(中國(guó)寰球工程公司， 北京 100012)

乙烯裝置大直徑熱交換器水壓試驗(yàn)泄漏分析

張馳群

(中國(guó)寰球工程公司， 北京 100012)

近年來(lái)乙烯裝置中大直徑浮頭式或U形管式熱交換器水壓試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)管箱與管板密封連接處泄漏的問(wèn)題，在發(fā)生泄漏的大直徑熱交換器管板密封面外緣和管箱法蘭密封面凸臺(tái)內(nèi)側(cè)間隙處，局部可見(jiàn)被擠出的密封墊片，此部位泄漏問(wèn)題幾次出現(xiàn)在不同制造單位制造的幾臺(tái)大直徑熱交換器水壓試驗(yàn)過(guò)程中，具有一定的典型性。針對(duì)此問(wèn)題，從密封連接處相關(guān)尺寸的加工偏差、密封墊片的選擇和設(shè)計(jì)、管箱熱處理與法蘭密封面機(jī)加工的工序以及水壓試驗(yàn)帶壓緊固等方面進(jìn)行了原因分析，并相應(yīng)給出意見(jiàn)及建議，可供工程設(shè)計(jì)和制造單位參考。

熱交換器； 乙烯裝置； 水壓試驗(yàn)； 泄漏； 原因分析

隨著乙烯裝置的大型化，大直徑熱交換器(公稱直徑大于或等于1.8 m的浮頭式或U形管式熱交換器)的使用不斷增多。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)幾個(gè)制造廠商在承接大型乙烯裝置的大直徑熱交換器制造任務(wù)時(shí)，接連出現(xiàn)制造完成后進(jìn)行水壓試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生泄漏的情況，泄漏主要集中在熱交換器管箱法蘭與管板間的密封連接處(圖1)，具有一定的典型性。文中以1臺(tái)直徑2 m的浮頭式熱交換器為例，對(duì)此類大直徑熱交換器水壓試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生泄漏的主要原因進(jìn)行分析，并給出了相應(yīng)建議[1-6]。

1 密封連接處相關(guān)尺寸加工偏差問(wèn)題

在發(fā)生泄漏的大直徑熱交換器管板密封面外緣和管箱法蘭密封面凸臺(tái)內(nèi)側(cè)的間隙處，局部可見(jiàn)被擠出的密封墊片，墊片被擠出部分的纏繞層結(jié)構(gòu)基本完好，未出現(xiàn)散開(kāi)情形。實(shí)際測(cè)量擠出墊片處，發(fā)現(xiàn)管箱法蘭密封面凸臺(tái)內(nèi)側(cè)與管板外緣(管板外徑處)間的實(shí)際間隙為10 mm，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)圖樣以及NB/T 47020～47027—2012《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》中規(guī)定的1.5 mm[7]。拆下管箱后對(duì)管箱法蘭密封面及管板外徑進(jìn)行尺寸測(cè)量，發(fā)現(xiàn)管箱法蘭密封面凸臺(tái)內(nèi)徑尺寸和管板外徑尺寸與圖樣尺寸存在一定加工偏差，均超過(guò)加工允差。按設(shè)計(jì)圖樣，管箱法蘭密封面凸臺(tái)內(nèi)徑應(yīng)比管板外徑大3 mm，而加工后實(shí)際卻大了18 mm，再加上裝配時(shí)產(chǎn)生的偏差，最終造成在墊片被擠出部位管箱法蘭密封面凸臺(tái)內(nèi)側(cè)與管板外緣間的實(shí)際間隙為10 mm。如果不出現(xiàn)上述超過(guò)允差的加工偏差，加壓時(shí)纏繞墊片應(yīng)不會(huì)被擠出，也不會(huì)出現(xiàn)或減輕泄漏現(xiàn)象。因此，大直徑熱交換器管箱法蘭及管板的加工偏差問(wèn)題應(yīng)引起重視。

選擇大直徑熱交換器制造廠商時(shí)，應(yīng)考察其在制造此類設(shè)備方面的裝備情況、機(jī)加工能力和相關(guān)業(yè)績(jī)，必要時(shí)派駐廠監(jiān)造人員，加強(qiáng)對(duì)管箱法蘭密封面凸臺(tái)內(nèi)徑及管板外徑尺寸允差的檢查和控制。

