浮頭式換熱器采用O形環密封胎具試壓實踐

胡榮昌

（錦西石化分公司 遼寧葫蘆島）

一、前言

浮頭式換熱器不僅作為石化行業中重要的冷換工藝設備，在其他領域也得到廣泛應用。水壓試驗作為浮頭式換熱器在制造、維修和大修中必不可少的一道檢驗工序，其試壓效果在一定程度上反映出產品質量，而試壓胎具作為換熱器試壓過程中的必備工具，其性能優劣將直接影響試壓效率、質量、成本及勞動強度。為此，研制出高效、通用和密封可靠的試壓胎具是許多換熱器制造、檢修單位探索的重要課題之一。根據多年從事換熱器安裝、檢修的實際經驗，研制出了通用O形環試壓胎具，通過近3年的使用，證明性能可靠。

二、工藝特點

1.特點

大量施工實踐證明，O形環試壓胎具具有密封效果好、通用性強、結構靈活合理、裝配簡便、造價低等優點，極大地提高工作效率。

2.傳統試壓胎具存在的問題

（1）填料密封試壓胎具。填料密封屬于強制密封，結構示意見圖1。換熱器的殼體法蘭與試壓胎具通過殼體螺栓連接，兩者之間使用橡膠石棉板作為密封元件。浮動管板環向與試壓胎具之間的密封原件為盤根，通過螺栓的預緊力將盤根壓縮變形達到密封目的。

圖1 填料密封試壓胎具原理圖

（2）存在問題。此試壓胎具制作相對簡單，加工精度要求低，工人操作相對熟練，使用歷史最早，但存在幾個缺點：①胎具通用性差。對于公稱直徑相同但公稱壓力不同的換熱器，其殼體法蘭上螺栓孔的數量不同，因此同一直徑的試壓胎具不能通用。雖然可以用氣割方法在胎具上割孔，以便與換熱器殼體法蘭相配，但在降低試壓胎具強度的同時，也容易使胎具變形而導致密封性能下降。檢修時，由于浮頭式換熱器制造廠家所采用的制造標準不同或由于更新換熱器管束等原因，管板伸出殼體法蘭的長度也會不同，因此，填料不能準確壓緊在管板位置上也會導致密封失效。尤其換熱器大規模檢修時，多規格的試壓胎具不利于施工和管理。②所需螺栓預緊力很大，在一定程度上會影響密封效果。③橡膠石棉板墊片的彈性和可壓縮程度有限，因此，需要很大的螺栓預緊力且容易導致密封失效。④填料的接頭和壓實需要較高的技巧，否則容易在此處發生泄漏。⑤盤根和橡膠石棉板墊片一般只能一次性使用，成本較高。

（3）C形環密封試壓胎具。此種形式密封也屬自緊密封，其結構示意見圖2。換熱器殼體法蘭與試壓胎具之間是靠C形環外側面與換熱器殼體法蘭面及試壓胎具的法蘭面的接觸實現密封。在試壓胎具與浮動管板環向接觸面則依靠C形環左右2個凸出的圓弧面與試壓胎具凹槽左右平面接觸實現密封。預緊時，C形環受到軸向的彈性壓縮，在接觸處產生預緊比壓。當內壓上升時，介質進入C形環的內腔，使C形環軸向張開，使密封比壓增大達到自緊。

圖2 C形環密封試壓胎具原理圖

此試壓胎具所需預緊力較小，在保證強度的前提下可適當地減小結構尺寸，具有結構簡單和裝卸快的特點。但存在缺點：①C形環直徑較大，在C形環唇口處容易產生波形，可能會產生密封失效。②與浮動管板接觸的C形環需預先從注水孔加壓形成初始密封，既增加試壓程序，又要求操作者有較豐富的經驗。③與填料密封試壓胎具類似，由于換熱器法蘭不同和管板伸出的長度不同使其通用性較差。④C形環屬非標零件，其凸面加工困難，有時要在密封面上加軟金屬墊片以提高密封效果，因此制造成本較高。

三、適用范圍

本工藝方法適用于煉化企業所有浮頭式換熱器試壓施工。

四、工藝原理

1.設計階段

橡膠O形環是一種雙向作用密封元件，既有效又經濟。安裝試壓胎具時徑向或軸向方面的初始壓力賦予橡膠O形環自身的初始密封能力，由系統壓力而產生的密封力與初始密封力合成總的密封力，它隨系統壓力的提高而提高。

（1）對密封材料及密封方式的改進。通過對材料的性能的對比，選擇易于取材的丁晴橡膠，丁晴橡膠使用溫度為-40～120℃，可以在溫度≤120℃的空氣中和150℃的油中長期使用。橡膠O形環為非標準件，決定先采用直徑12 mm的橡膠O形條進行粘連，然后進行試用。

（2）對試壓胎具通用性進行適當改進。針對試壓胎具的通用性差這一問題，認真研究了浮頭式換熱器結構，分別量取了10臺浮頭式換熱器浮動管板的伸出長度，記錄數據見表1，結合相關數據進行設計創新以滿足通用性問題。

表1 管板伸出長度記錄表

2.試驗制造階段

根據橡膠O形環特點，進行了大量的試驗，制造出滿足試壓要求的胎具（圖3），并且符合胎具的通用性原則。改進后胎具與換熱器殼體法蘭連接采用帶長圓孔壓板，另外胎具配置1～3個調整墊圈（推薦調整墊圈的寬度為20mm、30mm和 50 mm），以適應不同管板伸出長度的變化，以此解決了試壓胎具的密封性及通用性問題。

