本發(fā)明涉及機(jī)械工程裝備中的設(shè)計及建造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶自平衡密封堵頭的彎頭及具有該彎頭的加熱爐，特別適用于石油煉制、石油化工、煤化工及其他化工工藝過程對流體介質(zhì)的管式加熱爐。

背景技術(shù)：

(1)傳統(tǒng)加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計及功能

加熱爐是化工裝置中的心臟，管式加熱爐的作用于是將管內(nèi)的介質(zhì)（油料或氣體）加熱至工藝所需的溫度。

如圖1所示，為加熱爐的其中一個模塊，每臺加熱爐由多個模塊上下疊裝而成，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)充分平衡和利用各種熱源。爐體的四面由高大的爐墻1圍成爐膛，爐墻1由工字鋼等型鋼鋼架上鋪焊鋼板，鋼板上分布焊接保溫釘，在保溫釘之間澆鑄入隔熱和耐磨材料。爐墻上安裝有支架用于支撐管板3和5，爐管4穿過帶孔的管板3、5從而被管板支撐住，爐管4可以部分是螺旋翅片管或全部是螺旋翅片管，爐管4設(shè)有出口或入口2，爐管4兩端通過180°的u形彎頭6連通，爐管4內(nèi)流過的是需要加熱的油料，爐管4外面在爐膛內(nèi)垂直從下往上(或水平從左到右、從右到左)流過的是高溫?zé)煔饣驘犸L(fēng)，熱量通過管壁傳給管內(nèi)的油料。

(2)傳統(tǒng)加熱爐的建造技術(shù)及其存在的問題

隨著社會經(jīng)濟(jì)的長期發(fā)展，能源需求激增，開采的原油劣質(zhì)化越來越嚴(yán)重，煉油工藝技術(shù)向高溫高壓深度發(fā)展，使用時爐管內(nèi)壁很容易結(jié)上一層類似焦炭的硬物，影響爐管的換熱效果。對此有兩種處理辦法，一是燒焦去除，二是從彎頭上的開孔伸進(jìn)機(jī)械工具把爐管內(nèi)的硬焦層清除，帶開孔的鑄造彎頭及其加熱爐就是為此而設(shè)計的，當(dāng)然，通過該開孔也可以利用儀器對爐管內(nèi)壁進(jìn)行質(zhì)量檢測，保證加熱爐的安全運行。

傳統(tǒng)的爐管彎頭是由鋼管彎制而成的，因工藝限制該鋼管的管壁較薄，當(dāng)需要在彎頭上開孔再裝配諸多密封零件時，則薄壁彎頭會組焊變形導(dǎo)致強度降低，且密封線短淺，厚壁彎頭不便彎制，只好采用鑄造成形。這樣的鑄造彎頭結(jié)構(gòu)有帶來兩個主要問題：一是開孔的密封；二是鑄造材料疏松不耐沖刷腐蝕。工程界曾使用過這樣的鑄造彎頭，但是彎頭的每個開孔均分別設(shè)置一套專門的密封配件來分別實現(xiàn)每個開孔的密封，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件笨重，容易泄漏，常常需要非計劃停工修理，操作成本高。

由此可見，改進(jìn)已有的堵頭彎頭密封，簡化結(jié)構(gòu)，提高密封可靠性，可以提高加熱爐熱效率及經(jīng)濟(jì)效益，具有很強的工程和社會經(jīng)濟(jì)意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單，提高彎頭密封可靠性，提高換熱效率的帶自平衡密封堵頭的彎頭及其加熱爐。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

提供一種帶自平衡密封堵頭的彎頭，包括u形的彎頭本體，所述彎頭本體的兩側(cè)部均開設(shè)有圓錐通孔，這兩個圓錐通孔處分別設(shè)有用于密封其對應(yīng)側(cè)的圓錐通孔的圓錐形的堵頭，所述彎頭本體設(shè)有支撐組件、平衡梁和兩個螺柱，支撐組件固定在彎頭本體上，平衡梁的中部鉸接于所述支撐組件，兩個螺柱分別安裝在平衡梁的兩端部，螺柱與平衡梁之間螺紋連接，兩個螺柱分別抵住對應(yīng)側(cè)的堵頭以使得所述堵頭密封住其對應(yīng)側(cè)的圓錐通孔。

其中，所述支撐組件包括孔耳、支軸和軸銷，所述孔耳設(shè)有一對，該對孔耳固定在彎頭本體的頂部，所述支軸鉸接于兩個孔耳，所述平衡梁的中部鉸接于所述支軸，所述支軸的兩端部開設(shè)有安裝孔，所述軸銷插在所述安裝孔內(nèi)從而沿軸向?qū)χлS限位。

