浮头式换热器采用O形环密封胎具试压实践

胡荣昌

（锦西石化分公司 辽宁葫芦岛）

一、前言

浮头式换热器不仅作为石化行业中重要的冷换工艺设备，在其他领域也得到广泛应用。水压试验作为浮头式换热器在制造、维修和大修中必不可少的一道检验工序，其试压效果在一定程度上反映出产品质量，而试压胎具作为换热器试压过程中的必备工具，其性能优劣将直接影响试压效率、质量、成本及劳动强度。为此，研制出高效、通用和密封可靠的试压胎具是许多换热器制造、检修单位探索的重要课题之一。根据多年从事换热器安装、检修的实际经验，研制出了通用O形环试压胎具，通过近3年的使用，证明性能可靠。

二、工艺特点

1.特点

大量施工实践证明，O形环试压胎具具有密封效果好、通用性强、结构灵活合理、装配简便、造价低等优点，极大地提高工作效率。

2.传统试压胎具存在的问题

（1）填料密封试压胎具。填料密封属于强制密封，结构示意见图1。换热器的壳体法兰与试压胎具通过壳体螺栓连接，两者之间使用橡胶石棉板作为密封元件。浮动管板环向与试压胎具之间的密封原件为盘根，通过螺栓的预紧力将盘根压缩变形达到密封目的。

图1 填料密封试压胎具原理图

（2）存在问题。此试压胎具制作相对简单，加工精度要求低，工人操作相对熟练，使用历史最早，但存在几个缺点：①胎具通用性差。对于公称直径相同但公称压力不同的换热器，其壳体法兰上螺栓孔的数量不同，因此同一直径的试压胎具不能通用。虽然可以用气割方法在胎具上割孔，以便与换热器壳体法兰相配，但在降低试压胎具强度的同时，也容易使胎具变形而导致密封性能下降。检修时，由于浮头式换热器制造厂家所采用的制造标准不同或由于更新换热器管束等原因，管板伸出壳体法兰的长度也会不同，因此，填料不能准确压紧在管板位置上也会导致密封失效。尤其换热器大规模检修时，多规格的试压胎具不利于施工和管理。②所需螺栓预紧力很大，在一定程度上会影响密封效果。③橡胶石棉板垫片的弹性和可压缩程度有限，因此，需要很大的螺栓预紧力且容易导致密封失效。④填料的接头和压实需要较高的技巧，否则容易在此处发生泄漏。⑤盘根和橡胶石棉板垫片一般只能一次性使用，成本较高。

（3）C形环密封试压胎具。此种形式密封也属自紧密封，其结构示意见图2。换热器壳体法兰与试压胎具之间是靠C形环外侧面与换热器壳体法兰面及试压胎具的法兰面的接触实现密封。在试压胎具与浮动管板环向接触面则依靠C形环左右2个凸出的圆弧面与试压胎具凹槽左右平面接触实现密封。预紧时，C形环受到轴向的弹性压缩，在接触处产生预紧比压。当内压上升时，介质进入C形环的内腔，使C形环轴向张开，使密封比压增大达到自紧。

图2 C形环密封试压胎具原理图

此试压胎具所需预紧力较小，在保证强度的前提下可适当地减小结构尺寸，具有结构简单和装卸快的特点。但存在缺点：①C形环直径较大，在C形环唇口处容易产生波形，可能会产生密封失效。②与浮动管板接触的C形环需预先从注水孔加压形成初始密封，既增加试压程序，又要求操作者有较丰富的经验。③与填料密封试压胎具类似，由于换热器法兰不同和管板伸出的长度不同使其通用性较差。④C形环属非标零件，其凸面加工困难，有时要在密封面上加软金属垫片以提高密封效果，因此制造成本较高。

三、适用范围

本工艺方法适用于炼化企业所有浮头式换热器试压施工。

四、工艺原理

1.设计阶段

橡胶O形环是一种双向作用密封元件，既有效又经济。安装试压胎具时径向或轴向方面的初始压力赋予橡胶O形环自身的初始密封能力，由系统压力而产生的密封力与初始密封力合成总的密封力，它随系统压力的提高而提高。

（1）对密封材料及密封方式的改进。通过对材料的性能的对比，选择易于取材的丁晴橡胶，丁晴橡胶使用温度为-40～120℃，可以在温度≤120℃的空气中和150℃的油中长期使用。橡胶O形环为非标准件，决定先采用直径12 mm的橡胶O形条进行粘连，然后进行试用。

（2）对试压胎具通用性进行适当改进。针对试压胎具的通用性差这一问题，认真研究了浮头式换热器结构，分别量取了10台浮头式换热器浮动管板的伸出长度，记录数据见表1，结合相关数据进行设计创新以满足通用性问题。

表1 管板伸出长度记录表

2.试验制造阶段

根据橡胶O形环特点，进行了大量的试验，制造出满足试压要求的胎具（图3），并且符合胎具的通用性原则。改进后胎具与换热器壳体法兰连接采用带长圆孔压板，另外胎具配置1～3个调整垫圈（推荐调整垫圈的宽度为20mm、30mm和 50 mm），以适应不同管板伸出长度的变化，以此解决了试压胎具的密封性及通用性问题。

