石化加氫裝置高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器檢修若干工藝要點(diǎn)

張凱鋒(南京揚(yáng)子檢修安裝有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210044)

1 螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

隨著20世紀(jì)80年代從美國(guó)引進(jìn)的兩套加氫裂化裝置的運(yùn)行，在中國(guó)石化系統(tǒng)開始使用高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器。伴隨著國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)展和逐步成熟，高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器逐步廣泛應(yīng)用在加氫裂化、渣油加氫、蠟油加氫等裝置上。

該結(jié)構(gòu)的換熱器管箱殼體端部是梯形螺紋結(jié)構(gòu)，與鎖緊環(huán)一起承受管箱內(nèi)的外壓。殼程的密封是由管箱內(nèi)部的螺栓來實(shí)現(xiàn)壓緊的。同時(shí)由于螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、內(nèi)構(gòu)件多、裝配復(fù)雜、拆裝需要借助專用工裝，對(duì)檢修和拆裝的要求較高[1]。

2 典型螺紋鎖緊環(huán)換熱器檢修工藝探討

200萬噸/年2#高壓加氫裂化裝置是南京某石化公司油品質(zhì)量升級(jí)及原油劣質(zhì)化改造工程的主體裝置之一，EA201106熱高分氣/冷低分油換熱器為高-低壓螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，也是該裝置關(guān)鍵設(shè)備，主要技術(shù)參數(shù)如下：

設(shè)備規(guī)格：Φ1200×7368.5×60/48；設(shè)備型式：DFU；設(shè)計(jì)壓力 (殼/管)：12.98/16.23 MPa；工作壓力(殼/管)：2.6/15.46 MPa；設(shè)計(jì)溫度 (殼/管)：211/260 ℃；工作溫度 (殼/管)：50～187/240～176 ℃；介質(zhì) (殼/管)：冷低分油/熱高分氣；殼體材質(zhì)：14Cr1Mo鍛；管箱材質(zhì)：Q345R(R-HIC)；管板材質(zhì)：14Cr1Mo 鍛；換熱管材質(zhì)：1.25Cr0.5Mo；換熱面積：400 m2；換熱管：Φ19×2×5000×25；程數(shù) (殼/管)：2/2。

熱高分/冷低分油換熱器(EA201106)其管程通過采用緊固外圈壓緊螺栓，經(jīng)外環(huán)頂銷、外圈環(huán)壓及密封盤，將壓力傳遞到密封盤墊片(管程密封墊片)而達(dá)到密封效果；管程與殼程之間通過法蘭聯(lián)接實(shí)現(xiàn)殼程密封。在設(shè)備運(yùn)行過程中若發(fā)現(xiàn)管程與殼程有串漏時(shí)，需拆卸鎖緊環(huán)，檢查管束尋找漏點(diǎn)。

由于設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間在高溫高壓狀態(tài)下工作，緊固螺栓、及承壓環(huán)等內(nèi)件承受壓力過大，在檢修過程中若方法不當(dāng)，會(huì)造成大量的螺栓或螺紋環(huán)不能順利的旋下，造成檢修時(shí)間延長(zhǎng)或設(shè)備損壞的情況發(fā)生。檢修時(shí)需要采用專用的檢修工具進(jìn)行拆裝，檢修過程中需要對(duì)換熱器的螺栓螺紋進(jìn)行重點(diǎn)的保護(hù)，以防出現(xiàn)螺紋咬死、拉傷等現(xiàn)象，從而影響檢修及設(shè)備的使用效果。

3 檢修工藝探討

2021年4月26日23:45裝置按照開車網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃系統(tǒng)壓力升至15.28 MPa后，停運(yùn)新氫壓縮機(jī)GB201102A進(jìn)行保壓試驗(yàn)，停機(jī)后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力下降速率異常，經(jīng)排查綜合分析判斷為熱高分氣與冷低分油換熱器EA201106內(nèi)漏導(dǎo)致。經(jīng)公司研究決定將其切出檢修。

