管殼式熱交換器試壓工藝及工裝設(shè)計(jì)

王 玉 汪德濤 黃偉昌

（沈陽匯博熱能設(shè)備有限公司）

0 引言

壓力容器的耐壓試驗(yàn)，是其竣工后、出廠前進(jìn)行的最終綜合性檢驗(yàn)，也是壓力容器驗(yàn)收的重要依據(jù)[1]。由于耐壓試驗(yàn)是在超過設(shè)計(jì)壓力條件下進(jìn)行的 （不考慮溫度影響因素，液壓試驗(yàn)壓力通常超過設(shè)計(jì)壓力25%，氣壓試驗(yàn)和氣液組合試驗(yàn)壓力通常超過設(shè)計(jì)壓力10%），因此具有較高的風(fēng)險(xiǎn)性。曾經(jīng)出現(xiàn)過試壓過程中人身傷亡的事例[2]。

管殼式熱交換器[3]是壓力容器的重要結(jié)構(gòu)類型，屬于多腔容器。熱交換器常用的結(jié)構(gòu)類型包括固定管板式、U形管式和浮頭式。其試壓過程比單腔容器復(fù)雜，不僅試壓遍數(shù)多，對于浮頭式還要使用專用的試壓工裝。因此，合理的試驗(yàn)工藝方案，不僅可以滿足圖樣和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證試壓過程的安全性，還可降低試壓成本。

1 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

耐壓試驗(yàn)是必做項(xiàng)目，泄漏試驗(yàn)是選擇性項(xiàng)目。

1.1 耐壓試驗(yàn)

耐壓試驗(yàn)包括液壓試驗(yàn)、氣壓試驗(yàn)和氣液組合試驗(yàn)。具體規(guī)定參見TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的3.2.12、4.1.9章節(jié)，以及GB 150—2011《壓力容器》規(guī)范中第1部分4.6章節(jié)和第4部分11.4章節(jié)。管殼式熱交換器較少用氣液組合試驗(yàn)。

1.2 泄漏試驗(yàn)

泄漏試驗(yàn)包括氣密性試驗(yàn)以及氨檢漏試驗(yàn)、鹵素檢漏試驗(yàn)和氦檢漏試驗(yàn)等。泄漏試驗(yàn)的根本目的是考察焊接接頭的致密性和密封結(jié)構(gòu)的密封情況，確定容器是否存在不允許的泄漏。泄漏試驗(yàn)不是壓力容器的必做項(xiàng)目，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定僅對于介質(zhì)毒性程度為極度、高度危害或者不允許有微量泄漏的容器，應(yīng)在耐壓試驗(yàn)合格后進(jìn)行泄漏試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn) [4]提供了可以確定泄漏部位或測量泄漏率的共11種泄漏試驗(yàn)方法。管殼式熱交換器常用其中的兩種檢測技術(shù)。其中附錄A氣泡泄漏檢測——直接加壓技術(shù)，用于氣密性試驗(yàn)；附錄G氨泄漏檢測技術(shù)，充入10%～30%體積法 （標(biāo)準(zhǔn) [5]中稱之為B法），用于管頭、焊縫泄漏的檢測。如果控制介質(zhì)泄漏率要求更高時(shí)，應(yīng)使用鹵素檢漏試驗(yàn)甚至氦檢漏試驗(yàn)[2]。

2 試壓工藝

管殼式熱交換器試壓檢驗(yàn)的核心問題是對管頭（換熱管與管板的連接接頭）進(jìn)行檢驗(yàn)。應(yīng)針對下述三個(gè)方面考慮試壓工藝方案： （1）殼程試驗(yàn)壓力大于等于管程時(shí)； （2）殼程試驗(yàn)壓力小于管程時(shí)； （3）按壓差設(shè)計(jì)時(shí)。

2.1 殼程試驗(yàn)壓力大于等于管程

如圖1所示，當(dāng)殼程試驗(yàn)壓力大于等于管程時(shí)，在殼程試壓過程中，從管板的正面很容易發(fā)現(xiàn)管接頭連接處出現(xiàn)的缺陷?？梢哉J(rèn)為，其缺陷已完全暴露出來。對于固定管板式和U形管式 （利用其管箱法蘭）結(jié)構(gòu)可直接進(jìn)行試壓，浮頭式需要使用專用試壓工裝進(jìn)行試壓。

