加氢装置Ω环密封高压换热器的检修工艺杜昊，任俊杰，董秀丽，黄艳，王志坤中国石油华北石化公司，河北任丘062552摘要：介绍了Ω环密封高压换热器的检修工艺，对设计、使用及检修中的问题进行了分析，提出了解决办法。
关键词：Ω环，换热器，检修加氢装置工艺介质易燃易爆，包括加氢换热器在内的主要设备在高温、高压及有氢气和硫化氢存在的条件下运行，要求设备具有很高的可靠性。
加氢换热器一般设计压力7.0～20MPa、温度300～500℃,材料为15CrMoR+321或2.25Cr-1Mo+347，是石化行业中设计难度高、制造难度大的换热设备。
选择何种密封结构至关重要，直接影响加氢换热器密封可靠性及制造难易程度。
因此管板与管箱、壳体的密封结构成为加氢换热器结构设计最重要的环节。
目前常用的换热器密封结构形式有金属环垫（八角垫、椭圆垫）密封、螺纹锁紧环、隔膜密封（盖板式密封）、Ω环密封等。
1 Ω环换热器简介Ω环换热器的管板与管箱法兰、壳体法兰的密封采用Ω环密封结构，如图1所示，利用回转壳受压性能好的机理，设计制作Ω环密封元件；密封环与法兰、管板以角焊缝的形式连接，介质和环境完全隔绝，有效的解决了其它类型垫片可能出现的密封面失效问题，属于无垫片密封。
Ω环密封结构设备主螺栓具有较小的预紧和操作载荷，减小了设备法兰与主螺栓的尺寸和重量。
同钢垫圈密封结构（八角垫、椭圆垫）和螺纹锁紧环密封结构相比，Ω环密封结构兼有两者的优点，拆卸检修方便、密封绝对可靠等特点。
同时具有制造简单、重量轻、造价低、占地面积小以及直径、压力、温度适用范围广的优势，特别适合在石化企业的加氢装置、重整装置以及化肥装置中推广使用。
可减小设备检修强度、提高设备的可靠性，节省设备的一次性投资，具有较高的经济效益和社会效益，有着广阔的应用前景。
该结构换热器国内自1996年研发至今，已在很多加氢装置推广使用。
图1 Ω环换热器结构简图2 Ω环换热器的检修技术要求由于Ω环换热器的管板与管箱法兰、壳体法兰的密封采用Ω环密封结构，Ω环换热器的拆装难度在于合焊及切割两瓣Ω环，其余与普通大法兰式换热器没有区别。
在组装Ω环时，两瓣环的拼缝焊接时要求高度对中，错边量非常小，焊接时在两片法兰之间的缝隙中完成，增加了焊接难度。
拆装检修时，先用专用的工具把Ω环切割开，拆装检修完毕后再重新组焊，需要准确判定拆装的次数。
检修的质量将直接影响Ω环的密封质量，因此必须严格按照检修规程进行施工。
装置停工后，须将设备从系统中隔离，排净残存介质，并对设备进行氮气置换。
由于加氢装置换热器在检修期间存在连多硫酸腐蚀的情况，可按照美国NACE－RP－01－75《炼厂停工期间使用中和溶液防止奥氏体不锈钢产生应力腐蚀开裂》的要求和步骤进行，自加氢反应器出口至加氢反应产物流程进行碱洗中和，在该流程的内表面保留碱膜。
2.1 环拆卸规程2.1.1拆卸管箱：（1）将设备法兰上4根全螺纹螺柱以外的主螺柱卸掉，使用手动切割或自动切割工具将管板与壳体连接Ω环沿中线切割开, 保留全螺纹螺柱下方无法切割部分；（2）在4根全螺纹螺柱附近安装至少4根主螺柱夹紧管板，再将4根全螺纹螺柱卸掉，移至壳体法兰螺栓孔与管板支耳螺栓孔中，使壳体与管板维持连接；（3）使用手动切割或自动切割工具将全螺纹螺柱下方管板与管箱连接Ω环沿中线切割开；（4）拆卸管箱。
2.1.2拆卸管束使用手动切割或自动切割工具将管板与壳体连接Ω环沿中线切割开, 保留全螺纹螺柱下方无法切割部分；（2）垫平管板，将4根全螺纹螺柱卸掉；使用手动切割或自动切割工具将全螺纹螺柱下方管板与壳体连接Ω环沿中线切割开；（3）在管板端面安装环首螺钉，缓慢抽拉管束，不得碰伤Ω环。
