浮頭式換熱器采用O形環(huán)密封胎具試壓實踐

胡榮昌

（錦西石化分公司 遼寧葫蘆島）

一、前言

浮頭式換熱器不僅作為石化行業(yè)中重要的冷換工藝設(shè)備，在其他領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。水壓試驗作為浮頭式換熱器在制造、維修和大修中必不可少的一道檢驗工序，其試壓效果在一定程度上反映出產(chǎn)品質(zhì)量，而試壓胎具作為換熱器試壓過程中的必備工具，其性能優(yōu)劣將直接影響試壓效率、質(zhì)量、成本及勞動強(qiáng)度。為此，研制出高效、通用和密封可靠的試壓胎具是許多換熱器制造、檢修單位探索的重要課題之一。根據(jù)多年從事?lián)Q熱器安裝、檢修的實際經(jīng)驗，研制出了通用O形環(huán)試壓胎具，通過近3年的使用，證明性能可靠。

二、工藝特點

1.特點

大量施工實踐證明，O形環(huán)試壓胎具具有密封效果好、通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)靈活合理、裝配簡便、造價低等優(yōu)點，極大地提高工作效率。

2.傳統(tǒng)試壓胎具存在的問題

（1）填料密封試壓胎具。填料密封屬于強(qiáng)制密封，結(jié)構(gòu)示意見圖1。換熱器的殼體法蘭與試壓胎具通過殼體螺栓連接，兩者之間使用橡膠石棉板作為密封元件。浮動管板環(huán)向與試壓胎具之間的密封原件為盤根，通過螺栓的預(yù)緊力將盤根壓縮變形達(dá)到密封目的。

圖1 填料密封試壓胎具原理圖

（2）存在問題。此試壓胎具制作相對簡單，加工精度要求低，工人操作相對熟練，使用歷史最早，但存在幾個缺點：①胎具通用性差。對于公稱直徑相同但公稱壓力不同的換熱器，其殼體法蘭上螺栓孔的數(shù)量不同，因此同一直徑的試壓胎具不能通用。雖然可以用氣割方法在胎具上割孔，以便與換熱器殼體法蘭相配，但在降低試壓胎具強(qiáng)度的同時，也容易使胎具變形而導(dǎo)致密封性能下降。檢修時，由于浮頭式換熱器制造廠家所采用的制造標(biāo)準(zhǔn)不同或由于更新?lián)Q熱器管束等原因，管板伸出殼體法蘭的長度也會不同，因此，填料不能準(zhǔn)確壓緊在管板位置上也會導(dǎo)致密封失效。尤其換熱器大規(guī)模檢修時，多規(guī)格的試壓胎具不利于施工和管理。②所需螺栓預(yù)緊力很大，在一定程度上會影響密封效果。③橡膠石棉板墊片的彈性和可壓縮程度有限，因此，需要很大的螺栓預(yù)緊力且容易導(dǎo)致密封失效。④填料的接頭和壓實需要較高的技巧，否則容易在此處發(fā)生泄漏。⑤盤根和橡膠石棉板墊片一般只能一次性使用，成本較高。

（3）C形環(huán)密封試壓胎具。此種形式密封也屬自緊密封，其結(jié)構(gòu)示意見圖2。換熱器殼體法蘭與試壓胎具之間是靠C形環(huán)外側(cè)面與換熱器殼體法蘭面及試壓胎具的法蘭面的接觸實現(xiàn)密封。在試壓胎具與浮動管板環(huán)向接觸面則依靠C形環(huán)左右2個凸出的圓弧面與試壓胎具凹槽左右平面接觸實現(xiàn)密封。預(yù)緊時，C形環(huán)受到軸向的彈性壓縮，在接觸處產(chǎn)生預(yù)緊比壓。當(dāng)內(nèi)壓上升時，介質(zhì)進(jìn)入C形環(huán)的內(nèi)腔，使C形環(huán)軸向張開，使密封比壓增大達(dá)到自緊。

圖2 C形環(huán)密封試壓胎具原理圖

此試壓胎具所需預(yù)緊力較小，在保證強(qiáng)度的前提下可適當(dāng)?shù)販p小結(jié)構(gòu)尺寸，具有結(jié)構(gòu)簡單和裝卸快的特點。但存在缺點：①C形環(huán)直徑較大，在C形環(huán)唇口處容易產(chǎn)生波形，可能會產(chǎn)生密封失效。②與浮動管板接觸的C形環(huán)需預(yù)先從注水孔加壓形成初始密封，既增加試壓程序，又要求操作者有較豐富的經(jīng)驗。③與填料密封試壓胎具類似，由于換熱器法蘭不同和管板伸出的長度不同使其通用性較差。④C形環(huán)屬非標(biāo)零件，其凸面加工困難，有時要在密封面上加軟金屬墊片以提高密封效果，因此制造成本較高。

