工程實(shí)踐中管殼式換熱器換熱管破裂工況分析

楊在峰，吳 洋

（陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院，陜西西安 710100）

在工程實(shí)踐中，對(duì)管、殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力相差較大的管殼式換熱器，低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力通常要提高到其水壓實(shí)驗(yàn)的壓力等于高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力或最大工作壓力，即通常所說的2/3原則或10/13原則。部分工程設(shè)計(jì)人員會(huì)理解為提高了換熱器低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力后換熱管破裂工況不會(huì)發(fā)生，從而不考慮換熱管破裂工況。本文從國內(nèi)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、API標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)踐方面對(duì)此進(jìn)行了分析探討。

1 化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的2/3原則可見于化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20570.2-95《安全閥的設(shè)置和選用》-7.0.8 換熱器管破裂，其中7.0.8.1節(jié)的條文為：“如果換熱器低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力小于高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力的2/3時(shí)，則應(yīng)作為事故工況考慮”[1]。換句話說，如果換熱器低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力等于或者大于高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力的2/3時(shí)，則換熱器管破裂可不作為事故工況考慮。實(shí)際設(shè)計(jì)工作過程中，部分工程設(shè)計(jì)人員會(huì)理解為提高換熱器低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力后不會(huì)發(fā)生換熱管破裂工況，進(jìn)而工程實(shí)踐中會(huì)根據(jù)提高換熱器低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力，以避免換熱管破裂工況的發(fā)生。HG/T 20570.2中7.0.8.1條文是沒有問題的，提高換熱器低壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力，低壓側(cè)的安全閥可以不考慮換熱器破裂工況，但并非說換熱器管不會(huì)發(fā)生破裂。由于化工標(biāo)準(zhǔn)中在此處條文描述的較為簡(jiǎn)略，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中理解有誤差，在API標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此有著更為準(zhǔn)確的描述。

2 API標(biāo)準(zhǔn)

2.1 API RP 521-1990標(biāo)準(zhǔn)

API RP 521-1990版本的標(biāo)準(zhǔn)官方提供的澄清中，有關(guān)于下述問題的答復(fù)?！癚uestion：Our interest is in the basis for the ‘two-thirds rule' given in API 521，and the way in which this should be applied.The code states that，‘For relatively low pressure equipment，complete tube failure is not a viable contingency when the design pressure of the low pressure side is equal to or greater than two-thirds the design pressure of the high pressure side，’This ruling is often used to avoid fitting a relief valve on the low pressure side by raising the design pressure to two-thirds of the high pressure side.Does ‘low pressure side’refer to just the exchanger itself，or to the low pressure system as a whole? ……”

美國石油學(xué)會(huì)的官方答復(fù)如下：“Reply：Increasing the low pressure side design pressure will have little impact on the likehood of a tube rupture.However，by raising the low pressure side desing pressure to a point where the low pressure side test pressure is equivalent to the high pressure side design pressure will ensure that damage to the exchanger due to a tube rupture is extremely unlikely.In most situations，this may involve raising the low pressure side design pressure to twothirds that of the high pressure side.To effectively assess the consequences of a tube leak or rupture，the entire low pressure system into which the high pressure side can flow should be evaluated.The latest edition of RP 521（the Fourth Edition，March 1997）has an expanded and clarified write-up on the impact of tube ruptures.You might find this information helpful to your understanding of the issues involved.”

從美國石油學(xué)會(huì)的答復(fù)中可以看出，提高換熱器低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力并不能降低換熱管發(fā)生破裂工況的概率，但是提高低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力至高壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力的2/3時(shí)可以防止因換熱管破裂工況導(dǎo)致的設(shè)備破損。同時(shí)在評(píng)定換熱管泄漏或者破裂的后果時(shí)，需要評(píng)估高壓側(cè)會(huì)泄漏到的整個(gè)低壓側(cè)系統(tǒng)。在后續(xù)更新的API RP 521-1997版本中有對(duì)此詳細(xì)的論述。

2.2 API RP 521-1997標(biāo)準(zhǔn)

API RP 521-1997中關(guān)于換熱管破裂工況的描述可見3.18.2 PRESSURE CONSIDERATIONS。2002年國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)發(fā)布了API RP 521-1997的中文譯本SY/T 10046-2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》，其中的3.18.2條的條文為API 521-1997對(duì)于章節(jié)的翻譯文本。為方便理解，此處引用中文翻譯后的原文，全文如下：

