乙烯裝置大直徑熱交換器水壓試驗泄漏分析

(中國寰球工程公司， 北京 100012)

乙烯裝置大直徑熱交換器水壓試驗泄漏分析

張馳群

(中國寰球工程公司， 北京 100012)

近年來乙烯裝置中大直徑浮頭式或U形管式熱交換器水壓試驗時，出現(xiàn)管箱與管板密封連接處泄漏的問題，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內(nèi)側(cè)間隙處，局部可見被擠出的密封墊片，此部位泄漏問題幾次出現(xiàn)在不同制造單位制造的幾臺大直徑熱交換器水壓試驗過程中，具有一定的典型性。針對此問題，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、管箱熱處理與法蘭密封面機加工的工序以及水壓試驗帶壓緊固等方面進行了原因分析，并相應(yīng)給出意見及建議，可供工程設(shè)計和制造單位參考。

熱交換器； 乙烯裝置； 水壓試驗； 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，國內(nèi)幾個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，接連出現(xiàn)制造完成后進行水壓試驗過程中發(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臺直徑2 m的浮頭式熱交換器為例，對此類大直徑熱交換器水壓試驗時產(chǎn)生泄漏的主要原因進行分析，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內(nèi)側(cè)的間隙處，局部可見被擠出的密封墊片，墊片被擠出部分的纏繞層結(jié)構(gòu)基本完好，未出現(xiàn)散開情形。實際測量擠出墊片處，發(fā)現(xiàn)管箱法蘭密封面凸臺內(nèi)側(cè)與管板外緣(管板外徑處)間的實際間隙為10 mm，遠(yuǎn)大于設(shè)計圖樣以及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]。拆下管箱后對管箱法蘭密封面及管板外徑進行尺寸測量，發(fā)現(xiàn)管箱法蘭密封面凸臺內(nèi)徑尺寸和管板外徑尺寸與圖樣尺寸存在一定加工偏差，均超過加工允差。按設(shè)計圖樣，管箱法蘭密封面凸臺內(nèi)徑應(yīng)比管板外徑大3 mm，而加工后實際卻大了18 mm，再加上裝配時產(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內(nèi)側(cè)與管板外緣間的實際間隙為10 mm。如果不出現(xiàn)上述超過允差的加工偏差，加壓時纏繞墊片應(yīng)不會被擠出，也不會出現(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題應(yīng)引起重視。

選擇大直徑熱交換器制造廠商時，應(yīng)考察其在制造此類設(shè)備方面的裝備情況、機加工能力和相關(guān)業(yè)績，必要時派駐廠監(jiān)造人員，加強對管箱法蘭密封面凸臺內(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)計問題

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)加強環(huán)的纏繞墊片，對應(yīng)壓力等級、墊片尺寸及材料選擇等均符合規(guī)范和設(shè)備設(shè)計條件。但從幾臺大直徑熱交換器均出現(xiàn)水壓試驗泄漏的實際情況看，大直徑熱交換器密封墊片的選擇和設(shè)計仍有改進空間。

該熱交換器發(fā)生水壓試驗泄漏后，設(shè)計單位調(diào)整了墊片設(shè)計并進行了相關(guān)核算，把原來按規(guī)范直接選用的帶內(nèi)加強環(huán)的纏繞墊片調(diào)整為非標(biāo)設(shè)計的帶內(nèi)外加強環(huán)的纏繞墊片，見圖2。新的纏繞墊片增加了外加強環(huán)[9]，可以有效防止纏繞墊片在水壓試驗升壓時從管板密封面外緣和管箱法蘭密封面凸臺內(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輸及安裝過程中易散架，外加強環(huán)還可以一定程度上起到防散架的作用。設(shè)計調(diào)整后的帶內(nèi)外加強環(huán)的纏繞墊片在該熱交換器上得到成功應(yīng)用和驗證，不再出現(xiàn)管板密封面外緣和管箱法蘭密封面凸臺內(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，即使管板和管箱法蘭密封面處的相關(guān)尺寸出現(xiàn)超過允差的加工偏差，仍可有效防止水壓試驗時墊片被局部擠出而發(fā)生泄漏。

圖2 帶外加強環(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加工工序問題

該浮頭式熱交換器設(shè)計圖樣規(guī)定，管箱應(yīng)進行整體熱處理。對熱交換器的制造過程文件，包括制造工序及熱處理過程等文件進行審查，發(fā)現(xiàn)制造廠雖按設(shè)計圖樣要求對管箱進行了整體熱處理，但并未在熱處理后對管箱法蘭密封面進行加工，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，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時泄漏的另一原因。