3.1 檢修前的準(zhǔn)備

對(duì)要拆檢的螺紋鎖緊環(huán)換熱器先停車、卸壓、物料置換等；待設(shè)備溫度冷卻 至 160 ℃以下時(shí)，進(jìn)行澆注潤(rùn)滑油。正式檢修時(shí)，提前對(duì)螺紋鎖緊環(huán)注油孔澆注潤(rùn)滑油，對(duì)壓緊螺栓和需要拆除的管線法蘭連接螺栓噴涂螺栓松動(dòng)劑，便于檢修時(shí)拆卸螺 紋鎖緊環(huán)及壓緊螺栓、連接螺栓。

在作業(yè)前準(zhǔn)備好施工材料、備品備件。施工中所用的材料、備件等需提供合格的產(chǎn)品質(zhì)量證明文件，對(duì)材料有疑問時(shí)必要時(shí)需對(duì)材料進(jìn)行復(fù)測(cè)，對(duì)揚(yáng)子石化自行采購(gòu)、加工的小型零部件需其提供質(zhì)量保證文件并做好材料外形尺寸的復(fù)測(cè)及材質(zhì)檢驗(yàn)工作等。

3.2 拆除螺紋鎖緊環(huán)

空余12 h，對(duì)所拆的內(nèi)外圈壓緊，并將其涂抹上松動(dòng)劑，保證螺栓結(jié)構(gòu)的使用穩(wěn)定性和安全性；合理的選取使用風(fēng)動(dòng)扳手，力矩扳手等，對(duì)松開的螺栓壓緊處理，在拆卸之后，選取使用清洗劑清洗除銹，除銹之后，檢查除銹的效果最后放在原地進(jìn)行科學(xué)的保管和處理。

3.3 組裝既定的螺紋鎖緊環(huán)拆卸工裝作業(yè)

螺紋鎖緊的情況下，需要合理的進(jìn)行拆卸組裝，并選取使用50 t吊車將螺紋鎖緊裝置吊起，并使用導(dǎo)鏈結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行找正處理，螺紋鎖緊環(huán)拆卸工裝好以后，需要將壓蓋蓋好，固定好螺栓[2]。要按照螺紋鎖緊環(huán)、管箱平蓋處理，內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)壓圈等重量，合理的計(jì)算出螺紋結(jié)構(gòu)鎖緊環(huán)旋出，計(jì)算工裝過程中所需要的配重，并把好配重，如圖1、2所示。

圖1 拆卸工裝圖

圖2 密封盤拆卸示意圖

待螺紋結(jié)構(gòu)鎖緊旋出后，選取使用千葉輪拋光螺紋鎖緊節(jié)后，并在螺紋表面上對(duì)螺紋鎖緊裝置的表面進(jìn)行100% PT檢測(cè)處理，按照對(duì)應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行合理的處置。利用 25 t 吊車配合取出密封盤。

密封盤由于長(zhǎng)時(shí)間受高溫高壓的作用，無法再次使用，需報(bào)廢進(jìn)行更換新制作的密封盤。在拆裝的過程中，所有的密封面及管箱螺紋結(jié)構(gòu)都需要留心工作，選取使用膠皮或者橡膠板對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪墊保護(hù)，避免整體結(jié)構(gòu)遭到損傷。

換熱管與管板焊接接頭進(jìn)行 100% PT 檢測(cè)，按NB/T 47013.5—2015 中Ⅰ級(jí)合格。

4 殼程試壓方案的選擇

(1)對(duì)殼程按照設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)，檢查管頭及換熱管是否有泄漏，合格后泄壓。

若泄漏量微小，試壓難度大，視情況選擇以下三套試壓方法如下：第一種方法(首選方案)：水壓試漏，壓力不超過設(shè)計(jì)壓力12.98 MPa；第二種方法(備選方案，提前做好準(zhǔn)備工作)：氦氣試漏；第三種方法(備選方案，提前做好準(zhǔn)備工作)：氨氣試漏。

