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(kuò)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(duì)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(shí)踐中，廠家一般很難做到按設(shè)計(jì)圖樣要求的試驗(yàn)壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)，通常的做法是與設(shè)計(jì)方溝通后降低試驗(yàn)壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)。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(jiǎn)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(jiǎn)稱螺紋熱交換器)為例，介紹水壓試驗(yàn)的過程控制[3]，分析探討水壓試驗(yàn)的難點(diǎn)和要點(diǎn)[4]。

1 高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器概況

1.1 設(shè)計(jì)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(yīng)流出物，管程介質(zhì)為循環(huán)氫，管板最大設(shè)計(jì)壓差為6.17 MPa，管板最大試驗(yàn)壓差為12.44 MPa，管程和殼程的設(shè)計(jì)條件和要求見表1。表1中水壓試驗(yàn)壓力指臥式條件下。

表1 螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器設(shè)計(jì)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(yàn)時(shí)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(dòng)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(dǎo)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(yàn)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(yàn)差壓進(jìn)行殼程水壓試驗(yàn)，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?qǐng)D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(yàn)和驗(yàn)收》[7]的規(guī)定，在殼程和管程兩側(cè)同時(shí)充水加壓至圖樣規(guī)定的設(shè)計(jì)壓力和試驗(yàn)壓力，保壓30 min以上，檢查管程和殼程。在管、殼程同時(shí)試驗(yàn)過程中，管程和殼程的壓力差在任何時(shí)間內(nèi)均不得超過圖樣規(guī)定的試驗(yàn)壓差。

3 高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器水壓試驗(yàn)嚴(yán)控工序

3.1 管箱筒體、管板密封面檢測(cè)及二次精加工

設(shè)計(jì)圖樣中要求管箱筒體、管板兩側(cè)的密封面應(yīng)光滑，不得有刻線、劃痕等降低強(qiáng)度和影響密封性能的缺陷，管板端面與管束軸線應(yīng)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(duì)管箱筒體及管板兩側(cè)密封面進(jìn)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(duì)管箱筒體密封面打表檢測(cè)(圖3)。若檢測(cè)結(jié)果不符合圖樣要求，需對(duì)管箱筒體密封面進(jìn)行二次加工。

圖3 管箱筒體密封面平面度檢測(cè)

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(jìn)行檢測(cè)(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(duì)管板背部密封面進(jìn)行二次精加工。

圖4 管板平面度檢測(cè)

3.2 內(nèi)部螺栓緊固和電動(dòng)力矩扳手的使用

管束與殼體按要求組裝到位后，進(jìn)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(yàn)的關(guān)鍵。由于此類設(shè)備的內(nèi)部螺栓規(guī)格大，安裝時(shí)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(dòng)力矩扳手進(jìn)行緊固[8]。電動(dòng)力矩扳手控制器見圖5。

圖5 電動(dòng)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(dòng)力矩扳手的用法和內(nèi)部螺栓上緊步驟。采用交叉對(duì)稱分步加載的方式進(jìn)行上緊，第1步完成約30%的上緊力矩，即按3 000 N·m進(jìn)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(jìn)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(jìn)行米字型交叉上緊；最后一步按100%上緊力矩(9 500 N·m)進(jìn)行米字型交叉上緊。內(nèi)部螺栓上緊后嚴(yán)格按水壓試驗(yàn)操作規(guī)程進(jìn)行殼程側(cè)水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力12.44 MPa，最終殼程側(cè)水壓試驗(yàn)一次合格。

3.3 緊螺紋鎖緊環(huán)旋進(jìn)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(cè)量密封盤到管箱筒體端部距離并記錄，按圖樣尺寸(圖6)計(jì)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(jì)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(jìn)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(cè)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(dòng)力矩扳手嚴(yán)格按交叉對(duì)稱分步加載的方式進(jìn)行上緊，內(nèi)、外圈壓緊螺栓上緊后對(duì)設(shè)備進(jìn)行最終水壓試驗(yàn)，依據(jù)水壓試驗(yàn)程序進(jìn)行，兩程壓差不得超過圖樣規(guī)定的試驗(yàn)壓差。

圖7 裝配螺紋鎖緊環(huán)專用工裝及操作現(xiàn)場(chǎng)

4 水壓試驗(yàn)管殼程串漏原因分析及串漏改進(jìn)措施

4.1 串漏情況介紹

在水壓試驗(yàn)過程中，當(dāng)殼程水壓試驗(yàn)合格后，依次組裝管箱部件，嚴(yán)格把控各零件的裝配要求，組裝完畢后進(jìn)行管、殼程水壓試驗(yàn)。在管、殼程同時(shí)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(cè)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(yán)格控制，各個(gè)步驟嚴(yán)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(yàn)過程中管、殼程之間發(fā)生串漏而導(dǎo)致兩側(cè)壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)文件所要求的水壓試驗(yàn)數(shù)值。

經(jīng)拆卸管箱內(nèi)件，檢測(cè)零部件尺寸及接觸面平面度，確認(rèn)未發(fā)現(xiàn)局部變形，制造和裝配均符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)試壓過程進(jìn)行分析[10]，設(shè)備殼程單獨(dú)水壓試驗(yàn)時(shí)壓力為12.44 MPa，設(shè)備最終水壓試驗(yàn)時(shí)壓差為5.01 MPa，因此設(shè)備管、殼程同時(shí)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(rèn)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(jìn)措施

基于上述分析和波齒復(fù)合墊片的特點(diǎn)，調(diào)整水壓試驗(yàn)操作。柔性石墨熔點(diǎn)高、自潤(rùn)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(fù)合后，墊片兼具金屬墊片和非金屬墊片的特點(diǎn)，因此波齒復(fù)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(yīng)溫度和壓力的波動(dòng)，耐介質(zhì)腐蝕性及保證密封安全可靠等受力特點(diǎn)[12-13]。因此將水壓試驗(yàn)操作改進(jìn)為，殼程側(cè)水壓試驗(yàn)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(duì)應(yīng)的60%～70%的力矩值(5 700～6 500 N·m)進(jìn)行米字型交叉緊固，內(nèi)部螺栓緊固后再進(jìn)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(diǎn)完成裝配。待螺紋鎖緊環(huán)裝配完成后測(cè)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(dòng)力矩扳手嚴(yán)格按交叉對(duì)稱分步加載的方式進(jìn)行上緊，內(nèi)、外圈壓緊螺栓上緊后對(duì)設(shè)備進(jìn)行最終(管殼程同時(shí))水壓試驗(yàn)。上述改進(jìn)措施實(shí)施后，水壓試驗(yàn)一次合格。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)大規(guī)格高高壓螺紋鎖緊環(huán)式熱交換器按照設(shè)計(jì)圖樣技術(shù)要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)技術(shù)攻關(guān)。通過設(shè)備制造階段對(duì)零部件加工要求和裝配精度的嚴(yán)格控制[14]，對(duì)試壓過程中墊片受力情況的分析，明確了水壓試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)。