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)計圖樣上還應(yīng)對此進行明確規(guī)定，尤其對大直徑熱交換器的管箱法蘭密封面，以防止制造廠出現(xiàn)顛倒工序的問題。另外，選擇大直徑熱交換器的制造廠商時，應(yīng)重點考察其在大直徑熱交換器制造加工方面的能力，同時加強此類設(shè)備的監(jiān)造。

4 水壓試驗帶壓緊固問題

幾臺發(fā)生泄漏的大直徑熱交換器均在水壓試驗泄漏時進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)場水壓試驗操作過程中，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，但無法提供當(dāng)時的扳手力矩數(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際壓緊力小于y，會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際壓緊力y′可參照y≤y′≤4y的原則進行控制。

基于此，筆者建議，設(shè)計單位應(yīng)當(dāng)在圖樣上明確規(guī)定水壓試驗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)場安裝單位在進行大直徑熱交換器水壓試驗的帶壓緊固時最好使用帶讀數(shù)的力矩扳手，并且控制好施加在螺栓上的力矩，進而控制作用在墊片單位有效密封面積上的實際壓緊力不超過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

針對近年來接連出現(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時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措施，筆者建議：①應(yīng)選擇具備大直徑熱交換器機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)計成帶內(nèi)外環(huán)的纏繞墊片。④制造單位在進行大直徑熱交換器水壓試驗時，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。

[1] 陶金，王佳.浮頭式換熱器水壓試驗胎具設(shè)計制造及應(yīng)用[J].中國化工裝備，2014(3)：24-26.

(TAO Jin, WANG Jia. Design Manufacturing & Application of Tools for Hydraulic Test of Floating Heat Exchanger[J].China Chemical Industry Equipment，2014(3)：24-26.)

[2] 王紅速.浮頭式換熱器水壓試驗工裝設(shè)計[J].化工設(shè)備與管道，2012，49(5)：21-23.

(WANG Hong-su. Design of Tool Used in Hydraulic Test for Floating Head Heat Exchanger[J]. Process Equipment & Piping，2012，49(5)：21-23.)

[3] 徐茹.固定管板式換熱器水壓試驗壓力值的選取[J].化工機械，2014，41(4)：462-463，536.

(XU Ru. Pressure Selection of Fixed Tube-sheet Exchanger in Hydraulic Test[J]. Chemical Engineering & Machinery，2014，41(4)：462-463，536.)

[4] 葉海，范飛，李建倉，等.單股流纏繞管式熱交換器模擬件制造[J].石油化工設(shè)備，2015，44(4)：68-71.

(YE Hai，F(xiàn)AN Fei，LI Jian-cang，et al. Fabrication of Simulator for Single-stream Spiral-wound Tube Heat Exchanger[J]. Petro-chemical Equipment，2015，44(4)：68-71.)

[5] 王磊，丁亮，張鋒鏑.管殼式換熱器現(xiàn)場水壓試驗方法的討論[J].低溫與特氣，2014，32(2)：41-44.

(WANG Lei，DING Liang，ZHANG Feng-di. The Discussion of Field Hydraulic Pressure Test Method on Shell and Tube Heat Exchanger [J]. Low Temperature and Specialty Gases，2014，32(2)：41-44.)

[6] 高亞龍.淺談浮頭式熱交換器試壓工裝設(shè)計[J].石油化工設(shè)備，2016，45(S1)：29-32.

(GAO Ya-long. Design of Pressure Test Tool for Floating Head Heat Exchanger[J]. Petro-chemical Equipment，2016，45(S1)：29-32.)

[7] NB/T 47020～47027—2012，壓力容器法蘭、墊片、緊固件[S].

(NB/T 47020～47027—2012，F(xiàn)langes，Gaskets and Stud Bolts & Nut for Pressure Vessels[S].)

[8] GB/T 29463.2—2011，管殼式熱交換器用墊片 第2部分：纏繞式墊片[S].

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

[9] JB/T 4705—2000，纏繞墊片[S].

(JB/T 4705—2000，Spiral Wound Gaskets[S].)

[10] GB/T 151—2014，熱交換器[S].

(GB/T 151—2014，Heat Exchangers[S].)

[11] 齊昆，張馳群.橢圓形內(nèi)開自緊式人孔的強度計算方法探究[J].化工設(shè)備與管道，2012，49(1)：15-17.

(QI Kun，ZHANG Chi-qun. Deduction of Calculation Method for Elliptical In-opening and Self-tightening Manhole Process Equipment & Piping[J].Process Equipment & Piping，2012，49(1)：15-17.)

[12] GB 150.3—2011，壓力容器 第3部分：設(shè)計[S].

(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，遼寧遼陽人，高級工程師，碩士，主要從事化工設(shè)備設(shè)計及設(shè)計管理工作。