固定管板式换热器水压试验压力值的选取

徐 茹

(中化化工科学技术研究总院)

换热器是用来实现热量交换，使热量由高温流体传给低温流体的一种典型工艺设备，在石化行业中得到广泛应用。通常，在化工厂用于换热设备的费用约占总工艺装置费用的10%～20%；在炼油厂约占总费用的35%～40%。而水压试验作为换热器成品的第一次承压试验，对于检验容器的宏观强度、焊缝的致密性、密封件的密封性，消除制造过程中的一些缺陷，确保设备在日后可以安全正常使用有着极其重要的作用。因此，正确地选择水压试验压力显得尤为重要，笔者结合相关标准规范与在工程设计中的体会，简单地归纳固定管板式换热器水压试验时压力值的选取规则及其相关的注意问题。

1 不同工况下水压试验压力的选取

换热器是一种典型的两腔压力容器，按《容规》第9 条的规定，应对每个腔分别提出设计、制造等方面的技术要求。据此，可以先根据单腔压力容器水压试验时压力确定的原则，分别计算管程和壳程的试验压力，然后对结果加以分析选取[1]。计算后，可能出现下列4种情况。

1.1管程和壳程均是正压，且壳程试验压力大于管程试验压力

当固定管板式换热器的管程和壳程均是正压，且壳程试验压力大于管程试验压力时，可以按单腔压力容器水压试验的压力选择原则，分别确定各腔的试验压力，即：

式中Ps——壳程试验压力；

ps——壳程设计压力；

Pt——管程试验压力；

pt——管程设计压力；

[σ]s——壳程元件材料在试验温度下的许用应力；

[σ]t——管程元件材料在试验温度下的许用应力；

1.2管程和壳程均是正压，且壳程试验压力小于管程试验压力

当固定管板式换热器的管程和壳程均是正压，且壳程试验压力小于管程试验压力时，若要检查换热管与管板连接接头的质量，通常采取以下两种方式。

方式一：分别取按照上述公式计算所得的压力对壳程和管程进行水压试验，压力试验合格后，对壳程进行氨渗漏试验，试验方法按照HG 20584-1989《钢制化工容器制造技术要求》的附录A。

方式二：将壳程试验压力提高到管程试验压力进行，合格后不再进行其他试验，即：

但此时需要注意的是，由于人为地提高了壳程的试验压力，在试验前，要对壳程圆筒的应力按照GB 151-1999 中3.17.2 的要求进行校核。另外，其他一些受压元件的强度和结构问题也不能忽视，而这些环节往往会成为安全隐患：

a． 管板的强度。GB 151-1999 中3.17.2 仅要求试验前对圆筒和封头周向应力进行校核，而对管板未提出要求。管板作为重要的受压元件，为了确保其安全可靠，笔者认为也应对其进行校核。校核时，把管程设计压力作为壳程试验压力，管程试验压力取0。根据水压试验时的工况，温差可取为0。

b． 壳程圆筒和管板的连接结构。用管程的设计压力来试验壳程的水压压力时，壳程圆筒与管板的连接结构可能要发生改变。如壳程设计压力原本小于4MPa，管程设计压力大于4MPa，此时壳程圆筒和管板的连接结构应该按照大于4MPa 时考虑，若要选择GB 151-1999 附录G1.1 所列的结构时，结构图中的(b)、(c)结构就不适合采用。

c． 管法兰的压力等级。当壳程水压试验压力提高较大时，如果壳程管法兰的压力等级还按正常操作时选取，那么水压试验时管法兰的受力情况就会变为恶劣，将对以后的正常使用造成不利的影响。因此，要按《钢制管法兰技术条件》(HG 20603-97，欧洲体系；HG 20624-97，美洲体系)的要求选择管法兰的压力等级，即：水压试验时的压力不大于《钢制管法兰压力-温度等级》(HG 20604-97，欧洲体系；HG 20624-97，美洲体系)中规定的20℃时最高无冲击工作压力的1.5 倍即可。

综上所述，方式二通常适用于管程与壳程设计压力相差不大的情况，否则很可能因为提高试验压力而导致壳程筒体的厚度、管法兰的压力等级、管板的厚度和结构形式等发生变化，造成不经济合理的情况；方式一则更适用于管程与壳程设计压力相差较大的情况，但是氨渗漏试验往往受到场地、试验仪器以及天气等的局限，且存在一定的危险性。因此，要综合考虑各因素，选择更为合适的方案。

1.3管程是真空、壳程是正压或者管程是正压、壳程是真空

管程是真空、壳程是正压或者管程是正压、壳程是真空的这两种工况，均有一个压力腔是真空状态。对于真空腔的设计压力，GB 151-1999 中3.11.2 条规定，真空换热器真空侧的设计压力按承受外压考虑，当装有安全控制装置时，设计压力取1.25 倍的最大内外压差，或两者中的较低值；当没有安全控制装置时，取0.1MPa[2]。可见，真空腔的设计压力最高为0.1MPa 的外压，因此为方便起见，在确定水压试验压力时候，可以保守地把真空腔设计压力取为-0.1MPa。

对于管程是真空、壳程是正压的工况，有：

对于管程是正压、壳程是真空的工况，类似于1.2 工况，同样需要把壳程水压试验压力提高到与管程相同，以保证换热管与管板的连接接头处不泄漏。即：

2 选取试验压力时的注意点

GB 150-1998 规定的压力试验前的应力校核仅对壳体圆筒而言[3]，而GB 151-1999 中要求对圆筒和封头都进行应力校核[2]。这是因为一般压力容器中圆筒和封头的应力水平相当，而有时因为封头成型工艺要求封头的最小厚度反而比圆筒厚，所以压力试验的安全性只要校核圆筒即可。而换热器则不同，在多数情况下，由于抽装管束的需要，圆筒的最小厚度比一般的压力容器大的多，当这一因素起主导作用时，压力试验时的最大应力往往在封头上而不是在圆筒上[4]。此外，当换热器各元件，如圆筒、封头、法兰、膨胀节、管板及紧固件等所用材料不同时，应取各元件材料[δ] / [σ] 比值中的最小值[5]。另外，当立式换热器卧置进行压力试验时，试验压力应为立置时的试验压力加上液柱静压力[6～8]。

3 结束语

确定固定管板式换热器水压试验压力时，应结合工程实际，在满足相关标准规范的前提下，综合考虑各种因素，用所取的压力值进行水压试验才能真正达到水压试验的目的，确保设备的安全。

参考文献

[1] TSG R0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程压力容器安全技术监察规程[S].北京：新华出版社，2009.

[2] GB 151-1999，管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，1999.

[3] GB 150-1998，钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，1998.

[4] 全国压力容器标准化技术委员会.GB 151-1999《管壳式换热器》标准释义[M].昆明：云南科技出版社，2000.

[5] HG 20592～20635-97，钢制管法兰、垫片、紧固件[S].北京：中国计划出版社，1997.

[6] 燕山石油化学总公司设计院，兰州化学工业公司化工设计院.钢制列管式固定管板换热器结构设计手册[M].上海：化工部设备设计技术中心站，1985.

[7] 聂清德.化工设备设计[M].北京：化学工业出版社，1995.

[8] 王非. 化工压力容器设计——方法、问题和要点[M].北京：化学工业出版社，2009.