2 密封墊片選擇和設(shè)計(jì)問(wèn)題

此浮頭式熱交換器中使用的密封墊片是按照GB/T 29463.2—2011《管殼式熱交換器用墊片 第2部分：纏繞式墊片》直接選用的[8]，墊片為帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的纏繞墊片，對(duì)應(yīng)壓力等級(jí)、墊片尺寸及材料選擇等均符合規(guī)范和設(shè)備設(shè)計(jì)條件。但從幾臺(tái)大直徑熱交換器均出現(xiàn)水壓試驗(yàn)泄漏的實(shí)際情況看，大直徑熱交換器密封墊片的選擇和設(shè)計(jì)仍有改進(jìn)空間。

該熱交換器發(fā)生水壓試驗(yàn)泄漏后，設(shè)計(jì)單位調(diào)整了墊片設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相關(guān)核算，把原來(lái)按規(guī)范直接選用的帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的纏繞墊片調(diào)整為非標(biāo)設(shè)計(jì)的帶內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)的纏繞墊片，見(jiàn)圖2。新的纏繞墊片增加了外加強(qiáng)環(huán)[9]，可以有效防止纏繞墊片在水壓試驗(yàn)升壓時(shí)從管板密封面外緣和管箱法蘭密封面凸臺(tái)內(nèi)側(cè)間隙處被擠出的情況發(fā)生。另外，大直徑纏繞墊片在運(yùn)輸及安裝過(guò)程中易散架，外加強(qiáng)環(huán)還可以一定程度上起到防散架的作用。設(shè)計(jì)調(diào)整后的帶內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)的纏繞墊片在該熱交換器上得到成功應(yīng)用和驗(yàn)證，不再出現(xiàn)管板密封面外緣和管箱法蘭密封面凸臺(tái)內(nèi)側(cè)間隙處密封墊片被擠出的情況，且墊片密封效果良好。因此，對(duì)大直徑熱交換器的管箱側(cè)法蘭與管板的密封纏繞墊片，建議采用帶內(nèi)外環(huán)的非標(biāo)設(shè)計(jì)，即使管板和管箱法蘭密封面處的相關(guān)尺寸出現(xiàn)超過(guò)允差的加工偏差，仍可有效防止水壓試驗(yàn)時(shí)墊片被局部擠出而發(fā)生泄漏。

圖2 帶外加強(qiáng)環(huán)纏繞墊片密封結(jié)構(gòu)局部放大圖

3 管箱熱處理與法蘭密封面機(jī)加工工序問(wèn)題

該浮頭式熱交換器設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定，管箱應(yīng)進(jìn)行整體熱處理。對(duì)熱交換器的制造過(guò)程文件，包括制造工序及熱處理過(guò)程等文件進(jìn)行審查，發(fā)現(xiàn)制造廠雖按設(shè)計(jì)圖樣要求對(duì)管箱進(jìn)行了整體熱處理，但并未在熱處理后對(duì)管箱法蘭密封面進(jìn)行加工，只在法蘭組焊到管箱筒體上之前完成了密封面的精加工。由此可見(jiàn)，設(shè)備法蘭密封面的整體平面度及加工精度有可能受熱處理的影響而得不到保證，是造成管箱側(cè)墊片密封處水壓試驗(yàn)時(shí)泄漏的另一原因。

雖然GB/T 151—2014《熱交換器》[10]中規(guī)定了管箱、浮頭蓋的設(shè)備法蘭密封面應(yīng)在熱處理后加工，但設(shè)計(jì)圖樣上還應(yīng)對(duì)此進(jìn)行明確規(guī)定，尤其對(duì)大直徑熱交換器的管箱法蘭密封面，以防止制造廠出現(xiàn)顛倒工序的問(wèn)題。另外，選擇大直徑熱交換器的制造廠商時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考察其在大直徑熱交換器制造加工方面的能力，同時(shí)加強(qiáng)此類設(shè)備的監(jiān)造。