(2)殼程試壓過程中，具體操作如下：若換熱管管壁泄漏，可采取以下兩種方法：第一種方法：采用堵頭直接堵漏，不進(jìn)行焊接。堵頭規(guī)格φ14×φ16×100，材料同換熱管。第二種方法：用堵頭堵管后，將堵頭與管板以角焊縫方式焊接，焊接采用TG1CM 焊絲。

(3)若發(fā)現(xiàn)管頭角焊縫有泄漏，可采取以下方法：對(duì)管頭做好標(biāo)記，并進(jìn)行局部清理，去除缺陷部位油污雜質(zhì)及水汽等；缺陷清除，對(duì)泄漏部位焊肉徹底清除(若換熱管的管壁泄漏，則采用堵管方法對(duì)泄漏的換熱管進(jìn)行堵焊)；焊肉去除部位表面 PT 徹底檢查，合格后進(jìn)行下一步焊接；對(duì)缺陷部位進(jìn)行補(bǔ)焊；無損檢測(cè)：在返修后對(duì)焊接接頭進(jìn)行 100% PT檢測(cè)合格。

4.1 管程內(nèi)件回裝

組裝半圓板及密封盤，符合圖樣要求；依據(jù)如圖3所示。組螺紋鎖緊環(huán)與螺紋鎖緊環(huán)旋入工裝內(nèi)部，保證壓緊螺栓結(jié)構(gòu)能夠保持進(jìn)出的通暢性與完整性。待旋入螺紋鎖緊環(huán)之前，需要將臨時(shí)性的墊子全部取出，修磨管箱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的螺紋。選取使用吊車起吊螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)，并旋入工裝和處理，找正具體的位置，選取使用導(dǎo)鏈結(jié)構(gòu)，與管箱結(jié)構(gòu)對(duì)接處理，并慢慢的旋入內(nèi)部，旋至圖紙規(guī)定的尺寸后，取下對(duì)應(yīng)的螺紋鎖緊環(huán)工裝結(jié)構(gòu)。

圖3 螺紋鎖緊環(huán)組裝圖

4.2 回裝、把緊壓緊螺栓

壓緊螺栓在擰緊過程中，擰緊時(shí)應(yīng)上下左右均勻?qū)ΨQ擰緊，分三次擰緊，第一次為 50%力矩，第二次為 80%力矩，第三次為 100%力矩。最后再用標(biāo)準(zhǔn)力矩均勻擰緊，以確保管程墊片受力均勻。

5 螺紋鎖緊環(huán)換熱器檢修中主要故障和處理方法探討

5.1 內(nèi)、外壓緊螺栓旋不出或旋斷

(1)原因分析。在本次檢修中，熱高分/冷低分油換熱器(EA201106)螺紋鎖緊環(huán)換熱器出現(xiàn)了內(nèi)外圈螺栓旋不動(dòng)甚至旋斷的情況，給檢修拆卸造成了較大的困難。出現(xiàn)這種情況的原因有以下幾方面：首先，設(shè)計(jì)的螺栓直徑偏小、長(zhǎng)度偏長(zhǎng)、螺紋摩擦副細(xì)牙螺紋絲扣較長(zhǎng)，當(dāng)螺栓出現(xiàn)變形、錯(cuò)位， 或者在預(yù)緊時(shí)扭矩過大，就會(huì)發(fā)生亂絲情況導(dǎo)致螺栓無法順利旋出。其次，由于管箱結(jié)構(gòu)內(nèi)部與殼體的材質(zhì)膨脹處理的系數(shù)存在不通過，且在具體的運(yùn)行管理過程中，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)件軸向變形量不一致，一定溫差變化的條件下，可能會(huì)導(dǎo)致螺栓結(jié)構(gòu)與結(jié)合面導(dǎo)致形成磨損、凹坑，甚至?xí)?dǎo)致螺栓變形而使得螺栓無法順利旋出。

