靳華鋒 劉青山

(北京燕華工程建設(shè)有限公司，北京 102502)

中國石化上海石油化工股份有限公司高壓加氫裝置高壓換熱器EA-104新鮮進料流出物換熱器由管箱+U型管束、殼程殼體組成，管板與殼體法蘭之間采用Ω密封環(huán)密封。該換熱器殼程設(shè)計壓力17.4 MPa，管程設(shè)計壓力16.1 MPa；管箱、管板、殼體材質(zhì)為12Cr2Mo1R+不銹鋼堆焊層(309L+347L)，其中Ω環(huán)材質(zhì)為316L，Ω環(huán)彎管厚度為4 mm。該換熱器Ω環(huán)已使用3個周期，Ω環(huán)已經(jīng)重復(fù)裝、拆3次，每次拆裝都需將Ω環(huán)彎管密封腔沿中線切割焊接，多次切割、焊接奧氏體不銹鋼，易發(fā)生碳化物析出，導(dǎo)致晶間腐蝕，影響焊接接頭組織性能，因此本次檢修要將管板與殼體法蘭連接處Ω環(huán)進行更換。Ω環(huán)彎管較薄，結(jié)構(gòu)特殊，且現(xiàn)場施工焊接空間狹小，施焊困難，檢修焊接質(zhì)量直接影響Ω環(huán)密封質(zhì)量，因此施工中需選擇合理的施工工藝并嚴格過程管控。

1 高壓換熱器Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)與特點分析

高壓加氫裝置換熱器是加氫裝置的核心設(shè)備之一，其操作條件苛刻(高溫、高壓、臨氫)，制造技術(shù)要求高，造價昂貴。加氫換熱器的操作介質(zhì)易燃、易爆，且操作溫度與壓力均很高，因此不允許有任何的泄漏，這使得密封結(jié)構(gòu)成為加氫換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計中最為重要的環(huán)節(jié)。常用的高壓密封結(jié)構(gòu)有金屬環(huán)墊(八角墊、橢圓墊)密封、螺紋鎖緊環(huán)、隔膜密封(蓋板式密封)、Ω環(huán)密封。本項目中的高壓換熱器管板與殼體法蘭連接處為Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)，見圖1。

Ω環(huán)密封由一對半Ω環(huán)組焊而成(結(jié)構(gòu)示意見圖2)，Ω環(huán)材質(zhì)為316L，利用回轉(zhuǎn)殼受壓性能好的機理，設(shè)計制作Ω環(huán)密封元件，密封環(huán)與法蘭、管板焊接，介質(zhì)和環(huán)境完全隔絕，解決了其他類型墊片可能出現(xiàn)的密封面失效問題，屬于無墊片密封。

圖1 采用Ω環(huán)密封換熱器結(jié)構(gòu)示意

圖2 Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)示意

Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點為：密封性能可靠；結(jié)構(gòu)簡單；拆卸檢修方便，施工難度小；密封效果好，不會因密封面變形錯位而導(dǎo)致泄漏，在高溫、高壓及介質(zhì)腐蝕性強等操作惡劣、密封要求高的場合也能使用；所需的螺栓預(yù)緊力非常小，螺栓主要承受內(nèi)壓引起的軸向力，大大減小了螺栓直徑和法蘭厚度，減少換熱器的質(zhì)量，降低造價。采用Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)比采用螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕20%左右，造價節(jié)約25%左右。

但Ω環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工要求較高。檢修拆卸管束時，則需沿Ω環(huán)頂部中線焊縫切開，管束回裝后再組對焊接Ω環(huán)切割部位。此密封結(jié)構(gòu)不宜用在經(jīng)常拆卸的換熱器。

2 施工方法和焊接工藝選擇

2.1 Ω環(huán)拆卸方法選擇

加氫裝置高壓換熱器內(nèi)為臨氫介質(zhì)，拆卸Ω環(huán)時，為防止密封腔內(nèi)殘留可燃介質(zhì)引起閃爆，在密封腔最高點和最低點，用手槍鉆各鉆一小孔，鉆孔時可伴隨小流量低壓蒸汽吹掃。

