高压临氢Ω环换热器检修技术研究

南京扬子检修安装有限责任公司工业服务分公司 张凯锋

本文从保证业主生产安全稳定的角度出发，分析高压临氢Ω 环换热器检修技术，保证高压临氢Ω 环换热器保持良好的工作状态，以便更好地为石油化工业提供服务，论题内容分析如下[1]。

1 高压换热器常见密封结构分析与比较

国内加氢精制裂化装置中的高压换热器多采用卧式U 型管换热器，固定端管板采用可拆卸连接，管束可抽出进行清洗维修。这种型式的换热器的密封性能好坏在于管、壳程筒体端与管板之间的密封结构选择是否合理[2]。

1.1 八角金属环垫片密封

这种密封结构是将固定端管板夹在壳体法兰和管箱法兰之间，用八角形金属环作为密封垫片，由螺栓紧固力预紧来完成密封。特点是结构简单，制造、安装和检修容易。但法兰和螺栓尺寸很大，质量大、造价高、易泄漏，已很少使用。

1.2 螺纹锁紧环密封螺纹锁紧环密封结构

该结构在高温高压换热器的设计中应用较广。拧紧外圈螺栓，通过顶柱、固定环和垫片压板压紧垫片，实现管程密封。拧紧内法兰螺栓，通过分程套筒和管板压紧壳程垫片，实现壳程密封。在生产操作过程中，如发现壳程介质向管程泄漏，可拧紧内圈螺栓，通过顶柱、压紧环、垫片压板、内套筒、内法兰、分程套筒和管板压紧壳程垫片，实现壳程垫片在线辅助压紧。这种密封结构适合于管、壳程均为高压的换热器。但结构复杂，螺纹锁紧环的机加工精度高、制造难度大、造价高。承压内件（内法兰、螺栓等）在高温高压条件下容易变形及腐蚀，在发生内泄时又要不断地拧紧螺栓，加大密封压力，使内件受损较大，检修时需要经常更换。其特点是密封螺栓较小，密封可靠性高。

1.3 Ω 环密封

常用于高压换热器中，其主要通过螺栓、法兰、两瓣的Ω 环密封垫圈组焊而成。早在20世纪90年代初加氢装置就已开始采用这种结构进行密封，与八角垫密封、螺纹锁紧环密封相比，其Ω 环密封结构最早见于引进的高压化肥装置中的换热器内。近几年由兰州石油机械研究所开发的Ω 环设计计算方法和制造加工技术，已应用在高压加氢换热器的密封设计上。

Ω 环作为承压密封元件，其环壳部分直径小，壁厚2～3mm，能承受很高的压力，介质和环境完全隔绝，是1种无泄漏密封结构。Ω 环由1对Ω 形半环组焊而成，半环分别焊在法兰和管板上，由于法兰和管板的刚度较大，Ω 环本身具有较好的轴向变形能力，不受温度、压力波动大和结构变形不一致的影响，其密封结构简单，制造及拆装方便，密封效果好，解决了其它类型垫片可能出现的密封面失效问题，也不会因密封面变形错位而导致泄漏，适用压力为7～32MPa。若换热管结垢需清洗，则应沿Ω 环顶部焊口切开，检修完毕组对时再将环焊上。

1.4 经济性比较

通过对前述3种密封结构优缺点的分析比较，Ω环换热器突出的优点螺栓预紧力小，螺栓主要承受内压引起的轴向力，因此螺栓直径、法兰厚度和质量均减小，造价降低。在某石化120万t/a 催化柴油加氢精制（改质）装置1台加氢换热器的设计中优选了Ω 环密封结构。与八角垫密封结构相比较，两者均结构简单，每吨单价相同，但Ω 环无泄漏、质量小，制造费用降低10万元。与螺纹锁紧环相比，螺纹环易发生内泄漏，Ω 环不会发生内泄漏。采用Ω环的换热器比采用螺纹环的换热器轻，可节省投资约，约占换热器总投资的20%。

2 高压临氢Ω 环换热器详细介绍

从加氢装置来看，高压临氢Ω 环换热器是关键设备，操作过程中务必控制好温度、压力、临氢等条件，否则极易出现易燃易爆问题。高压密封结构由多部分组成，即金属环垫、Ω 环、隔膜、螺纹锁等。其中，Ω 环由两个半Ω 环组成，其受压性能良好。密封环焊接对象主要是法兰、管板，密封方式表现为无垫片密封，具有性能强、可靠性高、拆卸便捷、环境适应性强、施工阻力小、经济性高等优点。在检修过程中，需要工作人员精益化掌握工艺技术，选择适合的拆卸方法、组装方法，使临氢密封状态最佳化，确保高压临氢Ω 环换热器使用价值大大提高。

