 双层金属垫内压自紧密封的结论 159
7.3.7 面向工程的应用研究 160
7.3.8 面向工程的理论研究 162
7.4 双层金属垫自紧密封的图解分析 163
7.4.1 内压作用下无组焊双层金属垫的力学行为 164
7.4.2 内压作用下双层金属垫的力学行为分类 164
7.4.3 双层金属垫自紧性的图解分析 166
7.5 其他因素对双层金属垫密封行为的影响 171
7.5.1 高温下垫片的等效回弹量 171
7.5.2 问题讨论及有待研究的专题 172
参考文献 175
第8章 金属隔膜密封垫片 176
8.1 金属隔膜密封的结构及其适用性 176
8.1.1 球面隔膜的结构特点 177
8.1.2 球面隔膜的优缺点 177
8.1.3 工况上适于高参数动态密封结构 179
8.1.4 结构上普遍适用于各种开口密封 180
8.1.5 隔膜密封结构的经济性分析 185
8.2 高压作用下热交换器管箱球面隔膜密封结构设计分析 188
8.2.1 隔膜的受力变形及其设计关键 188
8.2.2 敞口管箱密封端口径向位移的求解 189
8.2.3 球面隔膜弹性补偿结构设计 193
8.2.4 结构功能设计的基本技术路线 198
8.3 高温作用下热交换器管箱球面隔膜密封结构设计分析 199
8.3.1 高温对管箱隔膜密封的影响 199
8.3.2 高温高压组合载荷作用下的径向补偿量分析 202
8.3.3 结构功能设计的完善技术路线 205
8.4 热交换器管箱球面隔膜密封焊缝受力分析 206
8.4.1 高压作用下球面隔膜密封焊缝的受力分析 207
8.4.2 高温作用下球面隔膜密封焊缝的受力分析 210
8.4.3 平面隔膜密封变形分析 210
8.4.4 基本结论和技术要求 211
8.5 管箱密封金属隔膜的应力分析 212
8.5.1 圆平板隔膜的应力分析 213
8.5.2 球面隔膜的应力分析 215
8.5.3 球面隔膜的总应力及主要结论 219
8.6 球面隔膜密封式热交换器管箱中隔板的设计 220
8.6.1 小直径管箱隔板 221
8.6.2 大直径管箱隔板 225
8.7 热交换器管箱球面隔膜密封关键结构的制造技术 227
8.7.1 球面隔膜设计 227
8.7.2 管箱端部设计 229
8.7.3 密封紧固件设计 230
8.7.4 管箱端盖设计 231
8.7.5 组装技术 232
8.7.6 焊接设计 233
8.7.7 检修时的焊缝去除及坡口加工 234
参考文献 235
第9章 热交换器的径向密封 238
9.1 双锥密封 238
9.2 径向受载密封 239
9.3 金属环垫密封 240
9.4 O形环轴径双向密封 241
9.5 C形环双径向密封 242
9.6 异形环密封 243
9.7 填料函密封 245
9.8 隔膜焊接密封 246
参考文献 246
第4篇 热交换器密封的工程技术管理因素
第10章 热交换器密封的技术基础与工程管理 248
10.1 设备结构的适应性 248
10.2 密封技术管理 251
10.3 工程及质量管理 254
10.4 沟通协调管理 255
10.5 技术专题研究 256
参考文献 260
第11章 换热工况参数的优化设计 262
11.1 容器和机械专业常用软件 262
11.2 工艺设计计算类型及基本方法 263
11.3 工艺计算智能化的智能问题 265
11.4 工艺计算智能化的工艺问题 268
11.5 工艺计算智能化的发展 270
11.6 换热工艺设计智能软件技术 271
11.6.1 国际通用工艺设计计算软件 271
11.6.2 国内通用工艺设计计算软件 274
11.7 工艺和多功能软件 275
11.8 设备工艺计算 276
11.9 设备成本计算 278
11.10 多因素综合设计分析 278
11.11 值得关注的新课题 280
参考文献 281
第12章 热交换器的组装和维护对密封的影响 283
12.1 热交换器组装技术 283
12.1.1 安装载荷因素 283
12.1.2 安装对中因素 288
12.1.3 密封系统的上紧操作 289