“整個(gè)管程完全破裂，管程內(nèi)大量高壓流體流入換熱器的低壓一側(cè)，這是一種極少的、但可能的意外事故。換熱器在操作期間輕微的泄露幾乎不會(huì)引起超壓。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)靜壓是設(shè)備設(shè)計(jì)壓力的150%；設(shè)備破損，換句話說，靠近大氣的換熱器的低壓側(cè)容量的漏損，不太可能引起管程破裂，因?yàn)榈蛪簜?cè)（包括上游和下游系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)壓力至少是高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力的三分之二。當(dāng)換熱器的高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力基于復(fù)雜情況，及換熱器高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力和操作壓力之間存在相當(dāng)大的差別，此時(shí)可考慮采用最大可能的系統(tǒng)壓力代替設(shè)計(jì)壓力。

在低壓側(cè)實(shí)際實(shí)驗(yàn)壓力低于150%的設(shè)計(jì)壓力處，在該處較低的壓力應(yīng)被用于確定是否需要超壓保護(hù)。對(duì)于管程破裂壓力泄放是不需要的，在該處換熱器低壓側(cè)（包括上游和下游系統(tǒng)）被設(shè)計(jì)成等于或高于這些三分之二的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于新裝置，增加低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力可以減少危險(xiǎn)。當(dāng)采用這些容積計(jì)算法時(shí)，必須對(duì)上游和下游管線和設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行充分的估算?！盵2]

值得一提的是SY/T 10046-2002 3.18條文中的“設(shè)備破損，換句話說，靠近大氣的換熱器的低壓側(cè)容量的漏損，不太可能引起管程破裂，因?yàn)榈蛪簜?cè)（包括上游和下游系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)壓力至少是高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力的三分之二。”表述為“當(dāng)?shù)蛪簜?cè)（包括上游和下游系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)壓力至少是高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力的三分之二時(shí)，設(shè)備破損，換句話說，換熱管破裂引起的換熱器低壓側(cè)介質(zhì)排向大氣的漏損不太可能發(fā)生?！币苍S更為合適。

上文中提到標(biāo)準(zhǔn)的水壓實(shí)驗(yàn)壓力是設(shè)備設(shè)計(jì)壓力的150%，是舊版ASME第八卷的規(guī)定。所謂的2/3原則，就是低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力的150%應(yīng)大于或等于高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力，即低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)大于或等于高壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力的100/150（2/3）?，F(xiàn)行ASME第八卷的規(guī)定已將上述數(shù)值150%改為130%，這個(gè)2/3原則也應(yīng)相應(yīng)地改為100/130（10/13）原則。

根據(jù)現(xiàn)行GB150規(guī)定，水壓實(shí)驗(yàn)壓力至少是設(shè)備設(shè)計(jì)壓力的125%，按上文換熱器低壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力設(shè)置原則，低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)大于或等于高壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力的100/125（4/5），這個(gè)2/3原則也應(yīng)相應(yīng)地改為100/125（4/5）原則。因此，若換熱器按ASME規(guī)范設(shè)計(jì)制造，其低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)大于或等于高壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力的100/130（10/13）；如果換熱器按GB150設(shè)計(jì)制造，其低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)大于或等于高壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力的100/125（4/5）[3]。

需要注意的是，當(dāng)換熱器高壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力與最大工作壓力相差較大時(shí)，此時(shí)根據(jù)實(shí)際情況分析，正常生產(chǎn)中系統(tǒng)壓力不會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，在火災(zāi)或者爆炸的工況下系統(tǒng)內(nèi)的壓力才會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，此時(shí)低壓側(cè)的水壓實(shí)驗(yàn)壓力可以等于高壓側(cè)的最大工作壓力而不是設(shè)計(jì)壓力，這樣可以在保證安全的同時(shí)降低設(shè)備和管道的造價(jià)。

下面，以一個(gè)例子進(jìn)行說明，假設(shè)換熱器的高壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力為4.50MPa（G），低壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力為Y MPa（G），如果要求低壓側(cè)的水壓實(shí)驗(yàn)壓力等于高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力，則低壓側(cè)的水壓實(shí)驗(yàn)壓力應(yīng)為4.50MPa（G）。