三、適用范圍

本工藝方法適用于煉化企業(yè)所有浮頭式換熱器試壓施工。

四、工藝原理

1.設(shè)計階段

橡膠O形環(huán)是一種雙向作用密封元件，既有效又經(jīng)濟(jì)。安裝試壓胎具時徑向或軸向方面的初始壓力賦予橡膠O形環(huán)自身的初始密封能力，由系統(tǒng)壓力而產(chǎn)生的密封力與初始密封力合成總的密封力，它隨系統(tǒng)壓力的提高而提高。

（1）對密封材料及密封方式的改進(jìn)。通過對材料的性能的對比，選擇易于取材的丁晴橡膠，丁晴橡膠使用溫度為-40～120℃，可以在溫度≤120℃的空氣中和150℃的油中長期使用。橡膠O形環(huán)為非標(biāo)準(zhǔn)件，決定先采用直徑12 mm的橡膠O形條進(jìn)行粘連，然后進(jìn)行試用。

（2）對試壓胎具通用性進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。針對試壓胎具的通用性差這一問題，認(rèn)真研究了浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)，分別量取了10臺浮頭式換熱器浮動管板的伸出長度，記錄數(shù)據(jù)見表1，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新以滿足通用性問題。

表1 管板伸出長度記錄表

2.試驗制造階段

根據(jù)橡膠O形環(huán)特點，進(jìn)行了大量的試驗，制造出滿足試壓要求的胎具（圖3），并且符合胎具的通用性原則。改進(jìn)后胎具與換熱器殼體法蘭連接采用帶長圓孔壓板，另外胎具配置1～3個調(diào)整墊圈（推薦調(diào)整墊圈的寬度為20mm、30mm和 50 mm），以適應(yīng)不同管板伸出長度的變化，以此解決了試壓胎具的密封性及通用性問題。

圖3 橡膠O形環(huán)密封試壓胎具原理圖

3.胎具的優(yōu)點

（1）橡膠 O型環(huán)密封屬自緊密封，所需預(yù)緊力小，因此密封性能較好。

（2）壓板上的長圓孔可以解決不同壓力等級換熱器的通用性問題，施工中可根據(jù)試壓壓力靈活配置壓板與螺栓數(shù)量，以適應(yīng)相同公稱直徑不同壓力等級的換熱器試壓施工，避免了在法蘭上開孔對胎具造成的不利影響。

（3）根據(jù)實際情況利用調(diào)整墊圈位置、數(shù)量以及寬度適應(yīng)不同管板位置的變化，可保證良好的密封性及通用性。

（4）與盤根和C形環(huán)相比，O形環(huán)可重復(fù)利用多次且成本低廉，每米價格6～12元。

五、施工工藝流程及操作要點

1.施工工藝流程（圖4）

圖4 施工工藝流程圖

2.試壓系統(tǒng)

換熱器試壓系統(tǒng)由換熱器、試壓泵(或高壓水車)、金屬軟管、壓力表、盲板和試壓胎具等組成。浮頭式換熱器殼程試壓系統(tǒng)布置見圖5。

3.試壓胎具裝配要點

（1）胎具結(jié)構(gòu)及裝配。浮頭式換熱器管箱側(cè)試壓胎具及浮頭側(cè)試壓胎具的結(jié)構(gòu)及裝配見圖6。

（2）胎具裝配注意事項。①管箱側(cè)假法蘭與殼體法蘭通過殼體螺栓連接，管板與殼體法蘭之間使用石棉墊作為密封元件；浮頭側(cè)管板與試壓胎具間使用O形環(huán)作為密封元件，先根據(jù)胎具尺寸截取合適長度的O形橡膠條，將橡膠條兩端用壁紙刀切成45°斜面，再用3 s速干膠粘牢，粘貼時確保接觸面潔凈，安裝橡膠條前要先清理胎具梯形槽，清理干凈后將橡膠條嵌入梯形槽中，要保證橡膠條鑲嵌得均勻、緊密。②安裝壓蓋前根據(jù)浮頭管板伸出殼體法蘭的長度配置調(diào)整墊圈，以適應(yīng)不同管板伸出長度的變化。③連接螺栓要均勻布置，螺栓緊固至少應(yīng)分3遍進(jìn)行，每遍的起點應(yīng)相互錯開120°，緊固順序按圖7的規(guī)定執(zhí)行。④緊固時，不得用大錘等工具擊打扳手緊固，宜用扳手加套筒延長力臂或用電動、氣動、液壓工具緊固。

