摘要：针对厂内现用的浮头式换热器试压工装，本文主要介绍了一种使用效果理想的浮头式换热器试压工装，并指出了“活套式O型圈密封工装”的结构特征及优点。
关键词：浮头式换热器；试压工装；钩圈可更换式；成本；
1、前言
由于浮头式换热器浮动端的换热器芯子与壳体是敞开结构，没有形成封闭盛液体的腔体，试压时必须安装一个专用试压工具使其密闭。在浮头式换热器检修过程中，试压过程几乎占整个换热器检修过程三分之二的时间，所以换热器试压工装的性能优劣将直接影响试压效率。本文主要针对换热器试压工装在实际使用过程中存在的一些问题，从密封性、通用性及操作性的角度进行了优化，保证了密封的可靠、操作的便捷并降低了制造成本。
2、“活套式O型圈密封工装”的创新设计
“活套式O型圈密封工装”的设计旨在解决：2.1、壳体法兰与试压工装之间的密封问题，2.2、工装通用性差的问题。并通过结构的优化减小螺栓中心圆直径从而降低预紧力使工人操作更加方便。“活套式O型圈密封工装”由压盖、榫槽法兰和可替换钩圈三部分组成，结构示意图见图3。密封环套宽度50—70㎜，高度 100—130㎜，与浮头管板连接部位采用3 ㎜的间隙的动配合，可以有效减少变形和实现管板深度调节。经过查阅以往图纸和浮头换热器图册，确定了压盖的深度调节范围在160～240mm范围之间。
图1 活套式O型圈密封工装
2.1、壳体法兰与试压工装之间的密封结构优化
用于高压时密封效果比较好的三种密封面结构有凹凸面、榫槽面和环连接面，凹凸面的结构尺寸有配合要求不能满足壳体法兰的多样性，而环连接面形状复杂、粗糙度等级要求高（Ra=0.4~1.6），不易加工和防护，因此最适合用作壳体法兰与试压工装的密封结构是榫槽面密封结构。将壳体法兰与试压工装之间的平面密封改为榫槽面密封，为保证密封和一定的强度，防止受压变形榫槽法兰宽度50—60㎜，高度 100—120㎜。
密封元件选用橡胶石棉板，配合榫槽结构，压紧后橡胶石棉板变形，会形成三圈线密封，假使第一圈密封线如果发生泄漏，第二圈和第三圈密封线也将阻止介质泄漏。“固定式O型密封”工装大端法兰和设备法兰连接时，如果大端法兰刚性不够，螺栓连接时，容易造成法兰外凹内凸现象，导致泄漏，“活套式O型密封”工装采用了钩圈法兰和榫槽封法兰分离式连接，即使钩圈法兰刚性不够，也不会造成密封法兰密封面出现变形。
2.2、工装通用性优化
受浮头式热交换器的结构启发，对大端法兰的结构进行优化，将大端法兰分为钩圈法兰和榫槽法兰两部分，榫槽法兰主要起密封作用而钩圈法兰主要起锁紧作用。榫槽法兰采用钩圈和浮头式换热器法兰相连，实现同一直径不同压力的工装只需更换钩圈法兰即可，从而降低试压成本。
耐压试验工况下所需的螺栓预紧力远远小于设备正常操作下所需的螺栓预紧力，主要体现在：1、操作工况下为壳程封头承受内压，耐压试验工况下为管板承受内压且换热管承担了部分拉应力，管板面积（去除换热管管孔面积）约为封头投影面积的60%，由公式 P＝F/S 可以看出，在压强P一定时，面积 S越小，则压力F也越小，连接法兰的螺栓数量可以减少约为原来连接数量的2/3，就可以达到同等压力所需要的预紧力。2、根据GB150操作工况下螺栓的许用应力为操作温度下的屈服强度/安全系数，安全系数根据螺栓直径和材质的不同在1.5~3.5之间取值，而耐压试验工况下的强度校核仅需满足最大应力小于等于0.9倍的屈服强度即可，因此单个螺栓在耐压试验工况下允许承受更大的应力，从而减少螺栓数量。综上所述耐压试验工况下所需的螺栓数量仅需要操作工况下螺栓数量的50~60%。
在此理论基础上对钩圈法兰进行进一步优化，对压力容器法兰的标准 NB/T47020 ~47024—2012进行了梳理，根据标准中螺栓中心圆直径、螺栓孔直径及螺栓孔数量对。以DN1000的钩圈法兰为例，可以将PN1.0和PN1.6的钩圈法兰合二为一，同理可以将PN2.5和PN4.0的钩圈法兰合二为一，将PN6.4的钩圈法兰单独制作。这样利用一个榫槽法兰配合三个钩圈法兰就可以完成DN1000直径的乙型平焊法兰、长颈对焊法兰从PN1.0到PN6.4共计7种容器法兰的试压需要，使得工装通用化程度大大提高。
通过工装通用化可以大大降低试压工装的制造成本，以DN1000的试压工装为例，如果采用“固定式O型圈密封工装”配齐从PN1.0到PN6.4的全套试压工装需要成本1.82万元，而采用“活套式O型圈密封工装”仅需要0.49万元，可节约成本72.8%。
2.3、其它结构优化
压盖处通过结构优化减小螺栓中心圆直径从而降低预紧力使工人操作更加方便。
3、“活套式O型圈密封工装”的使用情况
“活套式O型圈密封工装”在今年制作的陕西兴化10万吨/年合成气制乙醇项目直径为DN700、水压试验压力为6.875MPa的循环氢气压缩机回流冷却器浮头式换热器中得到了应用。
该设备为目前厂内制作的浮头换热器中耐压试验压力最高的设备，螺栓一次紧固到位，试压过程中未出现工装密封面泄漏的情况，说明“活套式O型圈密封工装”在高于6.4MPa 的耐压试验中也有着优异的密封性能。
4、结论
“活套式O型圈密封工装”具有良好的密封性能，且易于操作，可通过系列化、通用化大大降低制造成本。后续将对车间现有的和缺少的试压工装进行改造并逐步实现系列化。
参考文献：
[1] 国家质量监督检验检疫总局，GB151-2012热交换器 北京：中国标准出版社；
[2] 国家质量监督检验检疫总局，GB150-2011压力容器 北京：中国标准出版社；
作者简介：
祁少昆，陕西延长石油化建股份有限公司，工程师，陕西杨凌凤凰路，712100，qishaokun@163.com；
论文作者:祁少昆,张伟
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/3/1
标签：法兰论文; 工装论文; 螺栓论文; 头式论文; 换热器论文; 工况论文; 耐压论文; 《基层建设》2017年第33期论文;