2.1 Ω 环制造锻件要求

Ω 环锻件材质0Cr18Ni10Ti，420℃的高温屈服强度为≥117MPa，化学成分及其它技术要求见《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》(NB/T 47010-2017)，验收级别为Ⅲ级。锻件应按《金属和合金的腐蚀 奥氏体及铁素体-奥氏体（双相）不锈钢晶间腐蚀试验方法》(GB/T 4334-2020)进行抗晶间腐蚀试验。

2.2 Ω 环制造工艺

Ω 环锻件粗加工后，按《承压设备无损检测》（NB/T 47013-2015）射线检查，Ⅱ级为合格。在设备法兰和管板热处理及机加工完成以后再将Ω 半环分别焊在法兰密封面和管板上，至少分2次施焊，且焊脚高度不小于6mm。焊接接头按JB 4730第四篇进行渗透检测，Ⅰ级为合格。Ω 环半环之间的焊接接头要打磨坡口并分二层施焊，焊后渗透检测，Ⅰ级为合格。换热器水压试验合格后，在环上下各钻一Φ3mm 小孔，排尽Ω 环内的积水，并彻底吹干，然后将Φ3mm 孔焊死，焊完做渗透检查。

2.3 Ω 环焊接工艺要点

引弧、熄弧操作中，务必在坡口（非表面）操作，必要情况下打磨处理。涉及接头焊接时，务必运用回焊方法，这是规避接头质量缺陷的重要原因。焊接过程中，在初焊环节焊透，通过外观检查及时消除裂纹，尽最大可能规避质量问题，待焊接无误后，为后续焊接做准备。需注意的是，坚持小部位到大部位的焊接原则，目的是有效控制焊缝热影响范围，尽可能保证接头韧性。必要情况下进行多层焊接，将熔渣、缺陷最大化消除。除此之外，将层间温度控制在95℃之内，同时，焊道接头错距不小于10cm。焊接结束后，细致检查焊接质量，视情况予以补充、修理、打磨。

3 高压临氢Ω 环换热器泄露原因分析

3.1 基板槽缺失

正常来说，高压临氢Ω 环底部基板上设置特定规格参数的基板槽（0.5cm×0.1cm），基板槽分布较均匀。高压临氢Ω 环换热器工作过程中，Ω环内介质自由流动，不能形成积液和死区，并防止从基板槽进入Ω 环腔，减少腐蚀现象。相对比而言，如果缺少基板槽，则Ω 环腐蚀问题发生率较高，进而影响换热器性能。

3.2 Ω 环变形

实际上，Ω 环属于承压密封元件，其抗压性能良好。Ω 环密封环节，能够将介质、环境妥当隔离，避免出现临氢泄露现象。但是如果Ω 环形状改变，则环间缝隙出现，极易造成临氢外泄。随着工况时间的延长，以及振动幅度的加大，则Ω 环变形幅度随之增加，最终实际抗压能力将小于设计压力。即便停工，仍会出现Ω 环裂缝问题，极易产生安全事故。

3.3 Ω 环与管板角间存在焊缝

二者焊接的过程中，需要事先清理打磨位置，为焊接操作提供条件。实际上，常因打磨清洁不到位而出现残留，致使焊缝四周产生渗碳层，则裂纹问题接连出现，进而换热器性能逐渐减弱。此外，Ω 环切割处理后，会因环间距离扩大而降低与管板装配精度，并且还会使应力过多集聚，最终影响焊接质量，产生系列化质量问题[2]。

4 高压临氢Ω 环换热器检修技术探讨

首先，Ω 密封环换新方案。检查发现泄漏路径以焊缝为走向，检修人员通过切割检测Ω 环内部，观察是否存在裂纹，确定存在裂纹后，分析裂纹形状以及数量，为换新方案制定提供依据。换新处理时，妥当切割焊缝，并根据图纸打磨受损位置，做好表面清洁工作，经质检达到合格状态，最后彻底消氢。

其次，Ω 密封环组装、焊接。基本加工操作结束后，细致检查Ω 环水平度、贴合度，检查无质量问题后，进入组装环节，确保组装Ω 环与法兰、管板同心度。组装Ω 环。Ω环在组装过程中对尺寸要求较高，在组焊Ω 环中间环缝之前，必须对管箱法兰和壳体法兰之间的距离进行测量（一般测8点），与图纸尺寸进行对比，确保Ω 环与法兰、Ω环瓣之间完全贴紧，检测合格后方可焊接；否则容易引起焊接变形，间隙增大，在组装并把紧螺栓后容易使角焊缝撕裂。需注意的是，检修人员认真检查焊接前期的压紧状态，充分准备焊接设备，经焊接打底、填充、覆盖等操作调整工艺参数，最后针对焊接成果再次检验，直到符合质量要求。

