工程实践中管壳式换热器换热管破裂工况分析

杨在峰，吴 洋

（陕西煤业化工技术研究院，陕西西安 710100）

在工程实践中，对管、壳侧设计压力相差较大的管壳式换热器，低压侧的设计压力通常要提高到其水压实验的压力等于高压侧的设计压力或最大工作压力，即通常所说的2/3原则或10/13原则。部分工程设计人员会理解为提高了换热器低压侧的设计压力后换热管破裂工况不会发生，从而不考虑换热管破裂工况。本文从国内化工行业标准、API标准和工程实践方面对此进行了分析探讨。

1 化工行业标准

国内标准的2/3原则可见于化工行业标准HG/T 20570.2-95《安全阀的设置和选用》-7.0.8 换热器管破裂，其中7.0.8.1节的条文为：“如果换热器低压侧的设计压力小于高压侧的设计压力的2/3时，则应作为事故工况考虑”[1]。换句话说，如果换热器低压侧的设计压力等于或者大于高压侧的设计压力的2/3时，则换热器管破裂可不作为事故工况考虑。实际设计工作过程中，部分工程设计人员会理解为提高换热器低压侧的设计压力后不会发生换热管破裂工况，进而工程实践中会根据提高换热器低压侧的设计压力，以避免换热管破裂工况的发生。HG/T 20570.2中7.0.8.1条文是没有问题的，提高换热器低压侧设计压力，低压侧的安全阀可以不考虑换热器破裂工况，但并非说换热器管不会发生破裂。由于化工标准中在此处条文描述的较为简略，导致在实际应用中理解有误差，在API标准中对此有着更为准确的描述。

2 API标准

2.1 API RP 521-1990标准

API RP 521-1990版本的标准官方提供的澄清中，有关于下述问题的答复。“Question：Our interest is in the basis for the ‘two-thirds rule' given in API 521，and the way in which this should be applied.The code states that，‘For relatively low pressure equipment，complete tube failure is not a viable contingency when the design pressure of the low pressure side is equal to or greater than two-thirds the design pressure of the high pressure side，’This ruling is often used to avoid fitting a relief valve on the low pressure side by raising the design pressure to two-thirds of the high pressure side.Does ‘low pressure side’refer to just the exchanger itself，or to the low pressure system as a whole? ……”

美国石油学会的官方答复如下：“Reply：Increasing the low pressure side design pressure will have little impact on the likehood of a tube rupture.However，by raising the low pressure side desing pressure to a point where the low pressure side test pressure is equivalent to the high pressure side design pressure will ensure that damage to the exchanger due to a tube rupture is extremely unlikely.In most situations，this may involve raising the low pressure side design pressure to twothirds that of the high pressure side.To effectively assess the consequences of a tube leak or rupture，the entire low pressure system into which the high pressure side can flow should be evaluated.The latest edition of RP 521（the Fourth Edition，March 1997）has an expanded and clarified write-up on the impact of tube ruptures.You might find this information helpful to your understanding of the issues involved.”

从美国石油学会的答复中可以看出，提高换热器低压侧的设计压力并不能降低换热管发生破裂工况的概率，但是提高低压侧的设计压力至高压侧设计压力的2/3时可以防止因换热管破裂工况导致的设备破损。同时在评定换热管泄漏或者破裂的后果时，需要评估高压侧会泄漏到的整个低压侧系统。在后续更新的API RP 521-1997版本中有对此详细的论述。

2.2 API RP 521-1997标准

API RP 521-1997中关于换热管破裂工况的描述可见3.18.2 PRESSURE CONSIDERATIONS。2002年国家经济贸易委员会发布了API RP 521-1997的中文译本SY/T 10046-2002《泄压和减压系统指南》，其中的3.18.2条的条文为API 521-1997对于章节的翻译文本。为方便理解，此处引用中文翻译后的原文，全文如下：

“整个管程完全破裂，管程内大量高压流体流入换热器的低压一侧，这是一种极少的、但可能的意外事故。换热器在操作期间轻微的泄露几乎不会引起超压。因为标准的实验静压是设备设计压力的150%；设备破损，换句话说，靠近大气的换热器的低压侧容量的漏损，不太可能引起管程破裂，因为低压侧（包括上游和下游系统）的设计压力至少是高压侧的设计压力的三分之二。当换热器的高压侧的设计压力基于复杂情况，及换热器高压侧的设计压力和操作压力之间存在相当大的差别，此时可考虑采用最大可能的系统压力代替设计压力。

在低压侧实际实验压力低于150%的设计压力处，在该处较低的压力应被用于确定是否需要超压保护。对于管程破裂压力泄放是不需要的，在该处换热器低压侧（包括上游和下游系统）被设计成等于或高于这些三分之二的标准。

对于新装置，增加低压侧的设计压力可以减少危险。当采用这些容积计算法时，必须对上游和下游管线和设备系统进行充分的估算。”[2]