當(dāng)制造標(biāo)準(zhǔn)的水壓實(shí)驗(yàn)壓力為設(shè)備設(shè)計(jì)壓力的150%時(shí)，則

Y×150%=4.50

Y=4.50÷150%=3.00

當(dāng)制造標(biāo)準(zhǔn)的水壓實(shí)驗(yàn)壓力為設(shè)備設(shè)計(jì)壓力的130%時(shí)，則

Y×130%=4.50

Y=4.50÷130%=3.46

當(dāng)制造標(biāo)準(zhǔn)的水壓實(shí)驗(yàn)壓力為設(shè)備設(shè)計(jì)壓力的125%時(shí)，則

Y×125%=4.50

Y=4.50÷125%=3.60

從上述例子可以看出，所以無論是2/3原則，還是10/13原則，抑或是4/5原則，其本質(zhì)都是低壓側(cè)的水壓實(shí)驗(yàn)壓力需要與高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力一致，其取值系數(shù)取決于制造標(biāo)準(zhǔn)中水壓實(shí)驗(yàn)壓力與設(shè)備實(shí)驗(yàn)壓力的比值，所以工程實(shí)踐中，不能直接套用10/13原則和4/5原則，需要明確設(shè)備的制造標(biāo)準(zhǔn)后再確認(rèn)換熱器低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力。API 521-2020中更新的條文對(duì)此有了更進(jìn)一步的表述。

2.3 API 521-2020標(biāo)準(zhǔn)

API 521 2020版標(biāo)準(zhǔn)的章節(jié)編排較舊版標(biāo)準(zhǔn)有了較大的變化，其中的4.4.14.2.1條的為更新的條文，全文如下：

“Complete tube rupture，in which a large quantity of high-pressure fluid flows to the lower-pressure exchanger side，is a remote but possible contingency.Minor leakage can seldom overpressure an exchanger during operation，however such leakage occurring where the low-pressure side is closed in can result in overpressure.Loss of containment of the low-pressure side to atmosphere is unlikely to result from a tuberupture where the pressure in the low-pressure side（including upstream and downstream systems）during the tube rupture does not exceed the corrected hydrotest pressure（see 3.1.19 and 4.2.2）.The user may choose a pressure other than the corrected hydrotest pressure，given that a proper detailed mechanical analysis is performed showing that a loss of containment is unlikely.The use of maximum possible system pressure instead of design pressure may be considered as the pressure of the high-pressure side on a case-by-case basis where there is a substantial difference in the design and operating pressures for the high-pressure side of the exchanger.

Pressure relief for tube rupture is not required where the low-pressure exchanger side（including upstream and downstream systems）does not exceed the criteria noted above.The tube rupture scenario can be mitigated by increasing the design pressure of the low-pressure exchanger side（including upstream and downstream systems），and/or assuring that an open flow path can pass the tube rupture flow without exceeding the stipulated pressure，and/or providing pressure relief.

The user may perform a detailed analysis and/or appropriately design the heat exchanger to determine the design basis other than a full-bore tube rupture.However，each exchanger type should be evaluated for a small tube leak.The detail analysis should consider the following：[4]”

API RP 521-2020從字面意義上刪除了2/3原則（API RP 521-2007已經(jīng)做了修改），并給出更加準(zhǔn)確的表述，只要低壓側(cè)（包括上下游系統(tǒng)）由換熱管破裂造成的壓力升高不超過其修正的水壓實(shí)驗(yàn)壓力，則因換熱管破裂導(dǎo)致的設(shè)備破損不太可能發(fā)生。同時(shí)，明確地提出了任何一種形式的換熱器都要評(píng)估換熱器管小的泄漏。

3 工程實(shí)踐中做法

管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，本文主要以循環(huán)水冷卻器舉例說明工程實(shí)踐中的做法。

