浮頭式熱交換器試壓淺談

郭俊峰

（西安喜而沃化工機械設(shè)備有限公司， 陜西 西安 710032）

浮頭式熱交換器是被廣泛應(yīng)用于石油化工、煉油、冶金、電力、制冷、輕工及印染等行業(yè)中的重要冷換設(shè)備， 適用于冷、 熱流體溫差較大的低溫、高溫場合，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力［1-2］。浮頭式熱交換器屬于管殼式熱交換器， 整個管束可以從殼體抽出，管束內(nèi)部便于清理和更換。但浮頭式熱交換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 特別是浮動管板側(cè)的管頭泄漏不易檢查，給其制造、檢修帶來一定的難度。 浮頭式熱交換器的試壓沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可遵循， 其試壓工裝往往具有特定性，設(shè)計條件不同、設(shè)備規(guī)格不同，需要的試壓工裝也不同，且試壓工裝的互換性較差。文中對3 種常用浮頭式熱交換器試壓工裝進(jìn)行介紹， 以期對實際工作中浮動端試壓工裝的使用提供借鑒。

1 常用浮頭式熱交換器試壓工裝

1.1 填料函式試壓工裝

1.1.1 結(jié)構(gòu)及制作

填料函式試壓工裝是浮頭式熱交換器制造、維修中應(yīng)用最為普遍的浮動端管頭試壓工裝，主要由側(cè)法蘭、小法蘭、壓環(huán)、壓法蘭和石棉盤根等組成（圖1），也稱為假帽子工裝［3-4］。

圖1 填料函式試壓工裝結(jié)構(gòu)示圖

填料函式試壓工裝的側(cè)法蘭與小法蘭焊接在一起，側(cè)法蘭內(nèi)徑與筒體內(nèi)徑尺寸一致，小法蘭內(nèi)徑比浮動管板外徑大3 mm。 在小法蘭上加工1 個用于壓緊石棉盤根的凹槽， 其與浮動管板外沿形成填料函的空間。 凹槽底部高出浮動管板鉤圈處5 ～10 mm，即凹槽底部距離側(cè)法蘭平面95 ～100 mm。 如果浮頭熱交換器與試壓工裝不是一起設(shè)計，在使用該工裝時，有可能存在凹槽底部無法高出浮動管板內(nèi)側(cè)面， 即側(cè)法蘭密封面到浮動管板內(nèi)側(cè)面的尺寸L 小于90 mm 的情況， 此時需要在側(cè)法蘭與外頭蓋側(cè)法蘭密封處增加一短節(jié)圓筒作為試壓圓環(huán)［5］，使凹槽底部尺寸符合浮頭式熱交換器試壓要求。將壓環(huán)與壓法蘭焊接與一起，壓環(huán)厚度一般在25 mm 左右為宜。 因為壓環(huán)在試壓過程中屬于可滑動部件，故需對其內(nèi)、外直徑進(jìn)行二次機加工。壓環(huán)內(nèi)徑與浮動管板外沿相配合，壓環(huán)外徑與小法蘭的二次加工凹槽內(nèi)徑相配合，均為間隙配合。 壓環(huán)的高度應(yīng)能使其在試壓過程中有足夠的伸縮距離， 以確保壓法蘭與小法蘭螺栓的緊固。

用于DN500 mm 熱交換器的填料函式試壓工裝的壓環(huán)與壓法蘭結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

圖2 用于DN500 mm 熱交換器的填料函式試壓工裝壓環(huán)與壓法蘭結(jié)構(gòu)尺寸

按GB/T 150.1～150.4—2011《壓力容器》［6］及SW6 軟件對填料函式試壓工裝上的3 個法蘭進(jìn)行強度設(shè)計。為使工裝具有通用性，在設(shè)計同一直徑熱交換器工裝時，將小法蘭、壓環(huán)與壓法蘭設(shè)計成通用件，以減少工裝數(shù)量，降低工裝成本。

熱交換器的外頭蓋側(cè)法蘭［5］與工裝側(cè)法蘭用螺栓連接，連接墊片采用試壓石棉板即可。小法蘭與浮動管板之間的凹槽用10 mm×10 mm 或者12 mm×12 mm 的石棉盤根［1］填充，填充石棉盤根的高度接近浮動管板的外側(cè)面， 用壓環(huán)將石棉盤根壓緊，螺栓緊固小法蘭與壓法蘭。擰緊壓法蘭上螺栓時產(chǎn)生的軸向力作用在石棉盤根填料上，產(chǎn)生具有密封效應(yīng)的徑向力， 使試壓介質(zhì)不能沿浮動管板外沿泄漏，從而達(dá)到密封效果，并檢查浮動端的管頭是否有泄漏。