最后，组织试验活动。上述焊接操作结束后，组织壳程水压试验，如果投用一阶段后出现泄漏问题，应适当卸压。再次对焊缝剖开检查，进行100%PT 检测，观察是否存在裂纹，并收集裂纹信息。

4.1 检修施工工艺要点以及拆装技巧

Ω 密封环焊缝拆除阶段，施工人员要灵活操控电动工具，用行车等将管箱固定牢固，防止Ω 环切开后管箱坠落。与此同时，适当控制承载力，做好螺栓预留工作，及时、有序切除焊缝，严格按照工序完成施工任务。对于施工人员来说，应提高自身技术水平，针对螺栓预紧问题及时处理，适当控制预紧力大小，实现螺栓均匀受力的良好效果[3]。

在维修的装拆过程中，首先要进行良好的定位，减小两个Ω 形半环焊接接头的错边量；其次应避免Ω 形环承受管箱或管板的重力，防止产生剪切破坏。具体结构是在设备上设置4只装拆螺栓，装拆螺栓全长要加工螺纹，管板上焊有带螺纹的支耳，这样既解决了两个Ω 形半环的焊接定位问题，又可以避免Ω 形环的承载。另外、为了在水压合格后排净全部积水，在Ω 环下方还设置一只8MM 小孔。

若既卸管箱又抽芯，则为了卸下管箱，将4只装拆螺栓保留不卸，只卸掉其余的主螺栓，即维持管箱仍与管板连接，使用手动切割或自动切割工具先将卸去主螺栓处的Ω 环切开，然后将每根装拆螺栓两边各穿上两只主螺栓，卸下四只装拆螺栓，切割该螺栓下方的Ω 环遗留部分，从而完成整个管箱侧Ω 环的切割工作，卸下管箱，再完成管板与壳体连接的Ω 环的切割工作，然后使用抽芯机抽出管束。

若只抽芯而不卸管箱，则将4只装拆螺栓移至管箱法兰螺栓孔与管板上螺纹支耳，卸掉其余的主螺栓，即维持管箱仍与管板连接，然后使用手动切割或自动切割工具完成管板与简体连接的Ω 环的切割工作，使用专用抽芯机将管束连带管箱一起抽出。

最后按照设备螺栓图样要求，预紧力对设备螺栓再次均匀对称上紧，以免因预紧力不足导致设备在运行过程中出现Ω 环变形、甚至焊缝撕裂，而发生设备泄漏事故。

4.2 拆装技巧

检修拆装时应严格执行Ω 环密封结构加氢换热器检修规程。由于加氢装置中的介质含有硫化物，在开停工时，残留的硫化物遇水或氧反应会生成连多硫酸，因此在切割Ω 环前必须进行碱洗，碱洗后不得用水清洗，用压缩空气吹干，使表面保留碱膜。若反应器不卸料，则反应残余物在气密试验过程中流经Ω 环。所以必须防止在Ω 环内的热空气冷却凝结成水，形成连多硫酸应力腐蚀环境。防范措施为，组焊Ω 环时在最底部预留5～10mm 不焊，待Ω 环其余部分全部焊完后停留一段时间，使Ω 环腔内空气冷却至室温后再补焊预留段，避免空气凝结成水分。气密性试验过程中用蒸气皮带加热Ω 环底部直至试验完毕，使其温度超过100℃将腔内的水汽化，无法生成连多硫酸。

Ω 环切割多次后可拆卸更换，拆卸的时候，螺栓不要全拆开，隔几个留一个；用钻头先上下各钻一个洞，排干腔体内可燃气体并置换下；用等离子切割，不要用乙炔，这样Ω 环会比较齐，后面复位焊接的时候比较方便。

综上所述，高压临氢Ω 环换热器用于化工企业，是加氢装置中的主要设备，采用Ω 环密封结构，可保证换热器使用时无泄漏，安全可靠，也使结构简单，降低设备造价。要求检修人员全过程了解换热器工作状态，视情况运用检修技术处理Ω 环泄露问题，从而提高换热器利用率，大大减少安全风险。具体来说科学制定检修方案、掌握焊接工艺要点和施工工艺要点，推动高压临氢Ω 环换热器检修水平迈向新台阶，促进化工企业持续、稳健发展，真正提高检修技术实践价值。