圖1 殼程試壓示意圖

2.2 殼程試驗(yàn)壓力小于管程

當(dāng)殼程試驗(yàn)壓力小于管程時(shí)，殼程試壓尚不足以暴露管接頭存在的全部缺陷，部分缺陷可能需在達(dá)到管程試驗(yàn)壓力值時(shí)，才有可能顯現(xiàn)出來。為此，可以首先嘗試提高殼程試驗(yàn)壓力值使之與管程等同，此時(shí)應(yīng)對殼程所有部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性校核，如滿足要求，可按管程試驗(yàn)壓力值試壓；如不滿足，則只能以殼程允許的最大試驗(yàn)壓力值試壓，然后再在殼程用氨泄漏、鹵素泄漏或氦泄漏進(jìn)行補(bǔ)充性試驗(yàn)[1]。其主要目的是通過泄漏檢驗(yàn)靈敏度高的特點(diǎn)，來發(fā)現(xiàn)由于耐壓試驗(yàn)壓力值低而發(fā)現(xiàn)不了的缺陷，達(dá)到與提高試驗(yàn)壓力值等同的效果。

2.3 按壓差設(shè)計(jì)

（1）管頭試壓 （按圖樣規(guī)定的最大試驗(yàn)壓力差值）；

（2）管程和殼程步進(jìn)試壓 （按圖樣規(guī)定的試驗(yàn)壓力和步進(jìn)程序）；

（3）要有相應(yīng)控制壓差的措施，保證整個(gè)試壓期間 （包括升壓和降壓階段）不超過壓差。

3 試壓工裝

與固定管板式和U形管式不同，浮頭式換熱器試壓時(shí)必須采用專用的試壓工裝，試驗(yàn)成敗主要取決于浮動管板處試壓工裝的設(shè)計(jì)。圖2、圖3、圖4分別是幾種典型的試壓工裝。

圖2 填料函式試壓工裝

圖3 自緊密封式試壓工裝

圖2所示的填料函式試壓工裝[6]，借用了熱交換器自身的外頭蓋法蘭，只需加工填料箱和壓蓋，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，屬于一次性工裝。一般只用于熱交換器自身的使用或與其完全相同的同類型號結(jié)構(gòu)；另外，填料函式耐壓能力有限 （適用于設(shè)計(jì)壓力≤2.5 MPa），外頭蓋法蘭與填料箱焊接結(jié)構(gòu)屬角焊縫，不能承受過高壓力，使用范圍偏窄。

圖4 O形環(huán)密封工裝

圖3所示的自緊密封式試壓工裝[1]，是一種早期結(jié)構(gòu)樣式。試壓過程中依靠試壓介質(zhì)自身產(chǎn)生的壓力，迫使唇形密封環(huán)靠緊密封面，從而實(shí)現(xiàn)對外頭蓋和浮動管板的密封，可以用于較高的試驗(yàn)壓力，能重復(fù)使用。該試壓工裝的不足包括：在壓力試驗(yàn)升壓初期，由于液體壓力施加在唇形密封環(huán)上的作用力較小，容易出現(xiàn)滲漏；整體比較笨重，一般用鍛件制造；環(huán)槽尺寸要求精細(xì)，唇形密封環(huán)制造成本高；增加了一條接試壓泵的管路。

圖4所示的O形環(huán)密封工裝，由沈陽匯博熱能設(shè)備有限公司研制，是目前較理想的結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍大、O形環(huán)可在試壓時(shí)自制 （使用條料）等優(yōu)點(diǎn)。由于采用O形環(huán)密封，可以有效地降低墊片系數(shù)和比壓力，使試壓工裝的法蘭厚度大為減小，整體工裝質(zhì)量適中。當(dāng)出現(xiàn)高壓試壓場合，可采用類似專利[7]方案加以解決。

