管壳式热交换器试压工艺及工装设计

王 玉 汪德涛 黄伟昌

（沈阳汇博热能设备有限公司）

0 引言

压力容器的耐压试验，是其竣工后、出厂前进行的最终综合性检验，也是压力容器验收的重要依据[1]。由于耐压试验是在超过设计压力条件下进行的 （不考虑温度影响因素，液压试验压力通常超过设计压力25%，气压试验和气液组合试验压力通常超过设计压力10%），因此具有较高的风险性。曾经出现过试压过程中人身伤亡的事例[2]。

管壳式热交换器[3]是压力容器的重要结构类型，属于多腔容器。热交换器常用的结构类型包括固定管板式、U形管式和浮头式。其试压过程比单腔容器复杂，不仅试压遍数多，对于浮头式还要使用专用的试压工装。因此，合理的试验工艺方案，不仅可以满足图样和法规标准的要求，保证试压过程的安全性，还可降低试压成本。

1 法规标准的规定

耐压试验是必做项目，泄漏试验是选择性项目。

1.1 耐压试验

耐压试验包括液压试验、气压试验和气液组合试验。具体规定参见TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中的3.2.12、4.1.9章节，以及GB 150—2011《压力容器》规范中第1部分4.6章节和第4部分11.4章节。管壳式热交换器较少用气液组合试验。

1.2 泄漏试验

泄漏试验包括气密性试验以及氨检漏试验、卤素检漏试验和氦检漏试验等。泄漏试验的根本目的是考察焊接接头的致密性和密封结构的密封情况，确定容器是否存在不允许的泄漏。泄漏试验不是压力容器的必做项目，标准规定仅对于介质毒性程度为极度、高度危害或者不允许有微量泄漏的容器，应在耐压试验合格后进行泄漏试验。

标准 [4]提供了可以确定泄漏部位或测量泄漏率的共11种泄漏试验方法。管壳式热交换器常用其中的两种检测技术。其中附录A气泡泄漏检测——直接加压技术，用于气密性试验；附录G氨泄漏检测技术，充入10%～30%体积法 （标准 [5]中称之为B法），用于管头、焊缝泄漏的检测。如果控制介质泄漏率要求更高时，应使用卤素检漏试验甚至氦检漏试验[2]。

2 试压工艺

管壳式热交换器试压检验的核心问题是对管头（换热管与管板的连接接头）进行检验。应针对下述三个方面考虑试压工艺方案： （1）壳程试验压力大于等于管程时； （2）壳程试验压力小于管程时； （3）按压差设计时。

2.1 壳程试验压力大于等于管程

如图1所示，当壳程试验压力大于等于管程时，在壳程试压过程中，从管板的正面很容易发现管接头连接处出现的缺陷。可以认为，其缺陷已完全暴露出来。对于固定管板式和U形管式 （利用其管箱法兰）结构可直接进行试压，浮头式需要使用专用试压工装进行试压。

图1 壳程试压示意图

2.2 壳程试验压力小于管程

当壳程试验压力小于管程时，壳程试压尚不足以暴露管接头存在的全部缺陷，部分缺陷可能需在达到管程试验压力值时，才有可能显现出来。为此，可以首先尝试提高壳程试验压力值使之与管程等同，此时应对壳程所有部件进行强度、刚度、稳定性校核，如满足要求，可按管程试验压力值试压；如不满足，则只能以壳程允许的最大试验压力值试压，然后再在壳程用氨泄漏、卤素泄漏或氦泄漏进行补充性试验[1]。其主要目的是通过泄漏检验灵敏度高的特点，来发现由于耐压试验压力值低而发现不了的缺陷，达到与提高试验压力值等同的效果。

2.3 按压差设计

（1）管头试压 （按图样规定的最大试验压力差值）；

（2）管程和壳程步进试压 （按图样规定的试验压力和步进程序）；

（3）要有相应控制压差的措施，保证整个试压期间 （包括升压和降压阶段）不超过压差。

3 试压工装

与固定管板式和U形管式不同，浮头式换热器试压时必须采用专用的试压工装，试验成败主要取决于浮动管板处试压工装的设计。图2、图3、图4分别是几种典型的试压工装。

图2 填料函式试压工装

图3 自紧密封式试压工装

图2所示的填料函式试压工装[6]，借用了热交换器自身的外头盖法兰，只需加工填料箱和压盖，结构简单、成本低，属于一次性工装。一般只用于热交换器自身的使用或与其完全相同的同类型号结构；另外，填料函式耐压能力有限 （适用于设计压力≤2.5 MPa），外头盖法兰与填料箱焊接结构属角焊缝，不能承受过高压力，使用范围偏窄。

