徐 茹

(中化化工科學技術研究總院)

換熱器是用來實現(xiàn)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(yè)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(guī)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(guī)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(guī)》第9 條的規(guī)定，應對每個腔分別提出設計、制造等方面的技術要求。據(jù)此，可以先根據(jù)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(xiàn)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(huán)節(jié)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(jù)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(fā)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?yōu)閻毫?，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(guī)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(fā)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(tài)。對于真空腔的設計壓力，GB 151-1999 中3.11.2 條規(guī)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]?？梢?，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(guī)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(shù)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(jié)、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(guī)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(jiān)察規(guī)程壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)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(yè)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(yè)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(yè)出版社，2009.