固定管板式換熱器水壓試驗壓力值的選取

徐 茹

(中化化工科學技術研究總院)

換熱器是用來實現熱量交換，使熱量由高溫流體傳給低溫流體的一種典型工藝設備，在石化行業中得到廣泛應用。通常，在化工廠用于換熱設備的費用約占總工藝裝置費用的10%～20%；在煉油廠約占總費用的35%～40%。而水壓試驗作為換熱器成品的第一次承壓試驗，對于檢驗容器的宏觀強度、焊縫的致密性、密封件的密封性，消除制造過程中的一些缺陷，確保設備在日后可以安全正常使用有著極其重要的作用。因此，正確地選擇水壓試驗壓力顯得尤為重要，筆者結合相關標準規范與在工程設計中的體會，簡單地歸納固定管板式換熱器水壓試驗時壓力值的選取規則及其相關的注意問題。

1 不同工況下水壓試驗壓力的選取

換熱器是一種典型的兩腔壓力容器，按《容規》第9 條的規定，應對每個腔分別提出設計、制造等方面的技術要求。據此，可以先根據單腔壓力容器水壓試驗時壓力確定的原則，分別計算管程和殼程的試驗壓力，然后對結果加以分析選取[1]。計算后，可能出現下列4種情況。

1.1管程和殼程均是正壓，且殼程試驗壓力大于管程試驗壓力

當固定管板式換熱器的管程和殼程均是正壓，且殼程試驗壓力大于管程試驗壓力時，可以按單腔壓力容器水壓試驗的壓力選擇原則，分別確定各腔的試驗壓力，即：

式中Ps——殼程試驗壓力；

ps——殼程設計壓力；

Pt——管程試驗壓力；

pt——管程設計壓力；

[σ]s——殼程元件材料在試驗溫度下的許用應力；

[σ]t——管程元件材料在試驗溫度下的許用應力；

1.2管程和殼程均是正壓，且殼程試驗壓力小于管程試驗壓力

當固定管板式換熱器的管程和殼程均是正壓，且殼程試驗壓力小于管程試驗壓力時，若要檢查換熱管與管板連接接頭的質量，通常采取以下兩種方式。

方式一：分別取按照上述公式計算所得的壓力對殼程和管程進行水壓試驗，壓力試驗合格后，對殼程進行氨滲漏試驗，試驗方法按照HG 20584-1989《鋼制化工容器制造技術要求》的附錄A。

方式二：將殼程試驗壓力提高到管程試驗壓力進行，合格后不再進行其他試驗，即：

但此時需要注意的是，由于人為地提高了殼程的試驗壓力，在試驗前，要對殼程圓筒的應力按照GB 151-1999 中3.17.2 的要求進行校核。另外，其他一些受壓元件的強度和結構問題也不能忽視，而這些環節往往會成為安全隱患：

a． 管板的強度。GB 151-1999 中3.17.2 僅要求試驗前對圓筒和封頭周向應力進行校核，而對管板未提出要求。管板作為重要的受壓元件，為了確保其安全可靠，筆者認為也應對其進行校核。校核時，把管程設計壓力作為殼程試驗壓力，管程試驗壓力取0。根據水壓試驗時的工況，溫差可取為0。

b． 殼程圓筒和管板的連接結構。用管程的設計壓力來試驗殼程的水壓壓力時，殼程圓筒與管板的連接結構可能要發生改變。如殼程設計壓力原本小于4MPa，管程設計壓力大于4MPa，此時殼程圓筒和管板的連接結構應該按照大于4MPa 時考慮，若要選擇GB 151-1999 附錄G1.1 所列的結構時，結構圖中的(b)、(c)結構就不適合采用。

c． 管法蘭的壓力等級。當殼程水壓試驗壓力提高較大時，如果殼程管法蘭的壓力等級還按正常操作時選取，那么水壓試驗時管法蘭的受力情況就會變為惡劣，將對以后的正常使用造成不利的影響。因此，要按《鋼制管法蘭技術條件》(HG 20603-97，歐洲體系；HG 20624-97，美洲體系)的要求選擇管法蘭的壓力等級，即：水壓試驗時的壓力不大于《鋼制管法蘭壓力-溫度等級》(HG 20604-97，歐洲體系；HG 20624-97，美洲體系)中規定的20℃時最高無沖擊工作壓力的1.5 倍即可。