其中，所述支軸的橫截面為圓形。

其中，所述堵頭的熱膨脹系數(shù)大于所述彎頭本體的熱膨脹系數(shù)。

其中，所述平衡梁的橫截面為矩形，所述平衡梁在縱向以中間為對稱中心對稱兩段折彎設(shè)置。

其中，所述圓錐通孔與所述彎頭本體的兩個端部開口對齊。

其中，所述螺柱與所述平衡梁之間的螺紋為具有自鎖功能的梯形螺紋。

其中，所述堵頭和所述圓錐通孔之間設(shè)置有石墨涂層。

其中，所述堵頭設(shè)置有表面光滑的凹坑，所述凹坑與所述螺柱相對應(yīng)。

其中，所述堵頭的堵住所述圓錐通孔的內(nèi)端面設(shè)有硬質(zhì)耐磨合金層。

一種采用了上述彎頭的加熱爐，包括若干個上下疊裝的模塊，每個模塊均包括爐墻、設(shè)置在所述爐墻上的支耳、所述支耳支承住的管板、所述管板支承住的爐管，所述爐管的兩端部通過彎頭連通。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的一種帶自平衡密封堵頭的彎頭及具有該彎頭的加熱爐，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的兩個堵頭分別對兩個圓錐通孔的密封緊固力之間能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，通過平衡梁和支撐組件形成的杠桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，當(dāng)其中一個堵頭受到彎頭內(nèi)壓或流體的沖擊作用時，該作用力直接作用在堵頭上，是一個不利于密封的推開力，通過堵頭傳到與之相抵住的螺柱上，再作用到平衡梁上，這個推開力通過平衡梁傳到另一個堵頭上，形成對這個堵頭的壓緊力，推開力越大，傳給另一個堵頭的壓緊力也增大，形成相互制約的自我平衡密封，因此能夠有效提高彎頭的密封可靠性能，提高換熱效率，而且該結(jié)構(gòu)整體比較簡單，制造方便。

附圖說明

圖1為加熱爐的一個模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施例中的一種帶自平衡密封堵頭的彎頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的俯視圖。

圖4為圖2結(jié)構(gòu)模擬簡化后的杠桿作用原理圖。

圖5為實施例中的堵頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：

爐墻1；

爐管2、爐管的出口或入口4；

管板3、5；

彎頭6、彎頭本體7、堵頭8、凹坑81、耐磨合金層82、螺柱9、平衡梁10、孔耳11、支軸12、軸銷13；

被加熱的流體從左邊的開口箭頭a進(jìn)入彎頭，然后從右邊的開口箭頭b流出來。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本實施例的一種具有彎頭的加熱爐，該彎頭帶自平衡密封堵頭，如圖1所示，加熱爐包括若干個上下疊裝的模塊，每個模塊均包括爐墻1、設(shè)置在爐墻1上的支耳、支耳支承住的管板3和5、管板支承住的爐管2，爐管2的兩端部通過彎頭6連通。

如圖2和圖3所示，彎頭6包括180°的u形的彎頭本體7，彎頭本體7的兩側(cè)部均開設(shè)有圓錐通孔，圓錐通孔與彎頭本體7的兩個端部開口對齊，這兩個圓錐通孔處分別設(shè)有用于密封其對應(yīng)側(cè)的圓錐通孔的圓錐形的堵頭8，由于圓錐通孔的輪廓與堵頭8內(nèi)封面重合，因此圖中沒標(biāo)記處圓錐通孔，堵頭8的圓錐形密封結(jié)構(gòu)具有補償功能，密封面損傷了可修繕后繼續(xù)使用。彎頭本體7設(shè)有孔耳11、軸銷13、橫截面為圓形的支軸12、平衡梁10和兩個螺柱9，孔耳11設(shè)有一對，該對孔耳11固定在彎頭本體7的頂部，支軸12鉸接于兩個孔耳11，平衡梁10的中部鉸接于支軸12，支軸12的兩端部開設(shè)有安裝孔，軸銷13插在安裝孔內(nèi)從而沿軸向?qū)χлS12限位，左右相互協(xié)調(diào)平衡十分靈活方便，穿過孔耳11的支軸12兩端裝有軸銷13，防止支軸12竄動。平衡梁10的中部鉸接于支軸12，兩個螺柱9分別安裝在平衡梁10的兩端部，螺柱9與平衡梁10之間螺紋連接，兩個螺柱9分別抵住對應(yīng)側(cè)的堵頭8以使得堵頭8密封住其對應(yīng)側(cè)的圓錐通孔。一件180°彎頭本體7上只設(shè)置一對孔耳11，孔耳11與彎頭本體7一起鑄造而成。不需要像傳統(tǒng)那樣需要兩對耳孔，一對孔耳11就能密封兩個圓錐通孔。一對孔耳11的兩塊耳頂之間可以聯(lián)成一體，也可以不連成一體，視彎頭所受內(nèi)壓大小，經(jīng)應(yīng)力分析確定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的兩個堵頭8分別對兩個圓錐通孔的密封緊固力之間能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，如圖2和圖3所示，通過平衡梁10和支軸12形成的杠桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，當(dāng)其中一個堵頭8受到彎頭內(nèi)壓或流體的沖擊作用時，該作用力直接作用在堵頭8上，是一個不利于密封的推開力，通過堵頭8傳到與之相抵住的螺柱9上，再作用到平衡梁10上，這個推開力通過平衡梁10傳到另一個堵頭8上，形成對這個堵頭8的壓緊力，推開力越大，傳給另一個堵頭8的壓緊力也增大，如圖4所示，平衡梁10是杠桿，支軸12是杠桿的平衡支點，f1越大則f2也跟著增大，但是基本有f1=f2和f=f1+f2，形成相互制約的自我平衡密封，因此能夠有效提高彎頭的密封可靠性能，提高換熱效率，而且該結(jié)構(gòu)整體比較簡單，制造方便。

