高壓臨氫Ω環換熱器檢修技術研究

南京揚子檢修安裝有限責任公司工業服務分公司 張凱鋒

本文從保證業主生產安全穩定的角度出發，分析高壓臨氫Ω 環換熱器檢修技術，保證高壓臨氫Ω 環換熱器保持良好的工作狀態，以便更好地為石油化工業提供服務，論題內容分析如下[1]。

1 高壓換熱器常見密封結構分析與比較

國內加氫精制裂化裝置中的高壓換熱器多采用臥式U 型管換熱器，固定端管板采用可拆卸連接，管束可抽出進行清洗維修。這種型式的換熱器的密封性能好壞在于管、殼程筒體端與管板之間的密封結構選擇是否合理[2]。

1.1 八角金屬環墊片密封

這種密封結構是將固定端管板夾在殼體法蘭和管箱法蘭之間，用八角形金屬環作為密封墊片，由螺栓緊固力預緊來完成密封。特點是結構簡單，制造、安裝和檢修容易。但法蘭和螺栓尺寸很大，質量大、造價高、易泄漏，已很少使用。

1.2 螺紋鎖緊環密封螺紋鎖緊環密封結構

該結構在高溫高壓換熱器的設計中應用較廣。擰緊外圈螺栓，通過頂柱、固定環和墊片壓板壓緊墊片，實現管程密封。擰緊內法蘭螺栓，通過分程套筒和管板壓緊殼程墊片，實現殼程密封。在生產操作過程中，如發現殼程介質向管程泄漏，可擰緊內圈螺栓，通過頂柱、壓緊環、墊片壓板、內套筒、內法蘭、分程套筒和管板壓緊殼程墊片，實現殼程墊片在線輔助壓緊。這種密封結構適合于管、殼程均為高壓的換熱器。但結構復雜，螺紋鎖緊環的機加工精度高、制造難度大、造價高。承壓內件（內法蘭、螺栓等）在高溫高壓條件下容易變形及腐蝕，在發生內泄時又要不斷地擰緊螺栓，加大密封壓力，使內件受損較大，檢修時需要經常更換。其特點是密封螺栓較小，密封可靠性高。

1.3 Ω 環密封

常用于高壓換熱器中，其主要通過螺栓、法蘭、兩瓣的Ω 環密封墊圈組焊而成。早在20世紀90年代初加氫裝置就已開始采用這種結構進行密封，與八角墊密封、螺紋鎖緊環密封相比，其Ω 環密封結構最早見于引進的高壓化肥裝置中的換熱器內。近幾年由蘭州石油機械研究所開發的Ω 環設計計算方法和制造加工技術，已應用在高壓加氫換熱器的密封設計上。

Ω 環作為承壓密封元件，其環殼部分直徑小，壁厚2～3mm，能承受很高的壓力，介質和環境完全隔絕，是1種無泄漏密封結構。Ω 環由1對Ω 形半環組焊而成，半環分別焊在法蘭和管板上，由于法蘭和管板的剛度較大，Ω 環本身具有較好的軸向變形能力，不受溫度、壓力波動大和結構變形不一致的影響，其密封結構簡單，制造及拆裝方便，密封效果好，解決了其它類型墊片可能出現的密封面失效問題，也不會因密封面變形錯位而導致泄漏，適用壓力為7～32MPa。若換熱管結垢需清洗，則應沿Ω 環頂部焊口切開，檢修完畢組對時再將環焊上。

1.4 經濟性比較

通過對前述3種密封結構優缺點的分析比較，Ω環換熱器突出的優點螺栓預緊力小，螺栓主要承受內壓引起的軸向力，因此螺栓直徑、法蘭厚度和質量均減小，造價降低。在某石化120萬t/a 催化柴油加氫精制（改質）裝置1臺加氫換熱器的設計中優選了Ω 環密封結構。與八角墊密封結構相比較，兩者均結構簡單，每噸單價相同，但Ω 環無泄漏、質量小，制造費用降低10萬元。與螺紋鎖緊環相比，螺紋環易發生內泄漏，Ω 環不會發生內泄漏。采用Ω環的換熱器比采用螺紋環的換熱器輕，可節省投資約，約占換熱器總投資的20%。

2 高壓臨氫Ω 環換熱器詳細介紹

從加氫裝置來看，高壓臨氫Ω 環換熱器是關鍵設備，操作過程中務必控制好溫度、壓力、臨氫等條件，否則極易出現易燃易爆問題。高壓密封結構由多部分組成，即金屬環墊、Ω 環、隔膜、螺紋鎖等。其中，Ω 環由兩個半Ω 環組成，其受壓性能良好。密封環焊接對象主要是法蘭、管板，密封方式表現為無墊片密封，具有性能強、可靠性高、拆卸便捷、環境適應性強、施工阻力小、經濟性高等優點。在檢修過程中，需要工作人員精益化掌握工藝技術，選擇適合的拆卸方法、組裝方法，使臨氫密封狀態最佳化，確保高壓臨氫Ω 環換熱器使用價值大大提高。

