在石油化工生产装置中约有40%左右的设备属于换热设备，换热设备是所有工艺流程中不可或缺的重要设备，它在降低能耗、降低生产成本起到了重要的作用。但是，随着装置的大型化、节能减排的严苛要求和工艺设计条件的越加苛刻，传统意义上的换热器已经不能满足工艺生产要求。螺纹锁紧环换热器具有结构紧凑、泄漏点少、密封可靠、节省材料、可以在线修理等优势。其特殊之处还在于管箱部分，基本原理是管程内压引起的轴向力通过管箱压盖和螺纹锁紧环而由管箱本体承受，管箱通过螺纹锁紧环上的外圈压紧螺栓来压紧外密封垫圈来实现密封，对于操作条件苛刻、介质成份复杂的工况来说，选用螺纹锁紧环换热器是合适的。
一、 换热器的设计参数（见图1）
图1 换热器设计参数
二、 设备选材
根据换热器的设计参数，依据Nelson曲线，设备本体受压材质选择12Cr2Mo1V锻钢，内部有不锈钢堆焊层，堆焊材料为E309L E347，堆焊层厚度为3 3.5mm，堆焊层能耐硫化氢腐蚀。
三、 设备结构
螺纹锁紧环换热器结构示意图(见图1)
图1 螺纹锁紧环换热器结构示意图
螺纹锁紧环换热器密封结构示意图（见图2）：
图2 螺纹锁紧环换热器密封结构图
1-管板垫片；2-管板；3-内套筒垫片；4-内套筒；5-顶压螺栓垫环；6-顶压螺栓；7-承压环；8-套筒；9-上分合环；10-大压环；11-外密封垫圈；12-密封盘；13-外压圈；14-内压圈；15-外压杆；16-内压杆；17-螺纹锁紧环；18-外圈压紧螺栓；19-内圈压紧螺栓；20-管箱压盖。
从图中可以看出，管箱上管程密封垫片的压紧力通过下列零件的传递来实现：螺纹锁紧环17上的外圈压紧螺栓18—外压杆15一外压圈13一密封盘12一外密封垫圈11。外密封垫圈11传给外圈压紧螺栓的反力最终作用在螺纹锁紧环17和管箱大螺纹上，由此可知，外圈压紧螺栓18只承担压紧外密封垫片11一种功能，因此，螺栓的直径可以很小，而且在带压的条件下，随时可以给外压紧螺栓施力，排除外泄漏。
管程与壳程之间管板垫片的压紧力传递途径是：上分合环9上的顶压螺栓6一顶压螺栓垫环5—内套筒4—内套筒垫片3一管板2一管板垫片1。设备运行过程中若发现管程与壳程有串漏时，可通过拧紧螺纹锁紧环17上的内圈压紧螺栓19，推动内压杆16、内压圈14、密封盘12、大压环10、套筒8、从而将管板垫片1压紧。同样，管板垫片的反力最终传给螺纹锁紧环17和管箱大螺纹上，内压紧螺栓也只承担压紧内密封垫片的一个功能，因此螺栓的直径较小。
由上可知螺纹锁紧环换热器的最大的优点是维护简捷、灵活，可以在带压情况下排除泄漏，减少装置不必要停车，实现了密封力与内压力由不同的零部件来承担。
3.1 大螺纹
换热器所有的力由螺纹锁紧环和管箱壳体端部的梯形螺纹来承担（注意：图2中没有画出梯形螺纹，我会在最后附一张带有梯形螺纹的结构示意图），螺纹设计是螺纹锁紧环换热器的关键之处，螺纹承受着管程和壳程的综合载荷，是这些载荷的“最终受力点”。螺纹锁紧环换热器的螺纹采用AISI B1.8《stub acmescrew threads》标准的(15/16)in（23.8125mm）的短齿梯形螺纹，该螺纹具有啮合高度大、抗剪、抗弯能力强等特点，适用于螺纹锁紧环换热器上。该螺纹公差范围较宽，因内、外螺纹配合公差涉及的外界因素较多，螺纹又在高温下工作，螺纹锻件会有微量变形，如果螺纹配合公差选的不合适，就有拆卸困难的可能。长期以来一直认为，螺纹的齿数越多越好，而根据计算结果，对整个端部螺纹来说，承压最大的是靠近管箱内部的少数齿，其它的齿承受的力越来越小。因此，整个端部螺纹每个齿受力不一样，这也是这种换热器的不足之处，即力不能均匀分布到每个齿上。
3.2 垫片的选择
密封性和回弹性是选择垫片的两个重要指标。管板垫片和内套筒垫片仅需承受管板压差产生的力及垫片本身密封所需的力，因缠绕垫的垫片系数m及比压力y较小，为了减小管壳程之间的密封力，减少螺栓的直径及数量，管板垫片和内套筒垫片采用缠绕垫，其由S30403金属骨架与柔性石墨材料复合而成的。金属骨架的上下表面有相互错开的特殊形状的同心圆沟槽形成波齿，金属骨架的上下表面复合一层柔性膨胀石墨，构成整体复合垫片。外密封垫片选用选用S30403金属垫，这样即保证了垫片的强度，又能满足密封要求。
3.3 上分合环设计
上分合环是本台换热器的优化设计，解决了壳程压力与管程压力不相等时力的均衡传递问题，缓解了螺纹承压环的受力状况。在管箱内壁设计沟槽，上分合环安放在槽内，为了实现力的传递，卡环上设置顶压螺栓；由于装配需要，卡环设计成4块，这样虽给制造带来了麻烦，但增加了操作的可靠性，均衡了上分合环的受力。
3.4 接管与壳体焊接结构
由于与接管相焊的壳体厚度很大，并且要100％UT和RT检测，因此采用安放式对接焊接接头结构(见图3)，这样能充分发挥UT与RT两种检测的优点，可发现焊缝及热影响区的根部未熔合和夹渣等焊接缺陷，保证焊接接头的质量。
图3 接管与壳体的焊接结构图
四、 附图：有梯形螺纹的示意图
图4 红色椭圆内为梯形螺纹
尽管螺纹锁紧环换热器作为一种特殊的换热器，在设计条件苛刻的工况下有高效节能的优势，但是，在实际的生产过程中，该换热器的检修需要采用专用的检修工具进行拆装，在检修的过程中需要对换热器的螺栓螺纹进行重点的保护，以防出现螺纹咬死、拉伤等现象，从而影响设备的使用效果。同时在加工制造的过程中，换热器的管板垫片表面粗糙度要求较高，在安装的过程中需要严格对中方可达到最好的密封效果。