Ω環(huán)密封緊固螺栓拆除和密封腔焊縫切割步驟為:(1)在設(shè)備法蘭上下左右對稱位置留下4副螺栓不拆除，用液壓扳手拆除其余螺栓；(2)用等離子將螺栓拆除部位密封腔焊縫切開，對墊片必須進行利舊切割，為了保護主密封面，要保持切嘴與密封腔焊縫相切，不要向心，切口要小而規(guī)整；(3)在預(yù)留的四副螺栓附近至少回裝4副螺栓，夾緊管板，將預(yù)留的四副螺栓拆除；(4)按照上述第二點的要求將余下焊縫切開。

將殼體緩慢抽出，不得碰傷Ω環(huán)，以免損壞管板法蘭密封面。待管箱、管束與殼體分離后，使用小電動磨頭機沿Ω環(huán)內(nèi)圈打磨掉Ω環(huán)與管板角焊縫，拆掉2片Ω形半環(huán)。

2.2 Ω形半環(huán)與主密封面組對焊接工藝選擇

Ω形半環(huán)與管板法蘭、殼體法蘭主密封面組對前，先對主密封面堆焊層做滲透檢測(PT)檢測，合格后再進行組裝，如有裂紋，先挖去裂紋部分至裂紋消失，再補焊，用ER347L焊絲低溫輸入,PT檢測合格，打磨平整密封面再PT檢測合格。

Ω形半環(huán)與管板、殼體法蘭主密封面組對采用工裝夾持定位，此法蘭環(huán)工裝外徑和法蘭外徑一致，內(nèi)徑和Ω環(huán)內(nèi)徑一致，采用與管板法蘭一致數(shù)量的螺栓孔。組對時只需調(diào)整工裝外圓和管板法蘭外圓平齊，Ω形半環(huán)內(nèi)圓與工裝內(nèi)圓平齊，即可保證Ω形半環(huán)的定位和焊接變形。需保證同軸度偏差不大于0.5 mm。

Ω形半環(huán)與管板角焊縫焊接(工藝參數(shù)見表1)，采用鎢極氬弧焊，焊絲選用ER347L,分2層施焊，焊縫高度大于8 mm，每層焊縫焊接完對焊接接頭按NB/T 47013.5—2015進行100%PT檢測,Ⅰ級合格。由于長期使用的加氫換熱器內(nèi)部堆焊層存在氫損傷，Ω形半環(huán)與管板堆焊層焊接前，需對堆焊層進行300～350 ℃、2 h的消氫處理。

表1 Ω環(huán)與管板角焊縫焊接工藝參數(shù)

2.3 Ω環(huán)組對方法選擇

Ω環(huán)半環(huán)組對前，需對密封腔對接坡口進行100%PT檢測Ⅰ級合格。殼體回裝，法蘭趨近，Ω環(huán)主密封面對面接觸。通過調(diào)整管板或殼體法蘭，使密封腔對接口錯邊量小于0.5 mm，完成后的組對見圖3。在配對法蘭處對稱均勻布裝8副螺栓，預(yù)緊力達到50%，再次調(diào)整Ω環(huán)密封腔組對錯邊量，保證每幅螺栓能夠自由穿入，8副螺栓預(yù)緊力達到80%。測量管束法蘭與殼體法蘭之間間隙，保證Ω環(huán)密封腔受力均勻。

圖3 Ω環(huán)半環(huán)組對完成

2.4 Ω環(huán)密封腔焊接工藝選擇

針對奧氏體不銹鋼316L的焊接特點，采用適當?shù)暮附悠驴诨蚝附臃椒?，使母材金屬在焊縫金屬中所占的分量減少，即小的熔合比。焊接參數(shù)應(yīng)選用小的熱輸入，即小電流快速焊。在多層焊時，要等前一層焊縫冷卻后再焊下一層焊縫，層間溫度不宜過高，以避免焊縫過熱。施焊過程中焊絲不允許擺動，采用窄焊縫的操作技能。選擇合理的焊接接頭形式和焊接順序，盡量減少焊接應(yīng)力，可以減少熱裂紋的產(chǎn)生。在焊接過程結(jié)束和中途斷弧前，收弧要慢且要設(shè)法填滿弧坑，以防止弧坑裂紋的形成。

Ω環(huán)密封腔焊接(工藝參數(shù)見表2)，采用手工鎢極氬弧焊，焊絲選用ER316L,至少分2層施焊。每層焊縫焊接完對焊接接頭按NB/T 47013.5—2015進行100%PT檢測,Ⅰ級合格。

