乙烯装置大直径热交换器水压试验泄漏分析

(中国寰球工程公司， 北京 100012)

乙烯装置大直径热交换器水压试验泄漏分析

张驰群

(中国寰球工程公司， 北京 100012)

近年来乙烯装置中大直径浮头式或U形管式热交换器水压试验时，出现管箱与管板密封连接处泄漏的问题，在发生泄漏的大直径热交换器管板密封面外缘和管箱法兰密封面凸台内侧间隙处，局部可见被挤出的密封垫片，此部位泄漏问题几次出现在不同制造单位制造的几台大直径热交换器水压试验过程中，具有一定的典型性。针对此问题，从密封连接处相关尺寸的加工偏差、密封垫片的选择和设计、管箱热处理与法兰密封面机加工的工序以及水压试验带压紧固等方面进行了原因分析，并相应给出意见及建议，可供工程设计和制造单位参考。

热交换器； 乙烯装置； 水压试验； 泄漏； 原因分析

随着乙烯装置的大型化，大直径热交换器(公称直径大于或等于1.8 m的浮头式或U形管式热交换器)的使用不断增多。近年来，国内几个制造厂商在承接大型乙烯装置的大直径热交换器制造任务时，接连出现制造完成后进行水压试验过程中发生泄漏的情况，泄漏主要集中在热交换器管箱法兰与管板间的密封连接处(图1)，具有一定的典型性。文中以1台直径2 m的浮头式热交换器为例，对此类大直径热交换器水压试验时产生泄漏的主要原因进行分析，并给出了相应建议[1-6]。

1 密封连接处相关尺寸加工偏差问题

在发生泄漏的大直径热交换器管板密封面外缘和管箱法兰密封面凸台内侧的间隙处，局部可见被挤出的密封垫片，垫片被挤出部分的缠绕层结构基本完好，未出现散开情形。实际测量挤出垫片处，发现管箱法兰密封面凸台内侧与管板外缘(管板外径处)间的实际间隙为10 mm，远大于设计图样以及NB/T 47020～47027—2012《压力容器法兰、垫片、紧固件》中规定的1.5 mm[7]。拆下管箱后对管箱法兰密封面及管板外径进行尺寸测量，发现管箱法兰密封面凸台内径尺寸和管板外径尺寸与图样尺寸存在一定加工偏差，均超过加工允差。按设计图样，管箱法兰密封面凸台内径应比管板外径大3 mm，而加工后实际却大了18 mm，再加上装配时产生的偏差，最终造成在垫片被挤出部位管箱法兰密封面凸台内侧与管板外缘间的实际间隙为10 mm。如果不出现上述超过允差的加工偏差，加压时缠绕垫片应不会被挤出，也不会出现或减轻泄漏现象。因此，大直径热交换器管箱法兰及管板的加工偏差问题应引起重视。

选择大直径热交换器制造厂商时，应考察其在制造此类设备方面的装备情况、机加工能力和相关业绩，必要时派驻厂监造人员，加强对管箱法兰密封面凸台内径及管板外径尺寸允差的检查和控制。

2 密封垫片选择和设计问题

此浮头式热交换器中使用的密封垫片是按照GB/T 29463.2—2011《管壳式热交换器用垫片 第2部分：缠绕式垫片》直接选用的[8]，垫片为带内加强环的缠绕垫片，对应压力等级、垫片尺寸及材料选择等均符合规范和设备设计条件。但从几台大直径热交换器均出现水压试验泄漏的实际情况看，大直径热交换器密封垫片的选择和设计仍有改进空间。

该热交换器发生水压试验泄漏后，设计单位调整了垫片设计并进行了相关核算，把原来按规范直接选用的带内加强环的缠绕垫片调整为非标设计的带内外加强环的缠绕垫片，见图2。新的缠绕垫片增加了外加强环[9]，可以有效防止缠绕垫片在水压试验升压时从管板密封面外缘和管箱法兰密封面凸台内侧间隙处被挤出的情况发生。另外，大直径缠绕垫片在运输及安装过程中易散架，外加强环还可以一定程度上起到防散架的作用。设计调整后的带内外加强环的缠绕垫片在该热交换器上得到成功应用和验证，不再出现管板密封面外缘和管箱法兰密封面凸台内侧间隙处密封垫片被挤出的情况，且垫片密封效果良好。因此，对大直径热交换器的管箱侧法兰与管板的密封缠绕垫片，建议采用带内外环的非标设计，即使管板和管箱法兰密封面处的相关尺寸出现超过允差的加工偏差，仍可有效防止水压试验时垫片被局部挤出而发生泄漏。

