高壓臨氫Ω環(huán)換熱器檢修技術(shù)研究

南京揚(yáng)子檢修安裝有限責(zé)任公司工業(yè)服務(wù)分公司 張凱鋒

本文從保證業(yè)主生產(chǎn)安全穩(wěn)定的角度出發(fā)，分析高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器檢修技術(shù)，保證高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器保持良好的工作狀態(tài)，以便更好地為石油化工業(yè)提供服務(wù)，論題內(nèi)容分析如下[1]。

1 高壓換熱器常見(jiàn)密封結(jié)構(gòu)分析與比較

國(guó)內(nèi)加氫精制裂化裝置中的高壓換熱器多采用臥式U 型管換熱器，固定端管板采用可拆卸連接，管束可抽出進(jìn)行清洗維修。這種型式的換熱器的密封性能好壞在于管、殼程筒體端與管板之間的密封結(jié)構(gòu)選擇是否合理[2]。

1.1 八角金屬環(huán)墊片密封

這種密封結(jié)構(gòu)是將固定端管板夾在殼體法蘭和管箱法蘭之間，用八角形金屬環(huán)作為密封墊片，由螺栓緊固力預(yù)緊來(lái)完成密封。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝和檢修容易。但法蘭和螺栓尺寸很大，質(zhì)量大、造價(jià)高、易泄漏，已很少使用。

1.2 螺紋鎖緊環(huán)密封螺紋鎖緊環(huán)密封結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)在高溫高壓換熱器的設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣。擰緊外圈螺栓，通過(guò)頂柱、固定環(huán)和墊片壓板壓緊墊片，實(shí)現(xiàn)管程密封。擰緊內(nèi)法蘭螺栓，通過(guò)分程套筒和管板壓緊殼程墊片，實(shí)現(xiàn)殼程密封。在生產(chǎn)操作過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)殼程介質(zhì)向管程泄漏，可擰緊內(nèi)圈螺栓，通過(guò)頂柱、壓緊環(huán)、墊片壓板、內(nèi)套筒、內(nèi)法蘭、分程套筒和管板壓緊殼程墊片，實(shí)現(xiàn)殼程墊片在線輔助壓緊。這種密封結(jié)構(gòu)適合于管、殼程均為高壓的換熱器。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，螺紋鎖緊環(huán)的機(jī)加工精度高、制造難度大、造價(jià)高。承壓內(nèi)件（內(nèi)法蘭、螺栓等）在高溫高壓條件下容易變形及腐蝕，在發(fā)生內(nèi)泄時(shí)又要不斷地?cái)Q緊螺栓，加大密封壓力，使內(nèi)件受損較大，檢修時(shí)需要經(jīng)常更換。其特點(diǎn)是密封螺栓較小，密封可靠性高。

1.3 Ω 環(huán)密封

常用于高壓換熱器中，其主要通過(guò)螺栓、法蘭、兩瓣的Ω 環(huán)密封墊圈組焊而成。早在20世紀(jì)90年代初加氫裝置就已開(kāi)始采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，與八角墊密封、螺紋鎖緊環(huán)密封相比，其Ω 環(huán)密封結(jié)構(gòu)最早見(jiàn)于引進(jìn)的高壓化肥裝置中的換熱器內(nèi)。近幾年由蘭州石油機(jī)械研究所開(kāi)發(fā)的Ω 環(huán)設(shè)計(jì)計(jì)算方法和制造加工技術(shù)，已應(yīng)用在高壓加氫換熱器的密封設(shè)計(jì)上。