當(dāng)循環(huán)水介質(zhì)在管殼式換熱器低壓側(cè)時(shí)，此時(shí)整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)全部都是低壓側(cè)的設(shè)計(jì)范圍，實(shí)踐中通常會(huì)在循環(huán)水管線進(jìn)出換熱器的閥門處進(jìn)行管道等級(jí)分界，靠近換熱器一側(cè)的管道及閥門按較高的管道等級(jí)設(shè)計(jì)，閥門的另一側(cè)按較低的管道等級(jí)設(shè)計(jì)。這樣可以避免提高整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的管道等級(jí)。此種做法主要是為了保證在低壓側(cè)管線上閥門關(guān)閉時(shí)換熱管發(fā)生泄漏換熱器低壓側(cè)的結(jié)構(gòu)安全。正常工作時(shí)換熱管破裂泄漏的高壓側(cè)介質(zhì)會(huì)與低壓側(cè)介質(zhì)混合后流入低壓側(cè)系統(tǒng)。需要注意的是上述做法僅適用于高壓側(cè)介質(zhì)為液體且泄漏至低壓側(cè)不發(fā)閃蒸的工況，更進(jìn)一步的，需要核算低壓側(cè)管道的管徑是否足以通過換熱管破裂產(chǎn)生的高壓側(cè)介質(zhì)泄漏流量而不超過低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力。

當(dāng)高壓側(cè)介質(zhì)為氣體或者高壓側(cè)介質(zhì)為液體且泄漏至低壓側(cè)發(fā)生閃蒸時(shí)，由于氣體膨脹的體積較大，低壓側(cè)的管道往往不足以滿足泄漏的介質(zhì)通過，除非有足夠的證據(jù)表明泄漏介質(zhì)不會(huì)引起低壓側(cè)壓力上升，否則應(yīng)在換熱器低壓側(cè)或盡可能靠近換熱器低壓側(cè)管口處設(shè)置壓力泄放設(shè)施，以盡可能早的將泄漏的介質(zhì)排放至火炬或者其他廢氣/廢液收集系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)置的壓力泄放設(shè)施的容量滿足泄放泄漏后的介質(zhì)時(shí)，可以不按API RP 521的相關(guān)要求提高換熱器低壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力。

當(dāng)循環(huán)水介質(zhì)在管殼式換熱器高壓側(cè)時(shí)，由于循環(huán)水為液體且泄漏至低壓側(cè)通常不會(huì)造成閃蒸，極少造成低壓側(cè)系統(tǒng)的超壓，當(dāng)換熱器低壓側(cè)的管道足以通過泄漏的循環(huán)水且不超過低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可以不按API RP 521的相關(guān)要求提高換熱器低壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力。另外由于循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力通常都不高，約為0.6MPa（G）左右，此時(shí)提高低壓側(cè)壓力不會(huì)造成較大的成本負(fù)擔(dān)，如無確切證據(jù)保證低壓側(cè)不會(huì)超壓，也可以統(tǒng)一提高低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力以保證安全。

工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到管殼式換熱管發(fā)生破裂的工況，在換熱器的低壓側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)檢漏措施，如分析取樣點(diǎn)等，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)換熱管破裂泄漏工況并采取維修措施。

4 結(jié)論

1）增加管殼式換熱器低壓側(cè)（包括上下游系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)壓力至規(guī)定值與換熱管是否會(huì)發(fā)生破裂無必然聯(lián)系。

2）提高管殼式換熱器低壓側(cè)（包括上下游系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)壓力至規(guī)定值，可以防止因?yàn)閾Q熱管破裂工況導(dǎo)致?lián)Q熱器低壓側(cè)（包括上下游系統(tǒng)）的設(shè)備破損，此時(shí)可不設(shè)置基于換熱管破裂工況的壓力泄放設(shè)施。

3）當(dāng)循環(huán)水冷卻器高壓側(cè)為液體并且泄漏后不會(huì)閃蒸時(shí)，經(jīng)核算低壓側(cè)管徑滿足要求后，可在低壓側(cè)管線進(jìn)出換熱器的閥門處進(jìn)行管道等級(jí)分界以保證低壓側(cè)系統(tǒng)安全。

4）當(dāng)循環(huán)水冷卻器高壓側(cè)介質(zhì)為氣體或者高壓側(cè)介質(zhì)為液體但是泄漏至低壓側(cè)會(huì)發(fā)生閃蒸時(shí)，建議提高低壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力或在低壓側(cè)設(shè)置壓力泄放設(shè)施以保證安全。