图2 带外加强环缠绕垫片密封结构局部放大图

3 管箱热处理与法兰密封面机加工工序问题

该浮头式热交换器设计图样规定，管箱应进行整体热处理。对热交换器的制造过程文件，包括制造工序及热处理过程等文件进行审查，发现制造厂虽按设计图样要求对管箱进行了整体热处理，但并未在热处理后对管箱法兰密封面进行加工，只在法兰组焊到管箱筒体上之前完成了密封面的精加工。由此可见，设备法兰密封面的整体平面度及加工精度有可能受热处理的影响而得不到保证，是造成管箱侧垫片密封处水压试验时泄漏的另一原因。

虽然GB/T 151—2014《热交换器》[10]中规定了管箱、浮头盖的设备法兰密封面应在热处理后加工，但设计图样上还应对此进行明确规定，尤其对大直径热交换器的管箱法兰密封面，以防止制造厂出现颠倒工序的问题。另外，选择大直径热交换器的制造厂商时，应重点考察其在大直径热交换器制造加工方面的能力，同时加强此类设备的监造。

4 水压试验带压紧固问题

几台发生泄漏的大直径热交换器均在水压试验泄漏时进行了带压紧固螺栓的操作，有些泄漏减轻，有的多次紧固后仍无任何效果。经制造厂确认，泄漏的设备法兰和管板密封面上均未发现可能产生泄漏通道的划痕和沟槽。在现场水压试验操作过程中，有些带压紧固未使用带读数的力矩扳手，有些虽使用了带读数的力矩扳手，但无法提供当时的扳手力矩数值。笔者认为，管箱法兰与管板间的缠绕垫片局部被挤出会造成垫片单位有效密封面积减少，密封垫片有可能在带压紧固过程中被压溃而失效，即垫片被压缩发生塑性变形失去回弹能力而产生泄漏。据有关文献介绍[11]，为防止垫片因压缩发生塑性变形而失去回弹能力，一般应控制垫片上的最大压紧力不超过4y(y为垫片单位有效密封面积上的压紧力[12])。另外，若单位有效密封面积上的实际压紧力小于y，会使泄漏通道不能消除而达不到预密封要求。因此，垫片单位有效密封面积上的实际压紧力y′可参照y≤y′≤4y的原则进行控制。

基于此，笔者建议，设计单位应当在图样上明确规定水压试验工况下大直径热交换器管箱法兰和管板连接用紧固螺栓的预紧力数值和控制要求，制造单位或者现场安装单位在进行大直径热交换器水压试验的带压紧固时最好使用带读数的力矩扳手，并且控制好施加在螺栓上的力矩，进而控制作用在垫片单位有效密封面积上的实际压紧力不超过4y，以防止垫片被压缩发生塑性变形失去回弹能力而产生泄漏。

5 结语

针对近年来接连出现的乙烯装置中大直径浮头式或U形管式热交换器水压试验时管箱法兰与管板密封连接处出现泄漏的情况，从多方面分析了泄漏产生原因并提出了改进措施，笔者建议：①应选择具备大直径热交换器机加工能力的制造厂商，并严格控制管板及管箱法兰密封面相关尺寸的加工偏差。②设计图样中应明确提出管箱、浮头盖的设备法兰密封面应在热处理后加工的要求，必要时派驻厂监造人员严格控制相关制造工序。③大直径热交换器管箱法兰与管板密封连接处缠绕垫片可设计成带内外环的缠绕垫片。④制造单位在进行大直径热交换器水压试验时，如需要带压紧固，应使用带读数的力矩扳手，有效控制作用在垫片单位有效密封面积上的实际压紧力，防止垫片被压发生塑性变形失去回弹能力而产生泄漏。

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

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(GB 150.3—2011，Pressure Vessels—Part 3：Design[S].)

(张编)

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

张驰群(1976-)，男，辽宁辽阳人，高级工程师，硕士，主要从事化工设备设计及设计管理工作。