1.1.2 優(yōu)缺點

（1）填料函式試壓工裝操作簡單，無需其他輔助設(shè)備。 但制作繁瑣，結(jié)構(gòu)較為笨重。

（2）浸油石棉盤根可以重復(fù)利用，消耗較少。

（3）同一直徑的工裝，只需試壓工裝的側(cè)法蘭尺寸不同，其他部件均可通用。

（4） 填料密封所需的螺栓預(yù)緊力較大，但石棉盤根的彈性和可壓縮程度有限， 二者之間的矛盾會在一定程度上影響其密封效果， 因此壓緊石棉盤根操作需要具有一定的經(jīng)驗。

1.2 凹槽式試壓工裝

1.2.1 結(jié)構(gòu)及制作

凹槽式試壓工裝是一種制作較為簡單的浮頭式熱交換器浮動端試壓工裝， 也叫C 型環(huán)密封試壓工裝， 由本體法蘭、2 個密封圈 （1 個O 型密封圈和1 個凹型密封墊）及管接頭組成［7-8］，見圖3。法蘭本體是主要部分， 尺寸比設(shè)備的外頭蓋側(cè)法蘭大， 本體法蘭高度需要大于等于浮動管板的外側(cè)面。由于與其對應(yīng)外頭蓋側(cè)法蘭的密封面較寬，因此在設(shè)計O 型密封圈時［1，9］，應(yīng)盡量使O 型密封圈的直徑接近本體法蘭內(nèi)徑， 以減小內(nèi)壓作用在本體法蘭端面上的軸向力， 這樣計算得到的本體法蘭厚度較小，節(jié)約成本。如果此處不采用O 型密封圈密封， 也可按外頭蓋側(cè)法蘭對應(yīng)的密封形式設(shè)計本體法蘭，墊片采用試壓石棉板即可。

圖3 凹槽式試壓工裝結(jié)構(gòu)示圖

本體法蘭靠近浮動管板處的內(nèi)徑與浮動管板外徑為間隙配合即可，在距離本體法蘭密封面105 mm 開始加工至少2 道凹型密封槽，2 道槽間距大于20 mm［9-10］，并在圓周任意位置對應(yīng)凹型密封槽上加工M14×1.5 mm 的螺紋。 2 道凹型密封槽是為了解決管板伸出長度不統(tǒng)一的問題， 凹型密封槽需完全覆蓋在浮動管板的外圓周上。 當(dāng)試驗壓力較高、管板較厚時，2 道凹型密封槽同時使用，能達(dá)到很好的密封效果，密封面加工表面粗糙度須小于6.3μm。凹型密封墊與O 型密封圈［11］需定制，材料選擇既耐壓又有韌性的丁晴橡膠。

凹槽式試壓工裝的試壓過程較為簡單。 試壓時，將浮動端的O 型密封圈、凹型密封墊放至相應(yīng)的位置，緊固好外頭蓋側(cè)法蘭與本體法蘭。從與浮動管板接觸的螺紋口開始注水［11］或者壓縮空氣，浮動管板外圓周與試壓工裝凹型密封墊左右平面接觸實現(xiàn)密封。預(yù)緊時，凹型密封墊受到軸向的彈性壓縮，在接觸處產(chǎn)生預(yù)緊比壓。 當(dāng)壓力上升時，介質(zhì)進(jìn)入凹型密封墊的內(nèi)腔使其軸向張開， 使密封比壓增大從而達(dá)到自緊密封。 最后向殼體內(nèi)注入試壓介質(zhì)，完成試壓。

1.2.2 優(yōu)缺點

（1）凹槽式試壓工裝結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，制作成本低［12］，但需要提前定制O 型密封圈和凹型密封墊。

（2）試壓時需配置2 個壓力泵，1 個壓力泵給凹型密封墊升壓，達(dá)到1.0 MPa 即可實現(xiàn)密封。另外1 個壓力泵用于管束正常試壓。

（3）由于外頭蓋側(cè)法蘭規(guī)格尺寸不同，故試壓工裝沒有通用性， 但O 型密封圈和凹型密封墊可以加工成通用件。

1.3 錐體焊接試壓結(jié)構(gòu)

1.3.1 結(jié)構(gòu)及制作

錐體焊接試壓結(jié)構(gòu)是將外頭蓋法蘭適當(dāng)延長（也可增加短節(jié)），將其與浮頭法蘭焊接［13-14］在一起， 使殼程形成密閉的腔體。 錐體焊接試壓結(jié)構(gòu) 見圖4。

