大規(guī)格高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器水壓試驗淺析

石慧君，劉仙君，張 濤，鄭維信

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

近些年石化行業(yè)煉油裝置規(guī)模不斷擴大[1]，裝置配套的高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器規(guī)格隨之大型化，這對熱交換器的制造[2]提出了更高要求。在煉化加氫裝置高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器制造實踐中，廠家一般很難做到按設(shè)計圖樣要求的試驗壓力進行水壓試驗，通常的做法是與設(shè)計方溝通后降低試驗壓力進行水壓試驗。文中以某石化公司委托蘭州蘭石重型裝備股份有限公司(以下簡稱蘭石重裝)生產(chǎn)的大規(guī)格高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器(以下簡稱螺紋熱交換器)為例，介紹水壓試驗的過程控制[3]，分析探討水壓試驗的難點和要點[4]。

1 高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器概況

1.1 設(shè)計參數(shù)

某煉化加氫裝置高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器規(guī)格為?1 500 mm,殼程介質(zhì)為反應流出物，管程介質(zhì)為循環(huán)氫，管板最大設(shè)計壓差為6.17 MPa，管板最大試驗壓差為12.44 MPa，管程和殼程的設(shè)計條件和要求見表1。表1中水壓試驗壓力指臥式條件下。

表1 螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器設(shè)計條件和要求

1.2 總體結(jié)構(gòu)

高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器[5-6]總體結(jié)構(gòu)見圖1。在水壓試驗時設(shè)備易出現(xiàn)問題的部位為設(shè)備前端部分，即管箱組裝過程的控制，包括內(nèi)、外螺栓緊固情況直接影響管板兩側(cè)密封墊受力是否均勻，密封盤安裝過程中的受力，在前期安裝過程中密封墊片是否有損傷等[7]。

1.內(nèi)壓圈 2.外壓圈 3.固定支座 4.內(nèi)、外壓桿 5.外壓緊螺栓 6.內(nèi)壓緊螺栓 7.支架 8.壓蓋 9.螺紋鎖緊環(huán) 10.螺塞 11.絲堵 12.密封盤 13.管程側(cè)密封墊片 14.壓環(huán) 15.內(nèi)頂壓螺栓 16.卡環(huán) 17.分層箱隔板 18.殼程側(cè)密封墊片 19.殼體 20.活動支座 21.殼程隔板 22.管束

1.3 管箱結(jié)構(gòu)

高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器管箱結(jié)構(gòu)見圖2。設(shè)備的主體密封分為2大部分，①管程側(cè)的密封。通過螺紋鎖緊環(huán)上的外圈螺栓壓在密封盤及密封墊上完成。②殼程側(cè)的密封。內(nèi)圈壓緊螺栓通過卡環(huán)、管箱內(nèi)套筒壓在管束管板及密封墊上來完成，而且可以通過螺紋鎖緊環(huán)上的內(nèi)圈壓緊螺栓間接施力，在不拆卸管箱內(nèi)件的情況下解決內(nèi)部密封。因此，管箱的泄漏主要包括2種情況，①由于螺栓受力不均使墊片各部位受力不一致，從而導致泄漏的產(chǎn)生。②由于管頭焊接質(zhì)量的影響，使管程、殼程發(fā)生串漏。

1.內(nèi)壓緊螺栓 2.外壓緊螺栓 3.內(nèi)外頂桿 4.管塞 5.絲堵 6.管程側(cè)密封墊片 7.壓環(huán) 8.卡環(huán) 9.內(nèi)頂壓螺栓 10.管箱內(nèi)套筒 11.防串漏密封 12.殼程密封墊片 13.筒體 14.管板 15.支架 16.密封盤

2 高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器水壓試驗程序

(1)將管、殼程間密封墊片，管束，分程箱，定位環(huán)及分合環(huán)等安裝好，再將內(nèi)部螺栓擰緊。

(2)按圖樣規(guī)定的試驗差壓進行殼程水壓試驗，檢查換熱管與管板的焊接接頭及管、殼程之間的密封，確保無泄漏。

(3)按照圖樣要求，將管箱一側(cè)的其余零部件安裝到指定位置。

(4)按 GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分:制造、檢驗和驗收》[7]的規(guī)定，在殼程和管程兩側(cè)同時充水加壓至圖樣規(guī)定的設(shè)計壓力和試驗壓力，保壓30 min以上，檢查管程和殼程。在管、殼程同時試驗過程中，管程和殼程的壓力差在任何時間內(nèi)均不得超過圖樣規(guī)定的試驗壓差。