圖3 橡膠O形環密封試壓胎具原理圖

3.胎具的優點

（1）橡膠 O型環密封屬自緊密封，所需預緊力小，因此密封性能較好。

（2）壓板上的長圓孔可以解決不同壓力等級換熱器的通用性問題，施工中可根據試壓壓力靈活配置壓板與螺栓數量，以適應相同公稱直徑不同壓力等級的換熱器試壓施工，避免了在法蘭上開孔對胎具造成的不利影響。

（3）根據實際情況利用調整墊圈位置、數量以及寬度適應不同管板位置的變化，可保證良好的密封性及通用性。

（4）與盤根和C形環相比，O形環可重復利用多次且成本低廉，每米價格6～12元。

五、施工工藝流程及操作要點

1.施工工藝流程（圖4）

圖4 施工工藝流程圖

2.試壓系統

換熱器試壓系統由換熱器、試壓泵(或高壓水車)、金屬軟管、壓力表、盲板和試壓胎具等組成。浮頭式換熱器殼程試壓系統布置見圖5。

3.試壓胎具裝配要點

（1）胎具結構及裝配。浮頭式換熱器管箱側試壓胎具及浮頭側試壓胎具的結構及裝配見圖6。

（2）胎具裝配注意事項。①管箱側假法蘭與殼體法蘭通過殼體螺栓連接，管板與殼體法蘭之間使用石棉墊作為密封元件；浮頭側管板與試壓胎具間使用O形環作為密封元件，先根據胎具尺寸截取合適長度的O形橡膠條，將橡膠條兩端用壁紙刀切成45°斜面，再用3 s速干膠粘牢，粘貼時確保接觸面潔凈，安裝橡膠條前要先清理胎具梯形槽，清理干凈后將橡膠條嵌入梯形槽中，要保證橡膠條鑲嵌得均勻、緊密。②安裝壓蓋前根據浮頭管板伸出殼體法蘭的長度配置調整墊圈，以適應不同管板伸出長度的變化。③連接螺栓要均勻布置，螺栓緊固至少應分3遍進行，每遍的起點應相互錯開120°，緊固順序按圖7的規定執行。④緊固時，不得用大錘等工具擊打扳手緊固，宜用扳手加套筒延長力臂或用電動、氣動、液壓工具緊固。

圖5 試壓系統布置圖

圖6 浮頭側試壓胎具結構及裝配

圖7 螺栓緊固順序

4.試壓注意事項

（1）在試壓過程中，不得對受壓元件進行任何處理。如發現異常狀況立即停止試驗并卸壓，查明原因經處理后方可恢復壓力試驗。

（2）在保證換熱器完全注滿水和空氣完全排盡后方可加壓。在試壓過程中，換熱器的接管連接處表面必須保持干燥，在雨天不能進行試壓。

（3）試壓所有加設的盲板應進行掛牌作標記，防止漏加或漏拆。

（4）與外部連通的管線也應用盲板隔離，設備接管如果直接和工藝閥門相連，可在閥門前加盲板，并將閥門關閉。

5.試壓過程

（1）對試壓系統做全面檢查，包括所有接管封閉情況，進排水臨時管線、試壓泵（或高壓水車）、放空閥門、壓力表、盲板、墊片及螺栓等，確保安裝完整無誤。

（2）在換熱器最高處設放空點，在最低處設排放點，壓力表應裝在最高處與最低處，且避免安置在加壓管路附近，試驗壓力以最高處壓力表讀數為準。

（3）將進水管接到換熱器殼程的上部管口進行注水，這樣也可以使換熱器內氣體盡量排空，當水從換熱器上部管口溢出時，封閉管口，之后檢查各管口密封處有無滲漏。

（4）加壓時，壓力應緩慢上升，達到試驗壓力后，保持時間應≥10 min。然后將壓力降至設計壓力，保持時間≥30 min，并對所有的焊縫和連接部位全面檢查。檢查期間壓力應保持不變，不得采用連續加壓來維持試驗壓力不變，無滲漏、無可見變形、試驗過程中無異常響聲，即認為合格。

（5）試驗結束后應緩慢降壓，當壓力降為0 MPa時，方可打開放空閥及換熱器頂部管口，然后打開排水線的閥門，進行排水。

（6）此試壓有可能是一個反復的過程，在不同的壓力下，有可能有不同的漏點，應及時消除，因此試壓應與管束漏點檢查同步進行。

（7）拆除試壓設備及輔助附件，包括隔離盲板等，由試壓負責人按照試壓前所加的盲板數量規格清單一一對應拆除，不得遺漏，并做好記錄。

六.效益分析

1.改進前后效果對比

此新型試壓胎具在施工實踐中取得明顯效果，施工質量得到有效控制。在錦西石化分公司2010年裝置檢修施工中，浮頭式換熱器試壓施工均采用橡膠O形環密封試壓胎具，泄漏率僅為3%，較以往大為降低（表2）。實踐證明，該試壓胎具密封性能極好。這種試壓胎具具有較好的通用性，不僅同種公稱直徑試壓胎具的準備數量為原來數量的25%，而且安裝一套試壓胎具平均時間縮短2.5 h。

表2 浮頭式換熱器試壓胎具改進前后效果對比表

2.效益分析

（1）浮頭式換熱器試壓胎具從密封方式和通用性方面改進后，經濟效益明顯。僅提高施工質量和工效每年可為企業創造經濟效益600余萬元，同時對于同種公稱直徑試壓胎具平均節省制造成本35萬元。該胎具安裝簡便，一次安裝成功率高，節省大量的人工成本與設備使用成本。

（2）公司承擔的錦州石化公司加氫裝置、大連石化公司常減壓裝置中的浮頭式換熱器檢修，均采用O形環胎具試壓。實踐證明，其滿足設備安裝的質量、工期、成本要求，受到建設單位的一致好評。