Ω 環(huán)作為承壓密封元件，其環(huán)殼部分直徑小，壁厚2～3mm，能承受很高的壓力，介質(zhì)和環(huán)境完全隔絕，是1種無(wú)泄漏密封結(jié)構(gòu)。Ω 環(huán)由1對(duì)Ω 形半環(huán)組焊而成，半環(huán)分別焊在法蘭和管板上，由于法蘭和管板的剛度較大，Ω 環(huán)本身具有較好的軸向變形能力，不受溫度、壓力波動(dòng)大和結(jié)構(gòu)變形不一致的影響，其密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造及拆裝方便，密封效果好，解決了其它類型墊片可能出現(xiàn)的密封面失效問(wèn)題，也不會(huì)因密封面變形錯(cuò)位而導(dǎo)致泄漏，適用壓力為7～32MPa。若換熱管結(jié)垢需清洗，則應(yīng)沿Ω 環(huán)頂部焊口切開(kāi)，檢修完畢組對(duì)時(shí)再將環(huán)焊上。

1.4 經(jīng)濟(jì)性比較

通過(guò)對(duì)前述3種密封結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，Ω環(huán)換熱器突出的優(yōu)點(diǎn)螺栓預(yù)緊力小，螺栓主要承受內(nèi)壓引起的軸向力，因此螺栓直徑、法蘭厚度和質(zhì)量均減小，造價(jià)降低。在某石化120萬(wàn)t/a 催化柴油加氫精制（改質(zhì)）裝置1臺(tái)加氫換熱器的設(shè)計(jì)中優(yōu)選了Ω 環(huán)密封結(jié)構(gòu)。與八角墊密封結(jié)構(gòu)相比較，兩者均結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每噸單價(jià)相同，但Ω 環(huán)無(wú)泄漏、質(zhì)量小，制造費(fèi)用降低10萬(wàn)元。與螺紋鎖緊環(huán)相比，螺紋環(huán)易發(fā)生內(nèi)泄漏，Ω 環(huán)不會(huì)發(fā)生內(nèi)泄漏。采用Ω環(huán)的換熱器比采用螺紋環(huán)的換熱器輕，可節(jié)省投資約，約占換熱器總投資的20%。

2 高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器詳細(xì)介紹

從加氫裝置來(lái)看，高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器是關(guān)鍵設(shè)備，操作過(guò)程中務(wù)必控制好溫度、壓力、臨氫等條件，否則極易出現(xiàn)易燃易爆問(wèn)題。高壓密封結(jié)構(gòu)由多部分組成，即金屬環(huán)墊、Ω 環(huán)、隔膜、螺紋鎖等。其中，Ω 環(huán)由兩個(gè)半Ω 環(huán)組成，其受壓性能良好。密封環(huán)焊接對(duì)象主要是法蘭、管板，密封方式表現(xiàn)為無(wú)墊片密封，具有性能強(qiáng)、可靠性高、拆卸便捷、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、施工阻力小、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)。在檢修過(guò)程中，需要工作人員精益化掌握工藝技術(shù)，選擇適合的拆卸方法、組裝方法，使臨氫密封狀態(tài)最佳化，確保高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器使用價(jià)值大大提高。

2.1 Ω 環(huán)制造鍛件要求

Ω 環(huán)鍛件材質(zhì)0Cr18Ni10Ti，420℃的高溫屈服強(qiáng)度為≥117MPa，化學(xué)成分及其它技術(shù)要求見(jiàn)《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》(NB/T 47010-2017)，驗(yàn)收級(jí)別為Ⅲ級(jí)。鍛件應(yīng)按《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》(GB/T 4334-2020)進(jìn)行抗晶間腐蝕試驗(yàn)。

2.2 Ω 環(huán)制造工藝

Ω 環(huán)鍛件粗加工后，按《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》（NB/T 47013-2015）射線檢查，Ⅱ級(jí)為合格。在設(shè)備法蘭和管板熱處理及機(jī)加工完成以后再將Ω 半環(huán)分別焊在法蘭密封面和管板上，至少分2次施焊，且焊腳高度不小于6mm。焊接接頭按JB 4730第四篇進(jìn)行滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)為合格。Ω 環(huán)半環(huán)之間的焊接接頭要打磨坡口并分二層施焊，焊后滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)為合格。換熱器水壓試驗(yàn)合格后，在環(huán)上下各鉆一Φ3mm 小孔，排盡Ω 環(huán)內(nèi)的積水，并徹底吹干，然后將Φ3mm 孔焊死，焊完做滲透檢查。