3 高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器水壓試驗嚴控工序

3.1 管箱筒體、管板密封面檢測及二次精加工

設(shè)計圖樣中要求管箱筒體、管板兩側(cè)的密封面應光滑，不得有刻線、劃痕等降低強度和影響密封性能的缺陷，管板端面與管束軸線應垂直，其偏差不得超過30′，密封面的平面度允差不超過25 μm。為保證設(shè)備的密封可靠性，在管箱筒體組焊并最終退火熱處理、管板與換熱管焊接脹接完成后，對管箱筒體及管板兩側(cè)密封面進行平面度檢查。管箱筒體組焊并最終退火熱處理完成后，采用落地鏜銑床對管箱筒體密封面打表檢測(圖3)。若檢測結(jié)果不符合圖樣要求，需對管箱筒體密封面進行二次加工。

圖3 管箱筒體密封面平面度檢測

管板與換熱管焊接脹接完成后，因管板較薄，管板兩側(cè)密封面發(fā)生局部輕微變形的概率較大，管板正面采用落地鏜銑床進行檢測(圖4)并加工，而管板背部密封面因結(jié)構(gòu)限制，需采用蘭石重裝專利技術(shù)[8]對管板背部密封面進行二次精加工。

圖4 管板平面度檢測

3.2 內(nèi)部螺栓緊固和電動力矩扳手的使用

管束與殼體按要求組裝到位后，進行管箱內(nèi)件的組裝，其中內(nèi)部螺栓的上緊是殼程水壓試驗的關(guān)鍵。由于此類設(shè)備的內(nèi)部螺栓規(guī)格大，安裝時受管箱筒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制，普通液壓扳手已無法將之上緊，只能采用帶力矩值顯示的新型電動力矩扳手進行緊固[8]。電動力矩扳手控制器見圖5。

圖5 電動力矩扳手控制器

以規(guī)格M56×3×310、上緊力矩9 500 N·m的螺紋熱交換器內(nèi)部螺栓為例，介紹電動力矩扳手的用法和內(nèi)部螺栓上緊步驟。采用交叉對稱分步加載的方式進行上緊，第1步完成約30%的上緊力矩，即按3 000 N·m進行米字型交叉上緊；第2步完成約50%的上緊力矩，即按5 000 N·m進行米字型交叉上緊；第3步完成約70%的上緊力矩，即按7 000 N·m進行米字型交叉上緊；最后一步按100%上緊力矩(9 500 N·m)進行米字型交叉上緊。內(nèi)部螺栓上緊后嚴格按水壓試驗操作規(guī)程進行殼程側(cè)水壓試驗，試驗壓力12.44 MPa，最終殼程側(cè)水壓試驗一次合格。

3.3 緊螺紋鎖緊環(huán)旋進過程尺寸記錄

螺紋鎖緊環(huán)組裝前按要求將內(nèi)套筒、壓環(huán)及密封盤等裝配完成，測量密封盤到管箱筒體端部距離并記錄，按圖樣尺寸(圖6)計算出螺紋鎖緊環(huán)裝配到位后螺紋鎖緊環(huán)到管箱筒體端部的距離并記錄。圖6中，E=A-B-C-D，計算后E<0表示螺紋鎖緊環(huán)端面高出管箱筒體端面，E=0表示螺紋鎖緊環(huán)端面與管箱筒體端面平齊，E>0表示螺紋鎖緊環(huán)端面低于管箱筒體端面。

圖6 密封盤到管箱筒體端部距離圖樣尺寸

3.4 螺紋鎖緊環(huán)裝配專用工裝的使用

采用杠桿加平衡物上緊工裝[9]進行螺紋鎖緊環(huán)的裝配，見圖7。螺紋鎖緊環(huán)裝配完成后測量螺紋鎖緊環(huán)到管箱筒體端部的距離，保證螺紋鎖緊環(huán)裝配到位。內(nèi)、外圈壓緊螺栓上緊程序與內(nèi)部螺栓的相同，采用帶力矩值顯示的電動力矩扳手嚴格按交叉對稱分步加載的方式進行上緊，內(nèi)、外圈壓緊螺栓上緊后對設(shè)備進行最終水壓試驗，依據(jù)水壓試驗程序進行，兩程壓差不得超過圖樣規(guī)定的試驗壓差。