图4 O形环密封工装

图3所示的自紧密封式试压工装[1]，是一种早期结构样式。试压过程中依靠试压介质自身产生的压力，迫使唇形密封环靠紧密封面，从而实现对外头盖和浮动管板的密封，可以用于较高的试验压力，能重复使用。该试压工装的不足包括：在压力试验升压初期，由于液体压力施加在唇形密封环上的作用力较小，容易出现渗漏；整体比较笨重，一般用锻件制造；环槽尺寸要求精细，唇形密封环制造成本高；增加了一条接试压泵的管路。

图4所示的O形环密封工装，由沈阳汇博热能设备有限公司研制，是目前较理想的结构形式，具有结构简单、适用范围大、O形环可在试压时自制 （使用条料）等优点。由于采用O形环密封，可以有效地降低垫片系数和比压力，使试压工装的法兰厚度大为减小，整体工装质量适中。当出现高压试压场合，可采用类似专利[7]方案加以解决。

4 针对换热管需考虑的试压工艺

如前所述，管壳式热交换器属多腔容器，其中管板和换热管是公用元件，必须校核其在试验压力下的稳定性。换热管一般归于长圆筒[2]，其承受外压能力明显低于内压。

铝、铜、钛等有色金属及合金材质的换热管，通常弹性模量值较低，壁厚较薄，总体抵抗外压失稳能力不强，特别在换热管壁温较高时，必须进行外压负荷校核后才能试压 （应在设计图样时考虑）。

波纹换热管[8]是近20多年来普遍使用的一种强化换热管，一般用奥氏体不锈钢制造。由于成形工艺的局限，管坯厚度通常仅为0.6～1.2 mm，成形后，波纹换热管柔性很大，在外压的作用下很容易发生失稳，失稳部位通常位于波纹管本体两端的直管段[9]。建议试压时，压力值不超过标准[8]附录B常温规定值的1.25倍；另外，由于波纹换热管轴向刚度较小，稳定性许用压应力较低，当管程压力较高和换热器直径较大时，波纹换热管束整体失稳的可能性较大，管程耐压试验时也曾出现过管束整体失稳的案例[10]。虽然目前波纹换热管以及相应的管板计算已经有标准可循[3]，但有关数据（如波纹管单波刚度）并没有全覆盖，理论计算也没有成熟公式。笔者建议，在一些重要场合，有必要在设计时对波纹换热管以及管板进行耐压能力的风险评估。

5 结束语

管壳式热交换器属多腔容器，其耐压试验符合多腔容器试验规范。其核心是对热交换器管头进行试压检查，确保通过壳程试压 （或泄漏检验）检查出管头存在的缺陷。对于浮头式结构，需要设计专用试压工装。当管程试验压力高于壳程试验压力以及按压差试压时，需要考虑的因素明显增多，试验工艺过程趋于复杂。使用有色金属及其合金换热管和波纹换热管时，在设计阶段，就应进行必要的风险评估，确定换热管的实际耐压能力，以采取必要的措施加以控制。

[1] 李世玉.压力容器设计工程师培训教程 [M].北京：新华出版社，2005：352，458-483.

[2] 寿比南，杨国义，徐锋，等.GB 150—2011《压力容器》标准释义[M].北京：新华出版社，2012：113，242.

[3] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.热交换器：GB/T 151—2014[S].北京：中国标准出版社，2015.

[4] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.承压设备无损检测 第8部分：泄漏检测：NB/T 47013.8—2012[S].北京：新华出版社，2013.

[5] 中国石油和化学工业联合会.钢制化工容器制造技术要求：HG/T 20584—2011[S].北京：中国计划出版社，2011.

[6] 刘建卫.钩圈浮头式换热器试压工装：201220352559.7 [P].2013-01-02.

[7] 王玉，钱江，王记兵，等.高压浮头式换热器壳程试压装置：201620308854.0[P].2016-10-12.

[8] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.管壳式热交换器用强化传热元件 第 2部分：不锈钢波纹管：GB/T 28713.2—2012[S].北京：中国标准出版社，2013.

[9] 王玉，丰艳春，钱江，等.波纹管换热器的失效形式及防止措施 [J].化工机械，2000，27（3）：167-171，166.

[10]李永泰，陈永东，陈明建，等.波纹管换热器管束整体失稳分析及设计计算要考虑的问题 [J].压力容器，2013，30（6）：12-15，49.