2.3 Ω 環(huán)焊接工藝要點(diǎn)

引弧、熄弧操作中，務(wù)必在坡口（非表面）操作，必要情況下打磨處理。涉及接頭焊接時(shí)，務(wù)必運(yùn)用回焊方法，這是規(guī)避接頭質(zhì)量缺陷的重要原因。焊接過(guò)程中，在初焊環(huán)節(jié)焊透，通過(guò)外觀檢查及時(shí)消除裂紋，盡最大可能規(guī)避質(zhì)量問(wèn)題，待焊接無(wú)誤后，為后續(xù)焊接做準(zhǔn)備。需注意的是，堅(jiān)持小部位到大部位的焊接原則，目的是有效控制焊縫熱影響范圍，盡可能保證接頭韌性。必要情況下進(jìn)行多層焊接，將熔渣、缺陷最大化消除。除此之外，將層間溫度控制在95℃之內(nèi)，同時(shí)，焊道接頭錯(cuò)距不小于10cm。焊接結(jié)束后，細(xì)致檢查焊接質(zhì)量，視情況予以補(bǔ)充、修理、打磨。

3 高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器泄露原因分析

3.1 基板槽缺失

正常來(lái)說(shuō)，高壓臨氫Ω 環(huán)底部基板上設(shè)置特定規(guī)格參數(shù)的基板槽（0.5cm×0.1cm），基板槽分布較均勻。高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器工作過(guò)程中，Ω環(huán)內(nèi)介質(zhì)自由流動(dòng)，不能形成積液和死區(qū)，并防止從基板槽進(jìn)入Ω 環(huán)腔，減少腐蝕現(xiàn)象。相對(duì)比而言，如果缺少基板槽，則Ω 環(huán)腐蝕問(wèn)題發(fā)生率較高，進(jìn)而影響換熱器性能。

3.2 Ω 環(huán)變形

實(shí)際上，Ω 環(huán)屬于承壓密封元件，其抗壓性能良好。Ω 環(huán)密封環(huán)節(jié)，能夠?qū)⒔橘|(zhì)、環(huán)境妥當(dāng)隔離，避免出現(xiàn)臨氫泄露現(xiàn)象。但是如果Ω 環(huán)形狀改變，則環(huán)間縫隙出現(xiàn)，極易造成臨氫外泄。隨著工況時(shí)間的延長(zhǎng)，以及振動(dòng)幅度的加大，則Ω 環(huán)變形幅度隨之增加，最終實(shí)際抗壓能力將小于設(shè)計(jì)壓力。即便停工，仍會(huì)出現(xiàn)Ω 環(huán)裂縫問(wèn)題，極易產(chǎn)生安全事故。

3.3 Ω 環(huán)與管板角間存在焊縫

二者焊接的過(guò)程中，需要事先清理打磨位置，為焊接操作提供條件。實(shí)際上，常因打磨清潔不到位而出現(xiàn)殘留，致使焊縫四周產(chǎn)生滲碳層，則裂紋問(wèn)題接連出現(xiàn)，進(jìn)而換熱器性能逐漸減弱。此外，Ω 環(huán)切割處理后，會(huì)因環(huán)間距離擴(kuò)大而降低與管板裝配精度，并且還會(huì)使應(yīng)力過(guò)多集聚，最終影響焊接質(zhì)量，產(chǎn)生系列化質(zhì)量問(wèn)題[2]。