12.2 热交换器的维护 293
参考文献 296
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| 內容試閱：
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承压设备领域中分别以石油化工各种典型设备结构功能及其设计、密封配件及材料、失效分析理论及案例等为主题的手册或者汇编已不鲜见。密封技术对装置运行安全和环境保护有重要影响，是各种炼油和化工装置管理的重要内容。针对管壳（列管）式热交换器这一种设备，围绕其主体密封质量技术及失效这一专题进行讨论，进而对这一专题贯穿工程管理、设计、制造、运行、维护等相关过程进行综合述评的书很少见，由企业员工特别是设备制造厂技术人员总结编写的迄今未见。我们有必要努力填补这块空白，目的是构建一个新的视角平台，通过与业内同行、业外热心者的交流，加深对这一密封质量技术的了解，纠正传统认识上的误解，消除关联专业之间的盲点，增进关联企业相互的理解，提升项目合作者的信心，共享技术经济发展成果。
为了达成上述愿望，首先需要确定这一专题的研究范围和技术方法，分析工程项目现象和质量技术本质。热交换器大家族中即便是管壳式热交换器也有多种形式，其密封结构及工艺要求也各不相同，面对诸多新的专业背景，需要聚焦研究的实物对象。按照GB/T 151—2014标准的名称，这里的分析对象称为热交换器，而不称换热器，但讨论的内容会超出该标准的范围，既涉及管壳式热交换器，也包括管壳式冷却（凝）器和固定管板式废热锅炉（蒸汽发生器）。发夹式热交换器属于管型热交换器中管壳式热交换器的一种，也是讨论对象之一。本书涉及的对象虽然不包括螺纹锁紧环密封热交换器、核电蒸汽发生器和高温急冷热交换器等具有独特结构或者技术个性的设备，但是在条件近似时，其中与普通热交换器相通的有关技术也会引为知识背景。鉴于密封技术因素的复杂多样性，工程项目建设中有关密封的设备管理技术也被适当强调以供读者借鉴。
本书的主要目的不是面向未来创造管壳式热交换器的密封新技术，而是面对过去、针对当下专业技术的不足，补充一些经验知识，融炼一种综合技能，从失效现象逐步追溯到问题的根源，获得对常见泄漏现象的进一步认识。通过读者的努力和本书的帮助，对每一次泄漏失效现象清晰地描述出一条包括如下七个环节紧密相扣的认知路径：该密封的目的，为实现目的的结构材料选择，结构材料是否具备相应的功能，功能依托的技术原理及影响因素是否明确，相关技术的背景及其应用条件是否合适，是否有运行参数的偏离或意外因素的影响，如何改进等。
通过七个环节的规程性分析过程，可以一定程度上避免直接追求失效原因的功利性心理所带来的先入之见；按部就班的分析过程是一种隐形的逻辑判断，较功利心理的反向求证性推理在思路开拓上更广，在因素本质上更深一点，在步骤关系上更可靠一点。因此明确研究的技术方法：第一，对相关现状有一个全面的了解和扎实的认识，基于已有的学科教材和专业技术标准的基础性内容，也为了有别于传统著作的专题性内容，坚持紧贴工程实践，筛选一些主观或客观上存在而又容易被忽视的问题进行探讨；第二，综述新的专题资料，在已有技术及产品的基础上进一步探讨其工程应用中的力学本质，找到技术原理的物理模型，通过数学模型的方式来表达因素关系，努力探讨其定性及定量关系；第三，分析热交换器千差万别的现场泄漏问题，从背景不一的案例中挖掘其特殊性进行深入剖析，或者努力从背景相似甚至相同的现象中找到普遍性和技术对策；第四，在此基础上进行密封技术规律性的探讨，所获成果定位于对原有密封技术知识体系的补充和完善。
本书按4篇12章的结构展开，部分内容作为工程问题的焦点，曾经由笔者提交国内、外期刊公开发表，现在经过重新梳理，与新的成果组织到一起，紧密了各焦点问题之间、新旧内容之间的联系，体现全书的完整性。