2.1 Ω 環制造鍛件要求

Ω 環鍛件材質0Cr18Ni10Ti，420℃的高溫屈服強度為≥117MPa，化學成分及其它技術要求見《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》(NB/T 47010-2017)，驗收級別為Ⅲ級。鍛件應按《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》(GB/T 4334-2020)進行抗晶間腐蝕試驗。

2.2 Ω 環制造工藝

Ω 環鍛件粗加工后，按《承壓設備無損檢測》（NB/T 47013-2015）射線檢查，Ⅱ級為合格。在設備法蘭和管板熱處理及機加工完成以后再將Ω 半環分別焊在法蘭密封面和管板上，至少分2次施焊，且焊腳高度不小于6mm。焊接接頭按JB 4730第四篇進行滲透檢測，Ⅰ級為合格。Ω 環半環之間的焊接接頭要打磨坡口并分二層施焊，焊后滲透檢測，Ⅰ級為合格。換熱器水壓試驗合格后，在環上下各鉆一Φ3mm 小孔，排盡Ω 環內的積水，并徹底吹干，然后將Φ3mm 孔焊死，焊完做滲透檢查。

2.3 Ω 環焊接工藝要點

引弧、熄弧操作中，務必在坡口（非表面）操作，必要情況下打磨處理。涉及接頭焊接時，務必運用回焊方法，這是規避接頭質量缺陷的重要原因。焊接過程中，在初焊環節焊透，通過外觀檢查及時消除裂紋，盡最大可能規避質量問題，待焊接無誤后，為后續焊接做準備。需注意的是，堅持小部位到大部位的焊接原則，目的是有效控制焊縫熱影響范圍，盡可能保證接頭韌性。必要情況下進行多層焊接，將熔渣、缺陷最大化消除。除此之外，將層間溫度控制在95℃之內，同時，焊道接頭錯距不小于10cm。焊接結束后，細致檢查焊接質量，視情況予以補充、修理、打磨。

3 高壓臨氫Ω 環換熱器泄露原因分析

3.1 基板槽缺失

正常來說，高壓臨氫Ω 環底部基板上設置特定規格參數的基板槽（0.5cm×0.1cm），基板槽分布較均勻。高壓臨氫Ω 環換熱器工作過程中，Ω環內介質自由流動，不能形成積液和死區，并防止從基板槽進入Ω 環腔，減少腐蝕現象。相對比而言，如果缺少基板槽，則Ω 環腐蝕問題發生率較高，進而影響換熱器性能。

3.2 Ω 環變形

實際上，Ω 環屬于承壓密封元件，其抗壓性能良好。Ω 環密封環節，能夠將介質、環境妥當隔離，避免出現臨氫泄露現象。但是如果Ω 環形狀改變，則環間縫隙出現，極易造成臨氫外泄。隨著工況時間的延長，以及振動幅度的加大，則Ω 環變形幅度隨之增加，最終實際抗壓能力將小于設計壓力。即便停工，仍會出現Ω 環裂縫問題，極易產生安全事故。

3.3 Ω 環與管板角間存在焊縫

二者焊接的過程中，需要事先清理打磨位置，為焊接操作提供條件。實際上，常因打磨清潔不到位而出現殘留，致使焊縫四周產生滲碳層，則裂紋問題接連出現，進而換熱器性能逐漸減弱。此外，Ω 環切割處理后，會因環間距離擴大而降低與管板裝配精度，并且還會使應力過多集聚，最終影響焊接質量，產生系列化質量問題[2]。

4 高壓臨氫Ω 環換熱器檢修技術探討

首先，Ω 密封環換新方案。檢查發現泄漏路徑以焊縫為走向，檢修人員通過切割檢測Ω 環內部，觀察是否存在裂紋，確定存在裂紋后，分析裂紋形狀以及數量，為換新方案制定提供依據。換新處理時，妥當切割焊縫，并根據圖紙打磨受損位置，做好表面清潔工作，經質檢達到合格狀態，最后徹底消氫。

其次，Ω 密封環組裝、焊接。基本加工操作結束后，細致檢查Ω 環水平度、貼合度，檢查無質量問題后，進入組裝環節，確保組裝Ω 環與法蘭、管板同心度。組裝Ω 環。Ω環在組裝過程中對尺寸要求較高，在組焊Ω 環中間環縫之前，必須對管箱法蘭和殼體法蘭之間的距離進行測量（一般測8點），與圖紙尺寸進行對比，確保Ω 環與法蘭、Ω環瓣之間完全貼緊，檢測合格后方可焊接；否則容易引起焊接變形，間隙增大，在組裝并把緊螺栓后容易使角焊縫撕裂。需注意的是，檢修人員認真檢查焊接前期的壓緊狀態，充分準備焊接設備，經焊接打底、填充、覆蓋等操作調整工藝參數，最后針對焊接成果再次檢驗，直到符合質量要求。