(2)故障處理。部分壓緊螺栓在擰松的情況下擰斷，在對(duì)應(yīng)的頭蓋位置拆下后，選取機(jī)械加工處理，若在螺栓結(jié)構(gòu)斷裂的過程中，螺栓沒有擰緊，則可在現(xiàn)場(chǎng)將斷裂的螺栓結(jié)構(gòu)取出，這樣即不能夠破壞螺栓，也要安裝前期的所有螺孔，重新攻絲處理。

5.2 內(nèi)法蘭螺栓旋不出或旋斷

(1)原因分析。由于內(nèi)法蘭螺栓結(jié)構(gòu)頭部并沒有頂柱，并且在各種軸向力的作用下，頭部結(jié)構(gòu)容易墩粗或者彎曲，另外若法蘭螺栓結(jié)構(gòu)與內(nèi)法蘭、三合環(huán)材質(zhì)搭配不佳，也會(huì)導(dǎo)致其在高溫的作用下產(chǎn)生變形而咬死的現(xiàn)象發(fā)生。

(2)故障處理。由于內(nèi)法蘭螺栓結(jié)構(gòu)主要是通過三合環(huán)上的螺栓孔在內(nèi)法蘭上的，出現(xiàn)咬死或者不能旋出的情況時(shí)要把埋在三合環(huán)孔內(nèi)的螺栓頭處理掉，再用磁力鉆把三合環(huán)孔內(nèi)的螺栓取出， 并且要根據(jù)絲扣的損壞情況， 進(jìn)行堆焊或重新攻絲；在內(nèi)法蘭螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以考慮將內(nèi)法蘭螺栓的頭部結(jié)構(gòu)扣改為縮徑光桿結(jié)構(gòu)，避免由于預(yù)緊的過程導(dǎo)致存在螺栓頭部墩粗或者彎曲，從而引發(fā)無法拆卸等的情況。

5.3 鎖緊環(huán)螺紋旋出困難或過程中咬死

(1)原因分析。鎖緊環(huán)螺紋與殼體螺紋之間如有雜物或出現(xiàn)變形鎖緊環(huán)在旋進(jìn)或旋出過程中會(huì)對(duì)這兩處螺紋造成損傷；或者操作過程中頻繁出現(xiàn)較大的波動(dòng)，也可能造成螺紋的缺陷，拆除過程中就會(huì)出現(xiàn)旋出困難或者咬死的情況；另外在安裝過程中如果螺紋鎖緊環(huán)與殼體在拆卸過程中不能一直保持較好的同心度和垂直度，也會(huì)出現(xiàn)上述情況。

(2)故障處理。針對(duì)上述情況，在拆除過程中可采取在管箱殼體外包上電加熱器加熱使殼體膨脹，或?qū)β菁y鎖緊環(huán)腔體注入干冰進(jìn)行冷卻的方法進(jìn)行拆除。當(dāng)螺紋鎖緊環(huán)旋出和旋進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)卡滯現(xiàn)象時(shí)，需檢查專用工具與鎖緊環(huán)、殼體的同心度，同時(shí)可進(jìn)行幾次正反旋動(dòng)， 并加潤(rùn)滑油以消除毛刺；如果卡滯較嚴(yán)重，在適當(dāng)提高鎖緊環(huán)外圈上的力直至旋出。

6 螺紋鎖緊環(huán)換熱器檢修過程密封失效補(bǔ)充說明

螺紋鎖緊環(huán)換熱器主要有兩道密封：一是防止管殼層介質(zhì)互竄的內(nèi)部密封，該處密封的墊片安裝在管板內(nèi)側(cè)，如圖4所示。二是防止管程介質(zhì)向外界泄漏的外部密封，密封的墊片安裝在密封盤管箱筒體的端部的臺(tái)階處。