綜上所述，方式二通常適用于管程與殼程設計壓力相差不大的情況，否則很可能因為提高試驗壓力而導致殼程筒體的厚度、管法蘭的壓力等級、管板的厚度和結構形式等發生變化，造成不經濟合理的情況；方式一則更適用于管程與殼程設計壓力相差較大的情況，但是氨滲漏試驗往往受到場地、試驗儀器以及天氣等的局限，且存在一定的危險性。因此，要綜合考慮各因素，選擇更為合適的方案。

1.3管程是真空、殼程是正壓或者管程是正壓、殼程是真空

管程是真空、殼程是正壓或者管程是正壓、殼程是真空的這兩種工況，均有一個壓力腔是真空狀態。對于真空腔的設計壓力，GB 151-1999 中3.11.2 條規定，真空換熱器真空側的設計壓力按承受外壓考慮，當裝有安全控制裝置時，設計壓力取1.25 倍的最大內外壓差，或兩者中的較低值；當沒有安全控制裝置時，取0.1MPa[2]。可見，真空腔的設計壓力最高為0.1MPa 的外壓，因此為方便起見，在確定水壓試驗壓力時候，可以保守地把真空腔設計壓力取為-0.1MPa。

對于管程是真空、殼程是正壓的工況，有：

對于管程是正壓、殼程是真空的工況，類似于1.2 工況，同樣需要把殼程水壓試驗壓力提高到與管程相同，以保證換熱管與管板的連接接頭處不泄漏。即：

2 選取試驗壓力時的注意點

GB 150-1998 規定的壓力試驗前的應力校核僅對殼體圓筒而言[3]，而GB 151-1999 中要求對圓筒和封頭都進行應力校核[2]。這是因為一般壓力容器中圓筒和封頭的應力水平相當，而有時因為封頭成型工藝要求封頭的最小厚度反而比圓筒厚，所以壓力試驗的安全性只要校核圓筒即可。而換熱器則不同，在多數情況下，由于抽裝管束的需要，圓筒的最小厚度比一般的壓力容器大的多，當這一因素起主導作用時，壓力試驗時的最大應力往往在封頭上而不是在圓筒上[4]。此外，當換熱器各元件，如圓筒、封頭、法蘭、膨脹節、管板及緊固件等所用材料不同時，應取各元件材料[δ] / [σ] 比值中的最小值[5]。另外，當立式換熱器臥置進行壓力試驗時，試驗壓力應為立置時的試驗壓力加上液柱靜壓力[6～8]。

3 結束語

確定固定管板式換熱器水壓試驗壓力時，應結合工程實際，在滿足相關標準規范的前提下，綜合考慮各種因素，用所取的壓力值進行水壓試驗才能真正達到水壓試驗的目的，確保設備的安全。

參考文獻

[1] TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術監察規程壓力容器安全技術監察規程[S].北京：新華出版社，2009.

[2] GB 151-1999，管殼式換熱器[S].北京：中國標準出版社，1999.

[3] GB 150-1998，鋼制壓力容器[S].北京：中國標準出版社，1998.

[4] 全國壓力容器標準化技術委員會.GB 151-1999《管殼式換熱器》標準釋義[M].昆明：云南科技出版社，2000.

[5] HG 20592～20635-97，鋼制管法蘭、墊片、緊固件[S].北京：中國計劃出版社，1997.

[6] 燕山石油化學總公司設計院，蘭州化學工業公司化工設計院.鋼制列管式固定管板換熱器結構設計手冊[M].上海：化工部設備設計技術中心站，1985.

[7] 聶清德.化工設備設計[M].北京：化學工業出版社，1995.

[8] 王非. 化工壓力容器設計——方法、問題和要點[M].北京：化學工業出版社，2009.