4 高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器檢修技術(shù)探討

首先，Ω 密封環(huán)換新方案。檢查發(fā)現(xiàn)泄漏路徑以焊縫為走向，檢修人員通過(guò)切割檢測(cè)Ω 環(huán)內(nèi)部，觀察是否存在裂紋，確定存在裂紋后，分析裂紋形狀以及數(shù)量，為換新方案制定提供依據(jù)。換新處理時(shí)，妥當(dāng)切割焊縫，并根據(jù)圖紙打磨受損位置，做好表面清潔工作，經(jīng)質(zhì)檢達(dá)到合格狀態(tài)，最后徹底消氫。

其次，Ω 密封環(huán)組裝、焊接?；炯庸げ僮鹘Y(jié)束后，細(xì)致檢查Ω 環(huán)水平度、貼合度，檢查無(wú)質(zhì)量問(wèn)題后，進(jìn)入組裝環(huán)節(jié)，確保組裝Ω 環(huán)與法蘭、管板同心度。組裝Ω 環(huán)。Ω環(huán)在組裝過(guò)程中對(duì)尺寸要求較高，在組焊Ω 環(huán)中間環(huán)縫之前，必須對(duì)管箱法蘭和殼體法蘭之間的距離進(jìn)行測(cè)量（一般測(cè)8點(diǎn)），與圖紙尺寸進(jìn)行對(duì)比，確保Ω 環(huán)與法蘭、Ω環(huán)瓣之間完全貼緊，檢測(cè)合格后方可焊接；否則容易引起焊接變形，間隙增大，在組裝并把緊螺栓后容易使角焊縫撕裂。需注意的是，檢修人員認(rèn)真檢查焊接前期的壓緊狀態(tài)，充分準(zhǔn)備焊接設(shè)備，經(jīng)焊接打底、填充、覆蓋等操作調(diào)整工藝參數(shù)，最后針對(duì)焊接成果再次檢驗(yàn)，直到符合質(zhì)量要求。

最后，組織試驗(yàn)活動(dòng)。上述焊接操作結(jié)束后，組織殼程水壓試驗(yàn)，如果投用一階段后出現(xiàn)泄漏問(wèn)題，應(yīng)適當(dāng)卸壓。再次對(duì)焊縫剖開(kāi)檢查，進(jìn)行100%PT 檢測(cè)，觀察是否存在裂紋，并收集裂紋信息。

4.1 檢修施工工藝要點(diǎn)以及拆裝技巧

Ω 密封環(huán)焊縫拆除階段，施工人員要靈活操控電動(dòng)工具，用行車等將管箱固定牢固，防止Ω 環(huán)切開(kāi)后管箱墜落。與此同時(shí)，適當(dāng)控制承載力，做好螺栓預(yù)留工作，及時(shí)、有序切除焊縫，嚴(yán)格按照工序完成施工任務(wù)。對(duì)于施工人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)提高自身技術(shù)水平，針對(duì)螺栓預(yù)緊問(wèn)題及時(shí)處理，適當(dāng)控制預(yù)緊力大小，實(shí)現(xiàn)螺栓均勻受力的良好效果[3]。

在維修的裝拆過(guò)程中，首先要進(jìn)行良好的定位，減小兩個(gè)Ω 形半環(huán)焊接接頭的錯(cuò)邊量；其次應(yīng)避免Ω 形環(huán)承受管箱或管板的重力，防止產(chǎn)生剪切破壞。具體結(jié)構(gòu)是在設(shè)備上設(shè)置4只裝拆螺栓，裝拆螺栓全長(zhǎng)要加工螺紋，管板上焊有帶螺紋的支耳，這樣既解決了兩個(gè)Ω 形半環(huán)的焊接定位問(wèn)題，又可以避免Ω 形環(huán)的承載。另外、為了在水壓合格后排凈全部積水，在Ω 環(huán)下方還設(shè)置一只8MM 小孔。