第1篇专题是热交换器主体密封的失效及基本影响因素，分为3章。第1章简介了热交换器的各种密封失效及泄漏现象，案例图片来源广泛，主要涉及石化装置现场。第2章是环形平垫的安全系数及其许用压力，笔者认识到垫片安全系数包括强度安全系数和密封安全系数两方面，试图从密封安全系数这一空白里取得创新。第3章是环形平垫的几何尺寸，强调了垫片结构尺寸在高压法兰螺柱密封设计中的主导性，讨论了垫片11个已被应用的宽度概念，16个实际存在、偶见应用但缺少分析研究的宽度概念，指出了7方面影响垫片有效密封宽度的因素，包括螺柱面积、载荷工况、垫片质量、垫片结构、密封面结构、系统误差和人为操作，通过计算分析了典型的垫片基本密封宽度、垫片接触宽度对其有效密封宽度的影响，综述若干案例经验讨论了修正垫片有效密封宽度计算公式的必要性，并提出了具体建议。
第2篇专题是热交换器主体密封失效的技术因素，分为2章。其中，第4章是热交换器设备法兰密封、管板周边的密封、人孔密封、接管密封等外密封；第5章通过热交换器的7个设计案例和5个制造案例展示了一些工序质量对主体密封的影响。
第3篇专题是热交换器新型密封垫的质量检验及结构功能因素，分为4章。其中，第6章是密封垫质量技术对密封的影响，包括复合石墨波齿金属垫的质量状况和复合石墨波齿金属垫质量保证技术对策。第7章是双层金属垫的密封功能分析，包括双层金属垫的结构及功能、双层金属垫自紧密封作用的内压下限分析、双层金属垫自紧密封作用的内压上限分析、双层金属垫自紧密封的图解分析等内容。在双层金属垫的“内压自紧密封”功能分析中，建立力学模型推导了双层金属垫自由张口位移计算式，即双层金属垫简化模型的数学解析模型，发现了双层金属垫张口位移与内压、垫片宽度三者的定性定量本质关系，并推导了其能够起到自紧作用的最低操作内压以及能够维持自紧作用的最高操作内压，由此发现其适用压力范围及最佳内压，为正确认识双层金属垫提供了帮助，为有效发挥这一新产品的作用提供了指引。第8章是金属隔膜密封垫片，包括金属隔膜密封的结构及其适用性、高压作用下热交换器管箱球面隔膜密封结构设计分析、高温作用下热交换器管箱球面隔膜密封结构设计分析、热交换器管箱球面隔膜密封焊缝受力分析、管箱密封金属隔膜的应力分析、球面隔膜密封式热交换器管箱中隔板的设计、热交换器管箱球面隔膜密封关键结构的制造技术；开发了适用于高参数动态工况状态下热交换器管箱球面隔膜密封技术，包括合理的管箱结构及隔膜密封选择、功能设计技术路线，以计算内压和各种温度作用下管箱端口需补偿的径向位移作为需要通过球形面提供的补偿量来设计球膜拱形高度和球膜球面半径。研究发现，球面隔膜具有四大功效：缩减传统环形平垫两侧的泄漏通道为一侧通道，动态工况变形位移弹性补偿，转移隔膜中间区域的压力载荷集合到周边，周边密封焊可靠且容易拆卸。平面隔膜只是球面隔膜的一种特例，只具有球面隔膜的部分功能。第9章简要地介绍了已有的径向密封现象及最新的一些研究成果，以期引起业内对这一新的专题技术关注。
第4篇专题是热交换器密封的工程技术管理因素，分为3章。其中，第10章是热交换器密封的技术基础与工程管理，包括密封技术管理、工期及质量管理、沟通协调管理和值得研究的专题；第11章是换热工况参数的优化设计；第12章是热交换器的组装和维护对密封的影响，包括热交换器的组装及螺柱上紧技术、热交换器存放及吊运的维护、热交换器的检修和改造。
在各专题的经验总结或技术综述中，笔者注重同行方方面面的成果，特别是实践中所反映的理论，挑明理论和实践的交融痕迹。本书直接或间接、有意或无意提出了很多值得高校院所尤其是研究生们去探讨的课题。密封技术的进步颇具意义，本书对于技术人员从不同的视角了解当前的密封技术是非常值得的，当然这不是热交换器密封技术当前问题的全部。
笔者衷心感谢中国工程院院士、研究员，中国机械工业集团有限公司副总经理、总工程师，国家压力容器与管道安全工程技术研究中心主任陈学东先生，以及我的班主任、全国压力容器学会第五届至第八届委员会理事委员、华南理工大学教授、化工机械与安全工程研究所原所长江楠女士的指导和提携。
笔者从事石油化工设备设计、制造及失效分析38年，愿穷尽毕生精力努力研究热交换器密封技术。对本书中存在的不足之处，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
2022年3月
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