2.1.3如果只抽管束不卸管箱，即管束与管箱一起拆卸（1）将设备法兰上4根全螺纹螺柱以外的主螺柱卸掉；使用手动切割或自动切割工具将管板与壳体连接Ω环沿中线切割开, 保留全螺纹螺柱下方无法切割部分；（2）在4根全螺纹螺柱附近安装至少4根主螺柱夹紧管板，再将4根全螺纹螺柱卸掉，移至管箱法兰螺栓孔与管板支耳螺栓孔，使壳体与管板维持连接，使用手动切割或自动切割工具将全螺纹螺柱下方管板与壳体连接Ω环沿中线切割开；（3）将管束连带管箱一起抽出。
2.2 Ω环组装规程组装前按图3？打磨Ω环之间坡口；组装过程可参照拆卸；要求密封环之间焊接接头组对错边量不得大于0.5mm；采用钨（1）为了组装方便，拆卸前可对Ω环作标记；（2）Ω环组装时，应保证Ω环与设备法兰或管板的同心度及垂直度；（3）在Ω环组焊时，在Ω环最低部预留一段5-10mm左右不焊，待Ω环其余部分全部焊完后，停留一段时间，使Ω环腔内空气冷却至常温后再补焊预留段，Ω环组装完毕后应再次进行碱洗；（4）在气密性试验前或开车前，用蒸汽加热Ω环底部，使Ω环温度在100℃以上，直至气密结束或装置正常运行后。
2.4 Ω环更换程序在Ω环换热器检修过程中，每次拆卸时应对Ω环的内、外表面进行仔细检查，以便及时发现有害缺陷，对存在缺陷的Ω环可进行修复或者更换。
更换步骤如下：（1）将Ω环与设备法兰或管板的焊缝打磨干净，按JB/T 4730.5-2005进行100%渗透检测，I级合格；（2）组装Ω环，保证Ω环与设备法兰或管板的同心度，偏差不大于0.5mm；（3）将Ω环与设备法兰或管板进行焊接，至少分二遍施焊，且焊脚高度≥6mm；（4）施焊完成后焊接接头按JB/T 4730.5-2005进行100%渗透检测，I级合格。
3 问题和讨论Ω形环的使用寿命主要取决于两个Ω形半环间对接焊缝的质量，试验表明通过对装、拆焊接工艺进行严格的控制，Ω环可重复装、拆4一6次。
该类型换热器在加氢装置应用以来，也出现了多次泄漏故障。
上海炼油厂100万t/a汽柴油加氢精制装置中7台临氢高压换热器均采用Q环密封结构， 2000年第一次检修后，发现在装置开工升温后Ω环底部焊缝热影响区处出现泄漏，为穿透性裂纹。
在泄漏处用铁胶泥与特制压块堵住，用蒸汽保护后装置继续运行了2年多，裂纹没有扩展。
2002年第2次拆卸，对换热器原管箱与管板连接的Ω环进行了更换，开工升温后，在Ω环下部焊缝热影响区出现1条3-4mm的穿透裂纹。
经事后分析该缺陷是由于加氢装置的长期运行中，高温H2+H2S介质与钢生成FeS，在停工检修打开设备时与空气中的氧气和水接触反应生成连多硫酸，从而造成腐蚀开裂。
华北石化120万吨年柴油加氢装置有6台临氢高压换热器均采用Q环密封结构，在2011年对换热器进行了检修，检修后在装置氮气置换过程中发现其中一台Ω环顶部焊缝存在局部气孔，检查发现是由于该换热器Ω环恢复过程中，换热器法兰螺栓长度较长，位置受限于换热器的接管法兰，无法全部退出，只能漏出部分Ω环的焊接位置，施工单位采用了手电焊代替钨极氩弧焊，出现了焊接气孔。
修复后在装置进一步升温升压的过程中又在另外的换热器发现两处Ω环下部泄漏。
后经返厂维修，初步判断为连多硫酸腐蚀引起。
通过对以上Ω环维修中及维修后的故障情况分析，运行中Ω环出现故障的可能较小，绝大部分故障出现在检修过程中及设备检修后投入运行初期，采取规定的拆卸、组装工艺和防范措施，是可以避免停工再开工后Ω环的泄漏的现象发生。
在Ω环换热器的设计、使用和检修过程中特别需要注意以下几点3.1 设计方面(1)改进换热器结构，减小由于管箱重力和管线推力施加在Ω环上的应力。
(2)对于存在连多硫酸腐蚀的情况，升级Ω环的材质。
更换材质奥氏体不锈钢18Cr-8Ni (304)长期在高温H2+H2S环境下，停工时会形成连多硫酸应力腐蚀。
18Cr-8Ni-Ti (321)短期使用一般不会产生连多硫酸应力腐蚀，而长时间使用以18Cr-8Ni-Nb(347L)为宜。