圖4 錐體焊接試壓結(jié)構(gòu)示圖

鉤圈可以按圖樣一次加工好。 浮頭法蘭外徑尺寸應(yīng)留有余量， 浮頭法蘭外徑比外頭蓋內(nèi)徑小3～4 mm，螺栓孔處采用橡膠墊圈密封，鉤圈、浮頭法蘭及墊片、浮動管板、密封墊圈用螺栓緊固，保證浮頭法蘭與管板墊片及橡膠墊圈處不泄漏。 外頭蓋法蘭按圖樣加工， 將外頭蓋法蘭與試壓短節(jié)焊接，用螺栓緊固外頭蓋側(cè)法蘭與外頭蓋法蘭，確保密封墊片在試驗壓力下不發(fā)生泄漏。 將浮頭法蘭外側(cè)與試壓短節(jié)焊接， 角焊縫高度按較薄件厚度選取。按試驗壓力進(jìn)行管頭試壓，試壓合格后將浮頭法蘭與試壓短節(jié)的角焊縫刨開， 按圖樣要求二次加工浮頭法蘭外徑。 將外頭蓋法蘭與試壓短節(jié)刨開，按圖樣要求加工外頭蓋法蘭坡口，并將其與外頭蓋短節(jié)組對焊接。

1.3.2 優(yōu)缺點

(1)錐體焊接試壓結(jié)構(gòu)適用于大型浮頭式熱交換器、特殊規(guī)格熱交換器的試壓，對于不經(jīng)常制作熱交換器或者熱交換器試壓工裝只使用一次的，也可用采用此工裝進(jìn)行浮動端的試壓。

(2)不適用于制作工期短、試壓時間較短的熱交換器的試壓。

(3)不推薦用于耐熱鋼、不銹鋼熱交換器的試壓，因為焊接會產(chǎn)生延遲裂紋或滲碳現(xiàn)象（用碳鋼焊接時）。

2 浮頭式熱交換器試壓過程

2.1 一般試壓順序

浮頭式熱交換器的試壓需按一定的順序進(jìn)行，以有效保證試壓的安全性、準(zhǔn)確性，并縮短試壓時間。 按GB/T 151—2014《熱交換器》［15］的規(guī)定，一般試壓順序為，①將管束穿入殼體，將固定管板、浮動管板端的試驗工裝安裝好，緊固試壓螺栓，對殼程進(jìn)行壓力試驗，檢查管板與換熱管的連接接頭是否泄漏。 ②安裝好管箱、浮頭部分，對管束加壓，檢查管程是否泄漏。 ③安裝好外頭蓋，對殼體加壓，檢查殼體、外頭蓋是否泄漏。

2.2 殼程試驗壓力等于或高于管程試驗壓力試壓順序

當(dāng)殼程試驗壓力等于或高于管程試驗壓力時，先進(jìn)行殼程試壓，再進(jìn)行管程試壓，最后對殼程進(jìn)行試壓［16-18］，具體過程為，①殼程試壓。 拆除管箱、外頭蓋及浮頭蓋，兩端安裝試壓環(huán)、試壓工裝，對殼體加壓，檢查殼體、換熱管與管板連接部位是否泄漏。 ②管程試壓。 拆下試壓環(huán)，安裝管箱和浮頭蓋，對管程加壓，檢查管箱和浮頭有關(guān)部位是否泄漏。 ③殼程試壓。 安裝外頭蓋， 對殼程加壓，檢查殼體、外頭蓋及有關(guān)部位是否泄漏。

2.3 管程試驗壓力高于殼程試驗壓力試壓順序

當(dāng)管程試驗壓力高于殼程試驗壓力時， 先進(jìn)行管束試壓，再進(jìn)行管程試壓，最后對殼程進(jìn)行試壓，具體過程為，①管束試壓。 抽出管束，安裝試壓環(huán)、試壓工裝、管箱和浮頭蓋，對管束加壓，檢查換熱管與管板接頭的有關(guān)部位是否泄漏。 ②管程試壓。 將管束裝入殼體內(nèi)，安裝管箱和浮頭，對管束加壓，檢查管箱、浮頭和有關(guān)部位是否泄漏。③殼程試壓。 安裝外頭蓋， 對殼程加壓， 檢查殼體、外頭蓋及有關(guān)部位是否泄漏。

當(dāng)管程試驗壓力比殼程試驗壓力大得多或者無法提高殼程試驗壓力時，可采用滲透性介質(zhì)，如氨、氟利昂等進(jìn)行殼程試壓，檢查換熱管與管板接頭是否泄漏。

3 結(jié)語

浮頭式熱交換器試壓工裝應(yīng)使用方便、 成本低且通用性強。 介紹了3 種浮頭式熱交換器浮動端試壓工裝的結(jié)構(gòu)原理、制作方法、優(yōu)缺點及使用情況，各單位可以根據(jù)實際情況、產(chǎn)品特點選用不同的試壓工裝， 在滿足試壓要求的同時有效控制成本、節(jié)約試壓時間。