Ω環(huán)+C形環(huán)復(fù)合密封高壓換熱器制造

鄭維信，張 凱，賈小斌，李亞亞，張先亨

（1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點實驗室，蘭州 730314）

0 引言

國內(nèi)加氫裝置中常用的高溫、高壓換熱器主要密封形式有螺紋鎖緊環(huán)式換熱器、隔膜換熱器和Ω環(huán)換熱器三種。本文介紹的是一種新式復(fù)合密封換熱器，這種換熱器與以上三類高壓換熱器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠、使用壽命長、拆卸簡單等優(yōu)點［1-3］。

1 結(jié)構(gòu)特點

本次研制的新型全壓結(jié)構(gòu)復(fù)合密封高壓換熱器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由外殼部件和管束部件兩部分組成。該設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計條件及規(guī)格參數(shù)如 表1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

表1 設(shè)備參數(shù)

該換熱器具有尺寸規(guī)格大、設(shè)計壓力和設(shè)計溫度高等特點，須采用管程隔膜和殼程Ω環(huán)的密封方式，并在大規(guī)格、高壓高溫及臨氫環(huán)境下采用了金屬焊接密封結(jié)構(gòu)的換熱器。為保證該換熱器設(shè)計本質(zhì)安全及制造工藝控制的開發(fā)，在Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)中增加了一道C形環(huán)密封墊片（見圖2），實現(xiàn)Ω環(huán)與C形環(huán)的復(fù)合密封；該密封墊片與八角墊等其他密封結(jié)構(gòu)相比，密封載荷大幅度減少，降低了螺栓載荷，優(yōu)化了法蘭結(jié)構(gòu)尺寸，提高了密封可靠性［4-8］。

圖2 C形環(huán)密封墊片三維示意圖

C形環(huán)墊片屬于自密封墊片，密封原理類似于金屬O形環(huán)密封。擰緊螺栓，密封環(huán)受壓縮，兩凸緣與上、下法蘭接觸處產(chǎn)生塑性變形，由線接觸變?yōu)檎h(huán)帶接觸，建立初始密封；內(nèi)壓上升后，上下法蘭有互相脫離的趨勢，C形環(huán)也軸向張開，補(bǔ)償由上、下法蘭互相脫離造成的密封比壓下降。C形環(huán)的補(bǔ)償由兩部分組成：一是由預(yù)緊時，C形環(huán)預(yù)壓縮造成的回彈；二是由于介質(zhì)壓力使C形環(huán)產(chǎn)生的反向變形。Ω環(huán)密封屬于無墊片焊接密封，其環(huán)殼部分直徑小，壁厚2～3 mm，能承受很高的壓力，介質(zhì)和環(huán)境完全隔絕，是一種無泄漏密封結(jié)構(gòu)，該密封是由一對Ω環(huán)組焊而成，半環(huán)分別焊在法蘭上，由于法蘭和管板剛度較大，Ω環(huán)本身具有較好的軸向變形能力，不受溫度、壓力波動大和結(jié)構(gòu)變形不一致的影響，其密封結(jié)構(gòu)簡單，制造及拆裝方便，密封效果好［9］。本設(shè)備采用的密封結(jié)構(gòu)是以上兩種結(jié)構(gòu)的組合，相當(dāng)于雙重保障，密封效果更可靠。

2 設(shè)備主要制造工藝

Ω環(huán)密封圈和隔膜的加工、管箱、管束以及設(shè)備水壓試驗是該換熱器的制造關(guān)鍵和難點。為了驗證該復(fù)合密封換熱器的密封性，在設(shè)備水壓試驗時先不用組焊兩瓣Ω環(huán)之間的焊縫，此時僅靠C形環(huán)密封，待水壓試驗合格后再進(jìn)行組焊兩瓣Ω環(huán)之間的焊縫［10-11］。

2.1 材料驗收及復(fù)驗

材料進(jìn)廠復(fù)驗包括查看質(zhì)量證明書、材料外觀檢查、力學(xué)性能檢測、化學(xué)成分分析、硬度檢測、無損檢測。其中，該換熱器管板毛坯厚度已超過GB/T 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》標(biāo)準(zhǔn)上限值（500 mm），因此，對鍛件材料驗收采用美國ASME 336 F22 CL3標(biāo)準(zhǔn)；并在制造過程增加了原材料100%UT、100%MT及100%PT復(fù)檢，性能完全滿足要求。

2.2 Ω環(huán)密封圈和隔膜的加工

主要加工工藝過程：Ω環(huán)密封墊及隔膜密封盤鍛件裝卡固定→加工第1個面→翻面重新裝卡→加工Ω環(huán)密封墊及隔膜密封盤另一面。由于Ω環(huán)密封墊及密封盤尺寸大、厚度薄、加工及組裝精度要求高，因此在加工過程中，首先控制鍛件兩面的加工量應(yīng)均勻，嚴(yán)格控制每一道的切削量，且采用對稱切削的方式進(jìn)行加工，最大限度地減少加工應(yīng)力產(chǎn)生的變形；加工后放置在平臺上進(jìn)行失效處理，盡量釋放失效應(yīng)力，盡可能多地減少變形，保證Ω環(huán)密封墊及隔膜密封盤的順利組裝和焊接。

Ω環(huán)與法蘭組焊后，鏜床測量Ω 環(huán)平面度（允差±0.2 mm），如圖3所示。精加工Ω環(huán)密封面及C形環(huán)密封槽，為了保證C形環(huán)的密封性，精加工后采用專用研磨工裝對C形環(huán)密封槽進(jìn)行研磨［12-14］。

