固定管板式換熱器水壓試驗(yàn)壓力值的選取

徐 茹

(中化化工科學(xué)技術(shù)研究總院)

換熱器是用來實(shí)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(shè)備，在石化行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。通常，在化工廠用于換熱設(shè)備的費(fèi)用約占總工藝裝置費(fèi)用的10%～20%；在煉油廠約占總費(fèi)用的35%～40%。而水壓試驗(yàn)作為換熱器成品的第一次承壓試驗(yàn)，對(duì)于檢驗(yàn)容器的宏觀強(qiáng)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(shè)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(yàn)壓力顯得尤為重要，筆者結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與在工程設(shè)計(jì)中的體會(huì)，簡單地歸納固定管板式換熱器水壓試驗(yàn)時(shí)壓力值的選取規(guī)則及其相關(guān)的注意問題。

1 不同工況下水壓試驗(yàn)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(yīng)對(duì)每個(gè)腔分別提出設(shè)計(jì)、制造等方面的技術(shù)要求。據(jù)此，可以先根據(jù)單腔壓力容器水壓試驗(yàn)時(shí)壓力確定的原則，分別計(jì)算管程和殼程的試驗(yàn)壓力，然后對(duì)結(jié)果加以分析選取[1]。計(jì)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(yàn)壓力大于管程試驗(yàn)壓力

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

式中Ps——?dú)こ淘囼?yàn)壓力；

ps——?dú)こ淘O(shè)計(jì)壓力；

Pt——管程試驗(yàn)壓力；

pt——管程設(shè)計(jì)壓力；

[σ]s——?dú)こ淘牧显谠囼?yàn)溫度下的許用應(yīng)力；

[σ]t——管程元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力；

1.2管程和殼程均是正壓，且殼程試驗(yàn)壓力小于管程試驗(yàn)壓力

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

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

方式二：將殼程試驗(yàn)壓力提高到管程試驗(yàn)壓力進(jìn)行，合格后不再進(jìn)行其他試驗(yàn)，即：

但此時(shí)需要注意的是，由于人為地提高了殼程的試驗(yàn)壓力，在試驗(yàn)前，要對(duì)殼程圓筒的應(yīng)力按照GB 151-1999 中3.17.2 的要求進(jìn)行校核。另外，其他一些受壓元件的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)問題也不能忽視，而這些環(huán)節(jié)往往會(huì)成為安全隱患：

a． 管板的強(qiáng)度。GB 151-1999 中3.17.2 僅要求試驗(yàn)前對(duì)圓筒和封頭周向應(yīng)力進(jìn)行校核，而對(duì)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(rèn)為也應(yīng)對(duì)其進(jìn)行校核。校核時(shí)，把管程設(shè)計(jì)壓力作為殼程試驗(yàn)壓力，管程試驗(yàn)壓力取0。根據(jù)水壓試驗(yàn)時(shí)的工況，溫差可取為0。

b． 殼程圓筒和管板的連接結(jié)構(gòu)。用管程的設(shè)計(jì)壓力來試驗(yàn)殼程的水壓壓力時(shí)，殼程圓筒與管板的連接結(jié)構(gòu)可能要發(fā)生改變。如殼程設(shè)計(jì)壓力原本小于4MPa，管程設(shè)計(jì)壓力大于4MPa，此時(shí)殼程圓筒和管板的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)該按照大于4MPa 時(shí)考慮，若要選擇GB 151-1999 附錄G1.1 所列的結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)圖中的(b)、(c)結(jié)構(gòu)就不適合采用。

c． 管法蘭的壓力等級(jí)。當(dāng)殼程水壓試驗(yàn)壓力提高較大時(shí)，如果殼程管法蘭的壓力等級(jí)還按正常操作時(shí)選取，那么水壓試驗(yàn)時(shí)管法蘭的受力情況就會(huì)變?yōu)閻毫樱瑢?duì)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(shù)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(jí)，即：水壓試驗(yàn)時(shí)的壓力不大于《鋼制管法蘭壓力-溫度等級(jí)》(HG 20604-97，歐洲體系；HG 20624-97，美洲體系)中規(guī)定的20℃時(shí)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(shè)計(jì)壓力相差不大的情況，否則很可能因?yàn)樘岣咴囼?yàn)壓力而導(dǎo)致殼程筒體的厚度、管法蘭的壓力等級(jí)、管板的厚度和結(jié)構(gòu)形式等發(fā)生變化，造成不經(jīng)濟(jì)合理的情況；方式一則更適用于管程與殼程設(shè)計(jì)壓力相差較大的情況，但是氨滲漏試驗(yàn)往往受到場地、試驗(yàn)儀器以及天氣等的局限，且存在一定的危險(xiǎn)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(gè)壓力腔是真空狀態(tài)。對(duì)于真空腔的設(shè)計(jì)壓力，GB 151-1999 中3.11.2 條規(guī)定，真空換熱器真空側(cè)的設(shè)計(jì)壓力按承受外壓考慮，當(dāng)裝有安全控制裝置時(shí)，設(shè)計(jì)壓力取1.25 倍的最大內(nèi)外壓差，或兩者中的較低值；當(dāng)沒有安全控制裝置時(shí)，取0.1MPa[2]。可見，真空腔的設(shè)計(jì)壓力最高為0.1MPa 的外壓，因此為方便起見，在確定水壓試驗(yàn)壓力時(shí)候，可以保守地把真空腔設(shè)計(jì)壓力取為-0.1MPa。

對(duì)于管程是真空、殼程是正壓的工況，有：

對(duì)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(yàn)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(yàn)壓力時(shí)的注意點(diǎn)

GB 150-1998 規(guī)定的壓力試驗(yàn)前的應(yīng)力校核僅對(duì)殼體圓筒而言[3]，而GB 151-1999 中要求對(duì)圓筒和封頭都進(jìn)行應(yīng)力校核[2]。這是因?yàn)橐话銐毫θ萜髦袌A筒和封頭的應(yīng)力水平相當(dāng)，而有時(shí)因?yàn)榉忸^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(yàn)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(dāng)這一因素起主導(dǎo)作用時(shí)，壓力試驗(yàn)時(shí)的最大應(yīng)力往往在封頭上而不是在圓筒上[4]。此外，當(dāng)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(shí)，應(yīng)取各元件材料[δ] / [σ] 比值中的最小值[5]。另外，當(dāng)立式換熱器臥置進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)為立置時(shí)的試驗(yàn)壓力加上液柱靜壓力[6～8]。

3 結(jié)束語

確定固定管板式換熱器水壓試驗(yàn)壓力時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，綜合考慮各種因素，用所取的壓力值進(jìn)行水壓試驗(yàn)才能真正達(dá)到水壓試驗(yàn)的目的，確保設(shè)備的安全。

參考文獻(xiàn)

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