若既卸管箱又抽芯，則為了卸下管箱，將4只裝拆螺栓保留不卸，只卸掉其余的主螺栓，即維持管箱仍與管板連接，使用手動(dòng)切割或自動(dòng)切割工具先將卸去主螺栓處的Ω 環(huán)切開(kāi)，然后將每根裝拆螺栓兩邊各穿上兩只主螺栓，卸下四只裝拆螺栓，切割該螺栓下方的Ω 環(huán)遺留部分，從而完成整個(gè)管箱側(cè)Ω 環(huán)的切割工作，卸下管箱，再完成管板與殼體連接的Ω 環(huán)的切割工作，然后使用抽芯機(jī)抽出管束。

若只抽芯而不卸管箱，則將4只裝拆螺栓移至管箱法蘭螺栓孔與管板上螺紋支耳，卸掉其余的主螺栓，即維持管箱仍與管板連接，然后使用手動(dòng)切割或自動(dòng)切割工具完成管板與簡(jiǎn)體連接的Ω 環(huán)的切割工作，使用專用抽芯機(jī)將管束連帶管箱一起抽出。

最后按照設(shè)備螺栓圖樣要求，預(yù)緊力對(duì)設(shè)備螺栓再次均勻?qū)ΨQ上緊，以免因預(yù)緊力不足導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)Ω 環(huán)變形、甚至焊縫撕裂，而發(fā)生設(shè)備泄漏事故。

4.2 拆裝技巧

檢修拆裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行Ω 環(huán)密封結(jié)構(gòu)加氫換熱器檢修規(guī)程。由于加氫裝置中的介質(zhì)含有硫化物，在開(kāi)停工時(shí)，殘留的硫化物遇水或氧反應(yīng)會(huì)生成連多硫酸，因此在切割Ω 環(huán)前必須進(jìn)行堿洗，堿洗后不得用水清洗，用壓縮空氣吹干，使表面保留堿膜。若反應(yīng)器不卸料，則反應(yīng)殘余物在氣密試驗(yàn)過(guò)程中流經(jīng)Ω 環(huán)。所以必須防止在Ω 環(huán)內(nèi)的熱空氣冷卻凝結(jié)成水，形成連多硫酸應(yīng)力腐蝕環(huán)境。防范措施為，組焊Ω 環(huán)時(shí)在最底部預(yù)留5～10mm 不焊，待Ω 環(huán)其余部分全部焊完后停留一段時(shí)間，使Ω 環(huán)腔內(nèi)空氣冷卻至室溫后再補(bǔ)焊預(yù)留段，避免空氣凝結(jié)成水分。氣密性試驗(yàn)過(guò)程中用蒸氣皮帶加熱Ω 環(huán)底部直至試驗(yàn)完畢，使其溫度超過(guò)100℃將腔內(nèi)的水汽化，無(wú)法生成連多硫酸。

Ω 環(huán)切割多次后可拆卸更換，拆卸的時(shí)候，螺栓不要全拆開(kāi)，隔幾個(gè)留一個(gè)；用鉆頭先上下各鉆一個(gè)洞，排干腔體內(nèi)可燃?xì)怏w并置換下；用等離子切割，不要用乙炔，這樣Ω 環(huán)會(huì)比較齊，后面復(fù)位焊接的時(shí)候比較方便。

綜上所述，高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器用于化工企業(yè)，是加氫裝置中的主要設(shè)備，采用Ω 環(huán)密封結(jié)構(gòu)，可保證換熱器使用時(shí)無(wú)泄漏，安全可靠，也使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低設(shè)備造價(jià)。要求檢修人員全過(guò)程了解換熱器工作狀態(tài)，視情況運(yùn)用檢修技術(shù)處理Ω 環(huán)泄露問(wèn)題，從而提高換熱器利用率，大大減少安全風(fēng)險(xiǎn)。具體來(lái)說(shuō)科學(xué)制定檢修方案、掌握焊接工藝要點(diǎn)和施工工藝要點(diǎn)，推動(dòng)高壓臨氫Ω 環(huán)換熱器檢修水平邁向新臺(tái)階，促進(jìn)化工企業(yè)持續(xù)、穩(wěn)健發(fā)展，真正提高檢修技術(shù)實(shí)踐價(jià)值。