王 玉 汪德濤 黃偉昌

（沈陽匯博熱能設備有限公司）

0 引言

壓力容器的耐壓試驗，是其竣工后、出廠前進行的最終綜合性檢驗，也是壓力容器驗收的重要依據(jù)[1]。由于耐壓試驗是在超過設計壓力條件下進行的 （不考慮溫度影響因素，液壓試驗壓力通常超過設計壓力25%，氣壓試驗和氣液組合試驗壓力通常超過設計壓力10%），因此具有較高的風險性。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構類型，屬于多腔容器。熱交換器常用的結構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，合理的試驗工藝方案，不僅可以滿足圖樣和法規(guī)標準的要求，保證試壓過程的安全性，還可降低試壓成本。

1 法規(guī)標準的規(guī)定

耐壓試驗是必做項目，泄漏試驗是選擇性項目。

1.1 耐壓試驗

耐壓試驗包括液壓試驗、氣壓試驗和氣液組合試驗。具體規(guī)定參見TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(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。

1.2 泄漏試驗

泄漏試驗包括氣密性試驗以及氨檢漏試驗、鹵素檢漏試驗和氦檢漏試驗等。泄漏試驗的根本目的是考察焊接接頭的致密性和密封結構的密封情況，確定容器是否存在不允許的泄漏。泄漏試驗不是壓力容器的必做項目，標準規(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，應在耐壓試驗合格后進行泄漏試驗。

標準 [4]提供了可以確定泄漏部位或測量泄漏率的共11種泄漏試驗方法。管殼式熱交換器常用其中的兩種檢測技術。其中附錄A氣泡泄漏檢測——直接加壓技術，用于氣密性試驗；附錄G氨泄漏檢測技術，充入10%～30%體積法 （標準 [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，應使用鹵素檢漏試驗甚至氦檢漏試驗[2]。

2 試壓工藝

管殼式熱交換器試壓檢驗的核心問題是對管頭（換熱管與管板的連接接頭）進行檢驗。應針對下述三個方面考慮試壓工藝方案： （1）殼程試驗壓力大于等于管程時； （2）殼程試驗壓力小于管程時； （3）按壓差設計時。

2.1 殼程試驗壓力大于等于管程

如圖1所示，當殼程試驗壓力大于等于管程時，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）結構可直接進行試壓，浮頭式需要使用專用試壓工裝進行試壓。

圖1 殼程試壓示意圖

2.2 殼程試驗壓力小于管程

當殼程試驗壓力小于管程時，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到管程試驗壓力值時，才有可能顯現(xiàn)出來。為此，可以首先嘗試提高殼程試驗壓力值使之與管程等同，此時應對殼程所有部件進行強度、剛度、穩(wěn)定性校核，如滿足要求，可按管程試驗壓力值試壓；如不滿足，則只能以殼程允許的最大試驗壓力值試壓，然后再在殼程用氨泄漏、鹵素泄漏或氦泄漏進行補充性試驗[1]。其主要目的是通過泄漏檢驗靈敏度高的特點，來發(fā)現(xiàn)由于耐壓試驗壓力值低而發(fā)現(xiàn)不了的缺陷，達到與提高試驗壓力值等同的效果。

2.3 按壓差設計

（1）管頭試壓 （按圖樣規(guī)定的最大試驗壓力差值）；

（2）管程和殼程步進試壓 （按圖樣規(guī)定的試驗壓力和步進程序）；

（3）要有相應控制壓差的措施，保證整個試壓期間 （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必須采用專用的試壓工裝，試驗成敗主要取決于浮動管板處試壓工裝的設計。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，結構簡單、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構；另外，填料函式耐壓能力有限 （適用于設計壓力≤2.5 MPa），外頭蓋法蘭與填料箱焊接結構屬角焊縫，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]，是一種早期結構樣式。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，從而實現(xiàn)對外頭蓋和浮動管板的密封，可以用于較高的試驗壓力，能重復使用。該試壓工裝的不足包括：在壓力試驗升壓初期，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，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，由沈陽匯博熱能設備有限公司研制，是目前較理想的結構形式，具有結構簡單、適用范圍大、O形環(huán)可在試壓時自制 （使用條料）等優(yōu)點。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，特別在換熱管壁溫較高時，必須進行外壓負荷校核后才能試壓 （應在設計圖樣時考慮）。

波紋換熱管[8]是近20多年來普遍使用的一種強化換熱管，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，壓力值不超過標準[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)定性許用壓應力較低，當管程壓力較高和換熱器直徑較大時，波紋換熱管束整體失穩(wěn)的可能性較大，管程耐壓試驗時也曾出現(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的管板計算已經(jīng)有標準可循[3]，但有關數(shù)據(jù)（如波紋管單波剛度）并沒有全覆蓋，理論計算也沒有成熟公式。筆者建議，在一些重要場合，有必要在設計時對波紋換熱管以及管板進行耐壓能力的風險評估。

5 結束語

管殼式熱交換器屬多腔容器，其耐壓試驗符合多腔容器試驗規(guī)范。其核心是對熱交換器管頭進行試壓檢查，確保通過殼程試壓 （或泄漏檢驗）檢查出管頭存在的缺陷。對于浮頭式結構，需要設計專用試壓工裝。當管程試驗壓力高于殼程試驗壓力以及按壓差試壓時，需要考慮的因素明顯增多，試驗工藝過程趨于復雜。使用有色金屬及其合金換熱管和波紋換熱管時，在設計階段，就應進行必要的風險評估，確定換熱管的實際耐壓能力，以采取必要的措施加以控制。

[1] 李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程 [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》標準釋義[M].北京：新華出版社，2012：113，242.

[3] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.熱交換器：GB/T 151—2014[S].北京：中國標準出版社，2015.

[4] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.承壓設備無損檢測 第8部分：泄漏檢測：NB/T 47013.8—2012[S].北京：新華出版社，2013.

[5] 中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會.鋼制化工容器制造技術要求：HG/T 20584—2011[S].北京：中國計劃出版社，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準化技術委員會.管殼式熱交換器用強化傳熱元件 第 2部分：不銹鋼波紋管：GB/T 28713.2—2012[S].北京：中國標準出版社，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)分析及設計計算要考慮的問題 [J].壓力容器，2013，30（6）：12-15，49.