本實施例中，堵頭8的熱膨脹系數(shù)大于彎頭本體7的熱膨脹系數(shù)，是本發(fā)明自平衡密封的另一種含義，堵頭8受熱后其膨脹程度也就大于彎頭本體7圓錐通孔的脹形，起自緊作用。堵頭8和圓錐通孔之間設(shè)置有石墨涂層，石墨涂層細(xì)膩均勻，涂在堵頭8外圓和彎頭圓錐通孔密封面上的石墨在高溫下受熱會膨脹，也具有自緊作用。

其中，平衡梁10的橫截面為矩形，平衡梁10在縱向以中間為對稱中心對稱兩段折彎設(shè)置，從而形成具有彈性的平衡梁10，彈性緩沖高溫變形，彌補熱膨脹變形的影響。

本實施例中，螺柱9與平衡梁10之間的螺紋為具有自鎖功能的梯形螺紋，以防受振時松動。

本實施例中，如圖5所示，堵頭8設(shè)置有表面光滑的凹坑81，凹坑81與螺柱9相對應(yīng)，既可使螺柱9的下端圓頭與堵頭8之間迅速準(zhǔn)確定位，也可減少堵頭8與螺柱9之間的磨擦，達(dá)成輕便緊固目的。

本實施例中，堵頭8的堵住圓錐通孔的內(nèi)端面設(shè)有硬質(zhì)耐磨合金層82。耐磨合金可堆焊或嵌上，耐流體雜質(zhì)沖蝕。從專業(yè)技術(shù)的角度說，鑄造組織是很不均勻、存在疏松和偏析的金相組織，焊接性能差，焊肉冷卻收縮時會把旁邊未焊的鑄造組織拉出裂紋，所以，沒有開孔的彎頭本體7內(nèi)壁很少用堆焊耐磨層的辦法提高其耐沖刷腐蝕能力，但是開孔的彎頭就可以單獨堆焊其堵頭8內(nèi)端面的辦法體高其耐沖刷腐蝕的能力。單獨的堵頭8端面較彎頭內(nèi)腔窄小的空間也方便堆焊操作，只要將堵頭8預(yù)熱到足夠合適的溫度再堆焊，焊后保溫消除應(yīng)力，就能防止裂紋的產(chǎn)生。在檢查中如果發(fā)現(xiàn)堆焊層已被磨損，重新堆焊一層耐磨層即可繼續(xù)使用?；蛘撸骂^8選用非鑄造的狀態(tài)的其他可性鍛件材料。因此該結(jié)構(gòu)也能延長彎頭的使用壽命?？傊?，新的結(jié)構(gòu)簡單而較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的密封性更可靠，更加適用于各種加熱爐的需要。

實際生產(chǎn)制造中，首先，鑄造帶孔耳11但是不開孔的180°彎頭本體7；

其次，整理彎頭本體7內(nèi)外表面后對其內(nèi)腔充水試壓，檢驗合格。

再次，彎頭本體7加工開圓錐通孔及孔耳11上的孔。

第四，加工螺柱9和平衡量。

第五，堆焊堵頭8內(nèi)端面約5mm，焊接前需要將堵頭8預(yù)熱到足夠合適的溫度，堆焊后保溫消除應(yīng)力，對堆焊部位進(jìn)行著色檢查，看是否存在裂紋或其他缺陷。

第六，精加工堵頭8，使其錐形密封面與彎頭本體7上圓錐通孔的圓錐面相配，通過紅丹研磨判斷其貼合程度達(dá)95%以上。

第七，組裝彎頭整體，再進(jìn)行一次內(nèi)腔充水試壓，檢驗堵頭8的密封性能，如有滲漏應(yīng)修整，直到合格。

第八，組裝加熱爐時，嚴(yán)格按設(shè)計圖紙要求的排管方式組對焊接爐管和彎頭，該組對焊接接頭應(yīng)經(jīng)射線檢測內(nèi)部、經(jīng)著色檢查外表面，確認(rèn)不存在不允許的缺陷。

最后，加熱爐的其他建造方式與傳統(tǒng)工藝相同。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細(xì)地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。