4 針對換熱管需考慮的試壓工藝

如前所述，管殼式熱交換器屬多腔容器，其中管板和換熱管是公用元件，必須校核其在試驗(yàn)壓力下的穩(wěn)定性。換熱管一般歸于長圓筒[2]，其承受外壓能力明顯低于內(nèi)壓。

鋁、銅、鈦等有色金屬及合金材質(zhì)的換熱管，通常彈性模量值較低，壁厚較薄，總體抵抗外壓失穩(wěn)能力不強(qiáng)，特別在換熱管壁溫較高時(shí)，必須進(jìn)行外壓負(fù)荷校核后才能試壓 （應(yīng)在設(shè)計(jì)圖樣時(shí)考慮）。

波紋換熱管[8]是近20多年來普遍使用的一種強(qiáng)化換熱管，一般用奧氏體不銹鋼制造。由于成形工藝的局限，管坯厚度通常僅為0.6～1.2 mm，成形后，波紋換熱管柔性很大，在外壓的作用下很容易發(fā)生失穩(wěn)，失穩(wěn)部位通常位于波紋管本體兩端的直管段[9]。建議試壓時(shí)，壓力值不超過標(biāo)準(zhǔn)[8]附錄B常溫規(guī)定值的1.25倍；另外，由于波紋換熱管軸向剛度較小，穩(wěn)定性許用壓應(yīng)力較低，當(dāng)管程壓力較高和換熱器直徑較大時(shí)，波紋換熱管束整體失穩(wěn)的可能性較大，管程耐壓試驗(yàn)時(shí)也曾出現(xiàn)過管束整體失穩(wěn)的案例[10]。雖然目前波紋換熱管以及相應(yīng)的管板計(jì)算已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)可循[3]，但有關(guān)數(shù)據(jù)（如波紋管單波剛度）并沒有全覆蓋，理論計(jì)算也沒有成熟公式。筆者建議，在一些重要場合，有必要在設(shè)計(jì)時(shí)對波紋換熱管以及管板進(jìn)行耐壓能力的風(fēng)險(xiǎn)評估。

5 結(jié)束語

管殼式熱交換器屬多腔容器，其耐壓試驗(yàn)符合多腔容器試驗(yàn)規(guī)范。其核心是對熱交換器管頭進(jìn)行試壓檢查，確保通過殼程試壓 （或泄漏檢驗(yàn)）檢查出管頭存在的缺陷。對于浮頭式結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)專用試壓工裝。當(dāng)管程試驗(yàn)壓力高于殼程試驗(yàn)壓力以及按壓差試壓時(shí)，需要考慮的因素明顯增多，試驗(yàn)工藝過程趨于復(fù)雜。使用有色金屬及其合金換熱管和波紋換熱管時(shí)，在設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)進(jìn)行必要的風(fēng)險(xiǎn)評估，確定換熱管的實(shí)際耐壓能力，以采取必要的措施加以控制。

[1] 李世玉.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程 [M].北京：新華出版社，2005：352，458-483.

[2] 壽比南，楊國義，徐鋒，等.GB 150—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義[M].北京：新華出版社，2012：113，242.

[3] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.熱交換器：GB/T 151—2014[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[4] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.承壓設(shè)備無損檢測 第8部分：泄漏檢測：NB/T 47013.8—2012[S].北京：新華出版社，2013.

[5] 中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會.鋼制化工容器制造技術(shù)要求：HG/T 20584—2011[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[6] 劉建衛(wèi).鉤圈浮頭式換熱器試壓工裝：201220352559.7 [P].2013-01-02.

[7] 王玉，錢江，王記兵，等.高壓浮頭式換熱器殼程試壓裝置：201620308854.0[P].2016-10-12.

[8] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.管殼式熱交換器用強(qiáng)化傳熱元件 第 2部分：不銹鋼波紋管：GB/T 28713.2—2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[9] 王玉，豐艷春，錢江，等.波紋管換熱器的失效形式及防止措施 [J].化工機(jī)械，2000，27（3）：167-171，166.

[10]李永泰，陳永東，陳明建，等.波紋管換熱器管束整體失穩(wěn)分析及設(shè)計(jì)計(jì)算要考慮的問題 [J].壓力容器，2013，30（6）：12-15，49.