圖7 裝配螺紋鎖緊環(huán)專用工裝及操作現(xiàn)場

4 水壓試驗管殼程串漏原因分析及串漏改進措施

4.1 串漏情況介紹

在水壓試驗過程中，當殼程水壓試驗合格后，依次組裝管箱部件，嚴格把控各零件的裝配要求，組裝完畢后進行管、殼程水壓試驗。在管、殼程同時充水加壓的過程中，兩側(cè)壓力始終趨于相等，而且外部觀測并沒有滲水現(xiàn)象的發(fā)生，由此判定管、殼程之間發(fā)生了串漏。

4.2 串漏原因分析

根據(jù)設(shè)備安裝過程的嚴格控制，各個步驟嚴密把關(guān)，且管程壓力值與殼程壓力值趨于相等等情況，可以推斷水壓試驗過程中管、殼程之間發(fā)生串漏而導致兩側(cè)壓力達不到設(shè)計文件所要求的水壓試驗數(shù)值。

經(jīng)拆卸管箱內(nèi)件，檢測零部件尺寸及接觸面平面度，確認未發(fā)現(xiàn)局部變形，制造和裝配均符合設(shè)計要求。對試壓過程進行分析[10]，設(shè)備殼程單獨水壓試驗時壓力為12.44 MPa，設(shè)備最終水壓試驗時壓差為5.01 MPa，因此設(shè)備管、殼程同時升壓過程中殼程側(cè)墊片回彈的速度與升壓速度是不同步的。經(jīng)過研究和分析后認為，這極可能是引發(fā)管、殼程之間發(fā)生串漏的原因[11]。

4.3 串漏改進措施

基于上述分析和波齒復合墊片的特點，調(diào)整水壓試驗操作。柔性石墨熔點高、自潤性好、膨脹系數(shù)大，且骨架又為金屬，柔性石墨和金屬骨架復合后，墊片兼具金屬墊片和非金屬墊片的特點，因此波齒復合墊片具有更好的密封性能和壓縮回彈性能，優(yōu)異的耐高、低溫和耐腐蝕性能，易于適應溫度和壓力的波動，耐介質(zhì)腐蝕性及保證密封安全可靠等受力特點[12-13]。因此將水壓試驗操作改進為，殼程側(cè)水壓試驗合格之后先將內(nèi)部螺栓卸載1～2圈，讓內(nèi)部螺栓處于完全松弛狀態(tài)，然后用對應的60%～70%的力矩值(5 700～6 500 N·m)進行米字型交叉緊固，內(nèi)部螺栓緊固后再進行螺紋鎖緊環(huán)等其余零部件的裝配。內(nèi)部螺栓緊固完成后，依據(jù)上述的組裝順序及控制要點完成裝配。待螺紋鎖緊環(huán)裝配完成后測量螺紋鎖緊環(huán)到管箱筒體端部的距離，保證螺紋鎖緊環(huán)裝配到位。內(nèi)、外圈壓緊螺栓上緊程序與內(nèi)部螺栓上緊程序相同，采用帶力矩值顯示的電動力矩扳手嚴格按交叉對稱分步加載的方式進行上緊，內(nèi)、外圈壓緊螺栓上緊后對設(shè)備進行最終(管殼程同時)水壓試驗。上述改進措施實施后，水壓試驗一次合格。

5 結(jié)語

對大規(guī)格高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器按照設(shè)計圖樣技術(shù)要求進行水壓試驗技術(shù)攻關(guān)。通過設(shè)備制造階段對零部件加工要求和裝配精度的嚴格控制[14]，對試壓過程中墊片受力情況的分析，明確了水壓試驗過程中發(fā)生串漏的原因[15]，調(diào)整了裝配操作，解決了大型高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器水壓試驗過程中管、殼程串漏的難題，為同類設(shè)備的制造積累了經(jīng)驗。