圖3 鏜床測量Ω環(huán)平面度

2.3 管箱的制造

主要制造工藝過程：分別組焊管板與管箱筒體、管箱筒體與設(shè)備法蘭環(huán)焊縫→開孔裝接管→管箱終退→堆焊設(shè)備法蘭密封面→加工密封面→鉸換熱管孔→組焊Ω環(huán)。其中Ω環(huán)與殼體法蘭焊接易產(chǎn)生變形，組裝時用工藝壓環(huán)將Ω環(huán)密封墊圈與設(shè)備大法蘭壓緊，如圖4所示。

Ω環(huán)與殼體法蘭采用氬弧焊焊接（要求半瓣Ω環(huán)密封面與設(shè)備大法蘭必須嚴(yán)密貼合后再施焊），焊接時應(yīng)嚴(yán)格控制焊接規(guī)范，減少焊接變形，需注意以下事項。

（1）工裝壓緊后，氬弧焊點焊。每處點焊約5～8 mm，均勻、對稱點焊。

（2）周圈打底焊。起、收弧處注意氬氣保護(hù)，防止弧坑裂紋。

（3）第1遍封底焊后對焊縫表面進(jìn)行100%PT檢測，合格后再進(jìn)行后續(xù)焊接，并100%PT檢測合格。

（4）第1層起、收弧點與下一層起、收弧點錯開至少100 mm。

（5）采用小規(guī)范施焊，禁止擺動，保持較低的層溫，減少焊接應(yīng)力。

圖4 Ω環(huán)壓緊工裝

2.4 管束的制造

主要制造工藝過程：管束骨架組裝→穿換熱管→平換熱管管頭→管頭脹接→管頭焊接。其中管頭脹接采用兩種方式：液壓脹+機(jī)械脹，先對開槽部位采用機(jī)械脹接，然后對整體采用液壓脹，如圖5所示。由于換熱管厚度較厚（?25.4 mm×4.6 mm），換熱管與管板開槽部位脹接困難；經(jīng)過多次換熱管與模擬管板的脹接試驗，確定開槽深度、開槽型式，如圖5（a）所示；脹管結(jié)果如圖5（b）所示。

脹接試驗合格后，按試驗脹緊率及脹管工藝進(jìn)行脹管。由于該管板厚度大，為減少機(jī)械脹管器的損毀，避免脹管器折斷入管孔內(nèi)，機(jī)械脹分2遍脹接，第1遍脹接后，間歇2 min，進(jìn)行第2次脹接。脹接試驗具體工藝如下。

（1）脹管前測量管板孔及開槽部位內(nèi)徑。

（2）測量換熱管外徑、內(nèi)徑。

（3）機(jī)械脹分2遍脹接換熱管孔后端雙開槽60 mm范圍。

（4）測量開槽部位換熱管脹后的內(nèi)徑，計算脹緊率。GB/T 151—2014《熱交換器》要求脹緊率為6%～8%。

（5）對整個區(qū)域進(jìn)行液壓脹，長度為320 mm，脹接后測量換熱管內(nèi)徑，計算脹緊率。

（6）脹接完畢后，對試樣進(jìn)行解剖，觀察換熱管與管板貼合度滿足要求。

圖5 液壓脹+機(jī)械脹

2.5 設(shè)備總裝及水壓試驗

主要制造工藝過程：組裝管束與殼體（兩瓣Ω環(huán)之間焊縫）→上緊螺栓→殼程水壓試驗→焊接Ω環(huán)之間焊縫→無損檢測→水壓試驗。其中，為了驗證C形環(huán)密封性能，兩Ω環(huán)之間焊縫先不進(jìn)行焊接，設(shè)備直接進(jìn)行殼程水壓試驗（試驗壓力18 MPa），待水壓試驗合格后再焊接兩Ω環(huán)之間焊縫，其中組焊兩瓣Ω環(huán)之間環(huán)縫時，控制兩瓣Ω環(huán)之間的錯邊量≤0.5 mm，間隙符合要求。先對稱間隔組裝部分螺栓，用液壓拉伸器上緊螺母，使Ω密封環(huán)兩瓣完全貼合。周圈測量殼體法蘭之間間隙應(yīng)均勻，確定Ω環(huán)貼合好后方可施焊，因連接Ω環(huán)的兩法蘭盤之間的間隙僅約200 mm，且深度較深（約470 mm），需采用專用的氬弧焊焊槍及氬弧焊絲送絲工裝進(jìn)行焊接；焊后重新上緊和測量間隙，對焊接接頭進(jìn)行100%PT檢測，按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》中規(guī)定的Ⅰ級合格。

3 結(jié)語

該Ω環(huán)+C形環(huán)的組合密封高壓換熱器是國內(nèi)研制的新型結(jié)構(gòu)復(fù)合密封高壓換熱器，該設(shè)備的研制成功可降低殼程介質(zhì)對Ω密封環(huán)的腐蝕，減少設(shè)備介質(zhì)的外漏。該換熱器可用于所有石油化工熱交換裝置中高溫高壓臨氫工況，應(yīng)用范圍廣，代表將來高溫高壓換熱器品種結(jié)構(gòu)發(fā)展的新技術(shù)，已達(dá)到國外同等裝置設(shè)備領(lǐng)先水平。目前有8臺（套）設(shè)備已開車1年多，運(yùn)行狀況良好。由于C形金屬密封墊變形后難以修復(fù)，建議定期對Ω環(huán)處螺栓進(jìn)行預(yù)緊，防止螺栓松動引起Ω環(huán)拉裂及C形墊失效。