对含稳定化元素Ti, Nb的奥氏体不锈钢，经固溶处理，可极大地降低产生晶间腐蚀的倾向。
因此，Ω环须进行固溶处理。
3.2 检修过程(1)装置停工后，可按照美国NACE－RP－01－75《炼厂停工期间使用中和溶液防止奥氏体不锈钢产生应力腐蚀开裂》的要求和步骤，自加氢反应器出口至加氢反应产物流程进行碱洗中和。
另外，对Ω环进行拆卸检查，组装完成后应再次进行碱洗。
(2)在制造及维修的装拆过程中，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。
设计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，并要求在检修过程中严格按照程序进行施工。
(3)Ω形环的焊接关键是要防止过大的焊接变形。
为此,要严格按照焊接工艺要求，为避免出现夹渣、气孔等缺陷，保证密封的质量，施焊时每条焊缝至少焊两道，每道焊完均应进行100%渗透检测，以确认无任何缺陷。
每次Ω形环刨开后，要对Ω形环的内、外表面进行仔细的检查，焊接前应认真清理焊接表面，对于焊接后发现的缺陷，必须全部消除后才允许补焊。
(4)由于现场条件限制, Ω形环壁厚薄（3-3.5mm），焊接位置固定，对焊接工人的技术要求较高，应尽量聘请有经验的专业单位完成。
使用Ω形环密封结构换热器的安装，还需要注意螺拴的预紧问题。
由于Ω形环厚度小，不能承受过大的载荷，因此在螺栓预紧时，应对螺栓施加一定的预紧力。
并且通过测量法兰与管板间的间隙，使其均匀，保证操作状态下的螺栓受力。
(5) 长期使用的加氢Ω环换热器内部堆焊层存在氢损伤，如果更换Ω环必须进行消氢处理。
3.3 使用维护(1)在工艺上采用热态开工，系统先升温后升压。
在设备上可防止加氢反应器在升压过程中发生脆性破坏;在工艺上可有效防止在开工过程中发生连多硫酸应力腐蚀。
反应器中催化剂是硫化态(在催化剂表面形成金属硫化物)，在氢气状况下，可能还原生成硫化氢，另在催化剂床层中吸附着在开工中形成的硫化物，催化剂中吸附水分，如采用冷态开工，随气体循环流出反应器的硫化物，在遇到低于其露点温度的工况时，会发生露点积液，在不锈钢表面可能发生应力腐蚀,如采用热态开工，使整个反应系统在较短的时间内升到较高的温度(高于硫化物露点温度)，从而避免发生露点应力腐蚀开裂。
(2)开车或停车时，操作压力及操作温度应缓慢上升或下降，避免造成过大的压差和热冲击；(3) 设备严禁在超过设备铭牌规定的条件下运行；对于按压差设计的设备，无论是开车、停车或操作工况，均应严格控制管壳程的压差不超过设备铭牌的规定，请用户特别注意，严格遵守！(4) 装置停工后，须将设备从系统中隔离，排净残存介质，并对设备进行氮气保护。
(5) 应结合巡检，经常对管壳程介质的温度及压降进行检测记录，分析换热器的泄漏和结垢情况，应经常监视管束的振动情况。
参考文献：1、加氢装高压换热器Ω型密封环的维修及腐蚀原因分析石油化工设备技术，2005，26（6）上海高桥石化工程建设有限公司李力生2、高压换热器的Ω形环密封结构压力容器，2000，总第102期上海高桥石化顾雪东3、螺纹锁紧环双壳程换热器与Ω型密封结构换热器特点比较石油化工设备技术，2004，25（2）中国石化工程建设公司尹丹勤等4、加氢换热器Ω环泄漏原因和对策石油化工设备2000，32(1) 兰州石油机械研究所宋秉棠等5、加氢装置Ω型密封环高压换热器时效分析与防治高桥石化2003，第18卷第2期，沈红杰等6、Ω环换热器检修规程甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司作者简介：杜昊（1979~），男，黑龙江齐齐哈尔人，工程师，从事炼油生产和设备管理。