表2 Ω環(huán)密封腔焊接工藝參數(shù)

3 現(xiàn)場施工管控

3.1 Ω環(huán)驗收

對Ω環(huán)做如下檢驗：外觀檢查，無劃傷、無變形、無裂紋和其他缺陷；對外形尺寸進行復(fù)測，外圓直徑偏差需滿足要求；將2個半Ω環(huán)組對預(yù)組裝檢查貼合和接口錯邊量；用光譜儀對Ω環(huán)墊圈化學(xué)成分進行分析，需符合NB/T 47010—2017中S31603的要求，檢測結(jié)果見表3；對Ω環(huán)墊圈表面按照NB/T 47013.5—2015的規(guī)定進行100%滲透檢測，Ⅰ級合格。硬度檢測結(jié)果見表4。

表3 化學(xué)成分

表4 硬度檢測

3.2 焊接過程控制

焊接操作：引、熄弧應(yīng)在坡口內(nèi)，嚴禁在母材表面引弧，如電弧意外擦傷母材，應(yīng)仔細打磨消除。為防止接頭處產(chǎn)生缺陷，接頭焊接時宜采用回焊法，蓋面焊熄弧時應(yīng)填滿弧坑。初層焊接應(yīng)充分焊透，焊完后進行外觀檢查，若發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，必須清除后方可進行下一層焊接。焊接應(yīng)從調(diào)節(jié)余量最小的部位開始，并盡量采用小線能量，以避免焊縫及熱影響區(qū)的組織過分增大，造成焊接接頭高溫韌性下降。應(yīng)盡量采用多層焊接，每層焊完后均應(yīng)徹底清除焊道表面的熔渣和可能出現(xiàn)的缺陷。焊接過程中，應(yīng)嚴格控制層間溫度不大于100 ℃，并且每層焊道的接頭應(yīng)錯開100 mm以上。焊工在焊接完畢后，應(yīng)對焊縫表面質(zhì)量進行自檢，對不合格的焊縫必須進行補焊、修磨處理。

3.3 施工工藝控制

在拆除Ω半環(huán)角焊縫過程中，盡量使用手持電動工具，避免熱切割，以保護管箱、管束管板法蘭密封堆焊層。在檢修的裝拆過程中，要選擇可靠工裝和方法，減小2個Ω形半環(huán)組對錯邊量。

Ω環(huán)拆除和密封腔焊接時應(yīng)避免Ω環(huán)承受管箱或殼體的重力，防止產(chǎn)生剪切力破壞堆焊層或Ω密封環(huán)，在設(shè)備上預(yù)留4只螺栓不拆，將螺栓拆除部位密封腔焊縫切開后，在預(yù)留4只螺栓附近回裝4只螺栓，將預(yù)留的4只螺栓拆除，切割剩余密封腔焊縫，并要求在檢修過程中嚴格按照程序進行施工。

Ω環(huán)焊接的關(guān)鍵是防止過大的焊接變形，為此，要嚴格執(zhí)行焊接工藝要求。為避免出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷，保證密封的質(zhì)量，施焊時每條焊縫至少焊2遍，每道焊完均應(yīng)進行100%PT檢測，以確保無任何缺陷。由于現(xiàn)場條件限制，Ω環(huán)壁厚較小，僅4 mm,焊接位置固定,對焊接工人的技術(shù)要求較高。安裝使用Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)的熱交換器時，還需要注意螺栓的預(yù)緊問題。由于Ω環(huán)厚度小，不能承受過大的載荷，因此在螺栓預(yù)緊時，應(yīng)對螺栓施加一定的預(yù)緊力，并且通過測量法蘭與管板間的間距，直至行距均勻，保證操作狀態(tài)下的螺栓均勻受力。

3.4 焊接檢測

焊縫表面成形良好，焊縫與母材圓滑過渡；焊縫表面不得有裂紋、夾渣、氣孔、凹坑等缺陷，且不允許有咬邊；每層焊接完成后進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

4 結(jié)語

高壓換熱器Ω密封環(huán)更換應(yīng)在精心策劃和嚴格質(zhì)量控制的指導(dǎo)下施工，在深刻分析Ω密封結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，制定合理的施工工藝，解決了Ω密封環(huán)拆除、組對、焊接等難題。檢修后的高壓換熱器運行正常，投產(chǎn)后產(chǎn)量完全達到設(shè)計負荷。