图3 橡胶O形环密封试压胎具原理图

3.胎具的优点

（1）橡胶 O型环密封属自紧密封，所需预紧力小，因此密封性能较好。

（2）压板上的长圆孔可以解决不同压力等级换热器的通用性问题，施工中可根据试压压力灵活配置压板与螺栓数量，以适应相同公称直径不同压力等级的换热器试压施工，避免了在法兰上开孔对胎具造成的不利影响。

（3）根据实际情况利用调整垫圈位置、数量以及宽度适应不同管板位置的变化，可保证良好的密封性及通用性。

（4）与盘根和C形环相比，O形环可重复利用多次且成本低廉，每米价格6～12元。

五、施工工艺流程及操作要点

1.施工工艺流程（图4）

图4 施工工艺流程图

2.试压系统

换热器试压系统由换热器、试压泵(或高压水车)、金属软管、压力表、盲板和试压胎具等组成。浮头式换热器壳程试压系统布置见图5。

3.试压胎具装配要点

（1）胎具结构及装配。浮头式换热器管箱侧试压胎具及浮头侧试压胎具的结构及装配见图6。

（2）胎具装配注意事项。①管箱侧假法兰与壳体法兰通过壳体螺栓连接，管板与壳体法兰之间使用石棉垫作为密封元件；浮头侧管板与试压胎具间使用O形环作为密封元件，先根据胎具尺寸截取合适长度的O形橡胶条，将橡胶条两端用壁纸刀切成45°斜面，再用3 s速干胶粘牢，粘贴时确保接触面洁净，安装橡胶条前要先清理胎具梯形槽，清理干净后将橡胶条嵌入梯形槽中，要保证橡胶条镶嵌得均匀、紧密。②安装压盖前根据浮头管板伸出壳体法兰的长度配置调整垫圈，以适应不同管板伸出长度的变化。③连接螺栓要均匀布置，螺栓紧固至少应分3遍进行，每遍的起点应相互错开120°，紧固顺序按图7的规定执行。④紧固时，不得用大锤等工具击打扳手紧固，宜用扳手加套筒延长力臂或用电动、气动、液压工具紧固。

图5 试压系统布置图

图6 浮头侧试压胎具结构及装配

图7 螺栓紧固顺序

4.试压注意事项

（1）在试压过程中，不得对受压元件进行任何处理。如发现异常状况立即停止试验并卸压，查明原因经处理后方可恢复压力试验。

（2）在保证换热器完全注满水和空气完全排尽后方可加压。在试压过程中，换热器的接管连接处表面必须保持干燥，在雨天不能进行试压。

（3）试压所有加设的盲板应进行挂牌作标记，防止漏加或漏拆。

（4）与外部连通的管线也应用盲板隔离，设备接管如果直接和工艺阀门相连，可在阀门前加盲板，并将阀门关闭。

5.试压过程

（1）对试压系统做全面检查，包括所有接管封闭情况，进排水临时管线、试压泵（或高压水车）、放空阀门、压力表、盲板、垫片及螺栓等，确保安装完整无误。

（2）在换热器最高处设放空点，在最低处设排放点，压力表应装在最高处与最低处，且避免安置在加压管路附近，试验压力以最高处压力表读数为准。

（3）将进水管接到换热器壳程的上部管口进行注水，这样也可以使换热器内气体尽量排空，当水从换热器上部管口溢出时，封闭管口，之后检查各管口密封处有无渗漏。

（4）加压时，压力应缓慢上升，达到试验压力后，保持时间应≥10 min。然后将压力降至设计压力，保持时间≥30 min，并对所有的焊缝和连接部位全面检查。检查期间压力应保持不变，不得采用连续加压来维持试验压力不变，无渗漏、无可见变形、试验过程中无异常响声，即认为合格。

（5）试验结束后应缓慢降压，当压力降为0 MPa时，方可打开放空阀及换热器顶部管口，然后打开排水线的阀门，进行排水。

（6）此试压有可能是一个反复的过程，在不同的压力下，有可能有不同的漏点，应及时消除，因此试压应与管束漏点检查同步进行。

（7）拆除试压设备及辅助附件，包括隔离盲板等，由试压负责人按照试压前所加的盲板数量规格清单一一对应拆除，不得遗漏，并做好记录。

六.效益分析

1.改进前后效果对比

此新型试压胎具在施工实践中取得明显效果，施工质量得到有效控制。在锦西石化分公司2010年装置检修施工中，浮头式换热器试压施工均采用橡胶O形环密封试压胎具，泄漏率仅为3%，较以往大为降低（表2）。实践证明，该试压胎具密封性能极好。这种试压胎具具有较好的通用性，不仅同种公称直径试压胎具的准备数量为原来数量的25%，而且安装一套试压胎具平均时间缩短2.5 h。

表2 浮头式换热器试压胎具改进前后效果对比表

2.效益分析

（1）浮头式换热器试压胎具从密封方式和通用性方面改进后，经济效益明显。仅提高施工质量和工效每年可为企业创造经济效益600余万元，同时对于同种公称直径试压胎具平均节省制造成本35万元。该胎具安装简便，一次安装成功率高，节省大量的人工成本与设备使用成本。

（2）公司承担的锦州石化公司加氢装置、大连石化公司常减压装置中的浮头式换热器检修，均采用O形环胎具试压。实践证明，其满足设备安装的质量、工期、成本要求，受到建设单位的一致好评。