4 水壓試驗(yàn)帶壓緊固問(wèn)題

幾臺(tái)發(fā)生泄漏的大直徑熱交換器均在水壓試驗(yàn)泄漏時(shí)進(jìn)行了帶壓緊固螺栓的操作，有些泄漏減輕，有的多次緊固后仍無(wú)任何效果。經(jīng)制造廠確認(rèn)，泄漏的設(shè)備法蘭和管板密封面上均未發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生泄漏通道的劃痕和溝槽。在現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)操作過(guò)程中，有些帶壓緊固未使用帶讀數(shù)的力矩扳手，有些雖使用了帶讀數(shù)的力矩扳手，但無(wú)法提供當(dāng)時(shí)的扳手力矩?cái)?shù)值。筆者認(rèn)為，管箱法蘭與管板間的纏繞墊片局部被擠出會(huì)造成墊片單位有效密封面積減少，密封墊片有可能在帶壓緊固過(guò)程中被壓潰而失效，即墊片被壓縮發(fā)生塑性變形失去回彈能力而產(chǎn)生泄漏。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹[11]，為防止墊片因壓縮發(fā)生塑性變形而失去回彈能力，一般應(yīng)控制墊片上的最大壓緊力不超過(guò)4y(y為墊片單位有效密封面積上的壓緊力[12])。另外，若單位有效密封面積上的實(shí)際壓緊力小于y，會(huì)使泄漏通道不能消除而達(dá)不到預(yù)密封要求。因此，墊片單位有效密封面積上的實(shí)際壓緊力y′可參照y≤y′≤4y的原則進(jìn)行控制。

基于此，筆者建議，設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)在圖樣上明確規(guī)定水壓試驗(yàn)工況下大直徑熱交換器管箱法蘭和管板連接用緊固螺栓的預(yù)緊力數(shù)值和控制要求，制造單位或者現(xiàn)場(chǎng)安裝單位在進(jìn)行大直徑熱交換器水壓試驗(yàn)的帶壓緊固時(shí)最好使用帶讀數(shù)的力矩扳手，并且控制好施加在螺栓上的力矩，進(jìn)而控制作用在墊片單位有效密封面積上的實(shí)際壓緊力不超過(guò)4y，以防止墊片被壓縮發(fā)生塑性變形失去回彈能力而產(chǎn)生泄漏。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)近年來(lái)接連出現(xiàn)的乙烯裝置中大直徑浮頭式或U形管式熱交換器水壓試驗(yàn)時(shí)管箱法蘭與管板密封連接處出現(xiàn)泄漏的情況，從多方面分析了泄漏產(chǎn)生原因并提出了改進(jìn)措施，筆者建議：①應(yīng)選擇具備大直徑熱交換器機(jī)加工能力的制造廠商，并嚴(yán)格控制管板及管箱法蘭密封面相關(guān)尺寸的加工偏差。②設(shè)計(jì)圖樣中應(yīng)明確提出管箱、浮頭蓋的設(shè)備法蘭密封面應(yīng)在熱處理后加工的要求，必要時(shí)派駐廠監(jiān)造人員嚴(yán)格控制相關(guān)制造工序。③大直徑熱交換器管箱法蘭與管板密封連接處纏繞墊片可設(shè)計(jì)成帶內(nèi)外環(huán)的纏繞墊片。④制造單位在進(jìn)行大直徑熱交換器水壓試驗(yàn)時(shí)，如需要帶壓緊固，應(yīng)使用帶讀數(shù)的力矩扳手，有效控制作用在墊片單位有效密封面積上的實(shí)際壓緊力，防止墊片被壓發(fā)生塑性變形失去回彈能力而產(chǎn)生泄漏。

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(GB/T 29463.2—2011，Gaskets Used in Tube-shell Heat Exchangers—Part 2： Spiral Wound Gasket[S].)

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(GB/T 151—2014，Heat Exchangers[S].)

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(GB 150.3—2011，Pressure Vessels—Part 3：Design[S].)

(張編)

CauseAnalysisonHydrostaticTestLeakageforHeatExchangerswithLargeDiameter

ZHANGChi-qun

(China Huanqiu Contracting & Engineering Corporation， Beijing 100012， China)

The leakage between the tubesheet and channel happened when performing the hydrostatic test for floating head type and U-type heat exchangers with larger diameter，which were used recent years in the ethylene plant. The extruded gasket located at the gap of between the sealing surface outer edge of tubesheet and inside edge of channel sealing surface has been partly seen. That happened several times at a few manufacturers. Cause analysis on hydrostatic test leakage for heat exchangers with larger diameter has been presented. It involved four aspects：machining deviation of sealing connection，gasket selection and engineering design，the processing order between the post heat treatment of channel and machining of seal surface of the flange，fastening the bolts when taking hydrostatic test. The detailed comments and suggestions have been given for the reference of the engineering company and fabrication units.

heat exchanger； ethylene plant； hydrostatic test； leakage； cause analysis

TQ051.5； TE965

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.014

1000-7466(2017)03-0064-03①

2016-12-02

張馳群(1976-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)管理工作。