最后，組織試驗活動。上述焊接操作結束后，組織殼程水壓試驗，如果投用一階段后出現泄漏問題，應適當卸壓。再次對焊縫剖開檢查，進行100%PT 檢測，觀察是否存在裂紋，并收集裂紋信息。

4.1 檢修施工工藝要點以及拆裝技巧

Ω 密封環焊縫拆除階段，施工人員要靈活操控電動工具，用行車等將管箱固定牢固，防止Ω 環切開后管箱墜落。與此同時，適當控制承載力，做好螺栓預留工作，及時、有序切除焊縫，嚴格按照工序完成施工任務。對于施工人員來說，應提高自身技術水平，針對螺栓預緊問題及時處理，適當控制預緊力大小，實現螺栓均勻受力的良好效果[3]。

在維修的裝拆過程中，首先要進行良好的定位，減小兩個Ω 形半環焊接接頭的錯邊量；其次應避免Ω 形環承受管箱或管板的重力，防止產生剪切破壞。具體結構是在設備上設置4只裝拆螺栓，裝拆螺栓全長要加工螺紋，管板上焊有帶螺紋的支耳，這樣既解決了兩個Ω 形半環的焊接定位問題，又可以避免Ω 形環的承載。另外、為了在水壓合格后排凈全部積水，在Ω 環下方還設置一只8MM 小孔。

若既卸管箱又抽芯，則為了卸下管箱，將4只裝拆螺栓保留不卸，只卸掉其余的主螺栓，即維持管箱仍與管板連接，使用手動切割或自動切割工具先將卸去主螺栓處的Ω 環切開，然后將每根裝拆螺栓兩邊各穿上兩只主螺栓，卸下四只裝拆螺栓，切割該螺栓下方的Ω 環遺留部分，從而完成整個管箱側Ω 環的切割工作，卸下管箱，再完成管板與殼體連接的Ω 環的切割工作，然后使用抽芯機抽出管束。

若只抽芯而不卸管箱，則將4只裝拆螺栓移至管箱法蘭螺栓孔與管板上螺紋支耳，卸掉其余的主螺栓，即維持管箱仍與管板連接，然后使用手動切割或自動切割工具完成管板與簡體連接的Ω 環的切割工作，使用專用抽芯機將管束連帶管箱一起抽出。

最后按照設備螺栓圖樣要求，預緊力對設備螺栓再次均勻對稱上緊，以免因預緊力不足導致設備在運行過程中出現Ω 環變形、甚至焊縫撕裂，而發生設備泄漏事故。

4.2 拆裝技巧

檢修拆裝時應嚴格執行Ω 環密封結構加氫換熱器檢修規程。由于加氫裝置中的介質含有硫化物，在開停工時，殘留的硫化物遇水或氧反應會生成連多硫酸，因此在切割Ω 環前必須進行堿洗，堿洗后不得用水清洗，用壓縮空氣吹干，使表面保留堿膜。若反應器不卸料，則反應殘余物在氣密試驗過程中流經Ω 環。所以必須防止在Ω 環內的熱空氣冷卻凝結成水，形成連多硫酸應力腐蝕環境。防范措施為，組焊Ω 環時在最底部預留5～10mm 不焊，待Ω 環其余部分全部焊完后停留一段時間，使Ω 環腔內空氣冷卻至室溫后再補焊預留段，避免空氣凝結成水分。氣密性試驗過程中用蒸氣皮帶加熱Ω 環底部直至試驗完畢，使其溫度超過100℃將腔內的水汽化，無法生成連多硫酸。

Ω 環切割多次后可拆卸更換，拆卸的時候，螺栓不要全拆開，隔幾個留一個；用鉆頭先上下各鉆一個洞，排干腔體內可燃氣體并置換下；用等離子切割，不要用乙炔，這樣Ω 環會比較齊，后面復位焊接的時候比較方便。

綜上所述，高壓臨氫Ω 環換熱器用于化工企業，是加氫裝置中的主要設備，采用Ω 環密封結構，可保證換熱器使用時無泄漏，安全可靠，也使結構簡單，降低設備造價。要求檢修人員全過程了解換熱器工作狀態，視情況運用檢修技術處理Ω 環泄露問題，從而提高換熱器利用率，大大減少安全風險。具體來說科學制定檢修方案、掌握焊接工藝要點和施工工藝要點，推動高壓臨氫Ω 環換熱器檢修水平邁向新臺階，促進化工企業持續、穩健發展，真正提高檢修技術實踐價值。