圖4 管板側(cè)密封圖

6.1 內(nèi)密封預(yù)緊及密封過程施工工序

內(nèi)密封的管程墊片上所需的初始預(yù)緊力及操作預(yù)緊力由內(nèi)法蘭螺栓提供，并依次經(jīng)過以下組件順序壓緊而得到：預(yù)緊內(nèi)法蘭螺栓-分合環(huán)-隔板箱(分程箱)-殼程墊片-管板。

當(dāng)擰緊內(nèi)法蘭上單頭螺栓時(shí)，螺栓會(huì)頂在隔板箱上。繼續(xù)擰緊螺栓時(shí)內(nèi)法蘭會(huì)被卡在槽內(nèi)的分合環(huán)頂住，同時(shí)內(nèi)法蘭螺栓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向前的力，把隔板箱和管板向前推進(jìn)，使殼程墊片得到一定的比壓，從而起到密封的作用。

6.2 外密封預(yù)緊預(yù)緊及密封過程施工工序

外密封墊片上所需的初始預(yù)緊力及操作預(yù)緊力由外圈壓緊螺栓提供，并依次經(jīng)過以下組件順序壓緊而得到：外壓桿-外壓環(huán)-密封盤，最終通過鎖緊環(huán)和筒體端部之間的梯形螺紋傳給殼體。

擰緊外圈壓緊螺栓時(shí)，外圈頂銷就會(huì)頂在外壓環(huán)上。由于螺紋結(jié)構(gòu)鎖緊的過程中，主要導(dǎo)致螺紋固定在殼體結(jié)構(gòu)上，就會(huì)導(dǎo)致殼體給螺紋鎖緊環(huán)一個(gè)向前的作用力，因此在擰緊外圈的螺栓結(jié)構(gòu)以后需要壓緊密封盤和管程墊片，由于管程墊片結(jié)構(gòu)的接觸面積相對(duì)較小，因此產(chǎn)生的比壓力也較大，起到較好的密封處理作用。同時(shí)，在具體的運(yùn)行管理過程中，由于管箱內(nèi)介質(zhì)壓力相對(duì)較高，管箱內(nèi)產(chǎn)生的軸向力由螺紋鎖緊環(huán)通過梯形螺紋由殼體來承受。

7 螺紋鎖緊環(huán)換熱器泄漏的類型及原因分析

7.1 螺紋鎖緊環(huán)換熱器內(nèi)漏原因分析及措施

螺紋鎖緊環(huán)換熱器殼程密封失效主要原因：一是受內(nèi)密封處的密封組件質(zhì)量影響，如墊片、螺栓、密封面質(zhì)量的影響造成密封失效；二是受安裝質(zhì)量的影響，如安裝過程預(yù)緊、墊片安裝問題等原因造成的密封失效。另外由于密封結(jié)構(gòu)的墊片回彈能力較好，決定了泄漏的程度，回彈能力越強(qiáng)則會(huì)較好的彌補(bǔ)因?yàn)閴毫?、溫度波?dòng)等導(dǎo)致的泄漏現(xiàn)象發(fā)生，從一定程度上看，消除內(nèi)漏問題的發(fā)生，從基礎(chǔ)的運(yùn)行和管理經(jīng)驗(yàn)上看，要盡量的避免由于石墨纏繞墊的出現(xiàn)，考慮H-H螺紋鎖緊環(huán)換熱器高溫、高壓環(huán)境，最好選用雙金屬自密封波齒墊(見圖4)。其金屬的線密封和柔性石墨密封的雙重作用在高溫、高壓環(huán)境下表現(xiàn)出更好的壓力、溫度的均布性和補(bǔ)償性，可以確保它的密封性能更好、使用壽命更長(zhǎng)[3]。