圖5 試壓系統(tǒng)布置圖

圖6 浮頭側(cè)試壓胎具結(jié)構(gòu)及裝配

圖7 螺栓緊固順序

4.試壓注意事項

（1）在試壓過程中，不得對受壓元件進(jìn)行任何處理。如發(fā)現(xiàn)異常狀況立即停止試驗并卸壓，查明原因經(jīng)處理后方可恢復(fù)壓力試驗。

（2）在保證換熱器完全注滿水和空氣完全排盡后方可加壓。在試壓過程中，換熱器的接管連接處表面必須保持干燥，在雨天不能進(jìn)行試壓。

（3）試壓所有加設(shè)的盲板應(yīng)進(jìn)行掛牌作標(biāo)記，防止漏加或漏拆。

（4）與外部連通的管線也應(yīng)用盲板隔離，設(shè)備接管如果直接和工藝閥門相連，可在閥門前加盲板，并將閥門關(guān)閉。

5.試壓過程

（1）對試壓系統(tǒng)做全面檢查，包括所有接管封閉情況，進(jìn)排水臨時管線、試壓泵（或高壓水車）、放空閥門、壓力表、盲板、墊片及螺栓等，確保安裝完整無誤。

（2）在換熱器最高處設(shè)放空點，在最低處設(shè)排放點，壓力表應(yīng)裝在最高處與最低處，且避免安置在加壓管路附近，試驗壓力以最高處壓力表讀數(shù)為準(zhǔn)。

（3）將進(jìn)水管接到換熱器殼程的上部管口進(jìn)行注水，這樣也可以使換熱器內(nèi)氣體盡量排空，當(dāng)水從換熱器上部管口溢出時，封閉管口，之后檢查各管口密封處有無滲漏。

（4）加壓時，壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到試驗壓力后，保持時間應(yīng)≥10 min。然后將壓力降至設(shè)計壓力，保持時間≥30 min，并對所有的焊縫和連接部位全面檢查。檢查期間壓力應(yīng)保持不變，不得采用連續(xù)加壓來維持試驗壓力不變，無滲漏、無可見變形、試驗過程中無異常響聲，即認(rèn)為合格。

（5）試驗結(jié)束后應(yīng)緩慢降壓，當(dāng)壓力降為0 MPa時，方可打開放空閥及換熱器頂部管口，然后打開排水線的閥門，進(jìn)行排水。

（6）此試壓有可能是一個反復(fù)的過程，在不同的壓力下，有可能有不同的漏點，應(yīng)及時消除，因此試壓應(yīng)與管束漏點檢查同步進(jìn)行。

（7）拆除試壓設(shè)備及輔助附件，包括隔離盲板等，由試壓負(fù)責(zé)人按照試壓前所加的盲板數(shù)量規(guī)格清單一一對應(yīng)拆除，不得遺漏，并做好記錄。

六.效益分析

1.改進(jìn)前后效果對比

此新型試壓胎具在施工實踐中取得明顯效果，施工質(zhì)量得到有效控制。在錦西石化分公司2010年裝置檢修施工中，浮頭式換熱器試壓施工均采用橡膠O形環(huán)密封試壓胎具，泄漏率僅為3%，較以往大為降低（表2）。實踐證明，該試壓胎具密封性能極好。這種試壓胎具具有較好的通用性，不僅同種公稱直徑試壓胎具的準(zhǔn)備數(shù)量為原來數(shù)量的25%，而且安裝一套試壓胎具平均時間縮短2.5 h。

表2 浮頭式換熱器試壓胎具改進(jìn)前后效果對比表

2.效益分析

（1）浮頭式換熱器試壓胎具從密封方式和通用性方面改進(jìn)后，經(jīng)濟(jì)效益明顯。僅提高施工質(zhì)量和工效每年可為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益600余萬元，同時對于同種公稱直徑試壓胎具平均節(jié)省制造成本35萬元。該胎具安裝簡便，一次安裝成功率高，節(jié)省大量的人工成本與設(shè)備使用成本。

（2）公司承擔(dān)的錦州石化公司加氫裝置、大連石化公司常減壓裝置中的浮頭式換熱器檢修，均采用O形環(huán)胎具試壓。實踐證明，其滿足設(shè)備安裝的質(zhì)量、工期、成本要求，受到建設(shè)單位的一致好評。