7.2 內(nèi)法蘭螺栓耐高溫下彈性降低的影響

內(nèi)法蘭螺栓結(jié)構(gòu)的塑性變形在高溫的環(huán)境下，和應(yīng)力共同作用，隨著時(shí)間的增加而增大，相反，彈性應(yīng)力在此狀況下，會(huì)隨著時(shí)間的增加而減小，并且在開工處理的過程中，會(huì)遇到溫度大，并且幅度波動(dòng)的情況，因此墊片會(huì)因IC密封壓不夠而導(dǎo)致內(nèi)漏現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)力松弛發(fā)生的頻率也越來越高，內(nèi)漏也會(huì)加劇。目前內(nèi)法蘭螺栓一般選用SA453-660B型鎳基高溫高強(qiáng)合金材質(zhì)，其在650 ℃以下具有較高的屈服強(qiáng)度和持久、蠕變強(qiáng)度，能夠滿足在運(yùn)行環(huán)境要求。

7.3 密封面缺陷引起的密封失效

主要是密封槽槽底或管束管板密封面出現(xiàn)貫通缺陷如凹槽、溝槽、密封面變形超出了墊片補(bǔ)償能力、密封處有污物槽凸物影響墊片與兩側(cè)密封面緊密接觸等原因造成的內(nèi)密封失效。這種失效較難通過緊固內(nèi)圈壓緊螺栓來消除，因此這也是安裝和拆除中需要重點(diǎn)檢查和處理的。

8 螺紋鎖緊環(huán)換熱器外漏原因分析

螺紋鎖緊環(huán)換熱器的外漏除了因殼體制造原因引起的泄漏外，主要是管箱處密封原因引起的外漏。

8.1 管程密封槽缺陷引起的密封失效

管程密封的墊片是安裝在管程殼體上的密封槽內(nèi)，如果對(duì)應(yīng)的密封槽槽底結(jié)構(gòu)密封面出現(xiàn)了貫通的現(xiàn)象，則會(huì)超出墊片結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償能力而發(fā)生變形，由此可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)密封泄漏的現(xiàn)象。另外，當(dāng)槽內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，則會(huì)影響到密封盤的定位，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件安裝不到位的現(xiàn)象，例如密封墊在密封槽內(nèi)發(fā)生偏移將會(huì)影響其與密封盤密封面均勻接觸而引起泄漏；或者密封盤安裝時(shí)下墜壓到密封槽內(nèi)外側(cè)凸臺(tái)上也會(huì)引起泄漏。

8.2 壓緊螺栓和頂桿原因引起密封失效

這種失效主要是由以下三個(gè)原因引起：(1)外壓緊螺栓螺紋損壞影響預(yù)緊；(2)頂桿彎曲影響預(yù)緊；(3)頂桿一端因鉆取壓緊螺栓形成錐孔影響預(yù)緊，甚至造成受壓后端口擠壓變粗阻礙頂進(jìn)。

9 結(jié)語(yǔ)

(1)螺紋鎖緊環(huán)換熱器的墊片在高溫情況下很容易出現(xiàn)變形、失去回彈力。建議選擇使用雙金屬自密封波齒墊，同時(shí)考慮采用耐高溫和腐蝕以及應(yīng)力松弛率和回彈率好的碟簧來彌補(bǔ)溫差、壓力引起的變化。

(2)螺紋鎖緊環(huán)換熱器的檢修關(guān)鍵在于管殼程墊片的安裝，特別是在安裝內(nèi)法蘭螺栓前要精確計(jì)算螺栓的預(yù)緊力、并涂抹高溫螺紋防咬合劑。緊固螺栓過程建議按照預(yù)緊力的50%、80%、100%分步、對(duì)稱緊固，確保預(yù)緊力均勻分布。防止密封墊片受力不均導(dǎo)致墊片與密封面未完全接觸而產(chǎn)生泄漏。

(3)檢修拆卸換熱器時(shí)要注意不要損傷到大螺紋，同時(shí)對(duì)拆下的鎖緊環(huán)螺紋和管箱螺紋需要仔細(xì)清理、檢查。對(duì)損傷的鎖緊環(huán)需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，必要時(shí)需返廠修復(fù)或更換。另外要保護(hù)好管箱螺紋，避免檢修過程受到損壞。