值得一提的是SY/T 10046-2002 3.18条文中的“设备破损，换句话说，靠近大气的换热器的低压侧容量的漏损，不太可能引起管程破裂，因为低压侧（包括上游和下游系统）的设计压力至少是高压侧的设计压力的三分之二。”表述为“当低压侧（包括上游和下游系统）的设计压力至少是高压侧的设计压力的三分之二时，设备破损，换句话说，换热管破裂引起的换热器低压侧介质排向大气的漏损不太可能发生。”也许更为合适。

上文中提到标准的水压实验压力是设备设计压力的150%，是旧版ASME第八卷的规定。所谓的2/3原则，就是低压侧的设计压力的150%应大于或等于高压侧的设计压力，即低压侧的设计压力应大于或等于高压侧设计压力的100/150（2/3）。现行ASME第八卷的规定已将上述数值150%改为130%，这个2/3原则也应相应地改为100/130（10/13）原则。

根据现行GB150规定，水压实验压力至少是设备设计压力的125%，按上文换热器低压侧设计压力设置原则，低压侧的设计压力应大于或等于高压侧设计压力的100/125（4/5），这个2/3原则也应相应地改为100/125（4/5）原则。因此，若换热器按ASME规范设计制造，其低压侧的设计压力应大于或等于高压侧设计压力的100/130（10/13）；如果换热器按GB150设计制造，其低压侧的设计压力应大于或等于高压侧设计压力的100/125（4/5）[3]。

需要注意的是，当换热器高压侧设计压力与最大工作压力相差较大时，此时根据实际情况分析，正常生产中系统压力不会达到设计压力，在火灾或者爆炸的工况下系统内的压力才会达到设计压力，此时低压侧的水压实验压力可以等于高压侧的最大工作压力而不是设计压力，这样可以在保证安全的同时降低设备和管道的造价。

下面，以一个例子进行说明，假设换热器的高压侧设计压力为4.50MPa（G），低压侧设计压力为Y MPa（G），如果要求低压侧的水压实验压力等于高压侧的设计压力，则低压侧的水压实验压力应为4.50MPa（G）。

当制造标准的水压实验压力为设备设计压力的150%时，则

Y×150%=4.50

Y=4.50÷150%=3.00

当制造标准的水压实验压力为设备设计压力的130%时，则

Y×130%=4.50

Y=4.50÷130%=3.46

当制造标准的水压实验压力为设备设计压力的125%时，则

Y×125%=4.50

Y=4.50÷125%=3.60

从上述例子可以看出，所以无论是2/3原则，还是10/13原则，抑或是4/5原则，其本质都是低压侧的水压实验压力需要与高压侧的设计压力一致，其取值系数取决于制造标准中水压实验压力与设备实验压力的比值，所以工程实践中，不能直接套用10/13原则和4/5原则，需要明确设备的制造标准后再确认换热器低压侧的设计压力。API 521-2020中更新的条文对此有了更进一步的表述。

2.3 API 521-2020标准

API 521 2020版标准的章节编排较旧版标准有了较大的变化，其中的4.4.14.2.1条的为更新的条文，全文如下：

“Complete tube rupture，in which a large quantity of high-pressure fluid flows to the lower-pressure exchanger side，is a remote but possible contingency.Minor leakage can seldom overpressure an exchanger during operation，however such leakage occurring where the low-pressure side is closed in can result in overpressure.Loss of containment of the low-pressure side to atmosphere is unlikely to result from a tuberupture where the pressure in the low-pressure side（including upstream and downstream systems）during the tube rupture does not exceed the corrected hydrotest pressure（see 3.1.19 and 4.2.2）.The user may choose a pressure other than the corrected hydrotest pressure，given that a proper detailed mechanical analysis is performed showing that a loss of containment is unlikely.The use of maximum possible system pressure instead of design pressure may be considered as the pressure of the high-pressure side on a case-by-case basis where there is a substantial difference in the design and operating pressures for the high-pressure side of the exchanger.

Pressure relief for tube rupture is not required where the low-pressure exchanger side（including upstream and downstream systems）does not exceed the criteria noted above.The tube rupture scenario can be mitigated by increasing the design pressure of the low-pressure exchanger side（including upstream and downstream systems），and/or assuring that an open flow path can pass the tube rupture flow without exceeding the stipulated pressure，and/or providing pressure relief.

The user may perform a detailed analysis and/or appropriately design the heat exchanger to determine the design basis other than a full-bore tube rupture.However，each exchanger type should be evaluated for a small tube leak.The detail analysis should consider the following：[4]”

API RP 521-2020从字面意义上删除了2/3原则（API RP 521-2007已经做了修改），并给出更加准确的表述，只要低压侧（包括上下游系统）由换热管破裂造成的压力升高不超过其修正的水压实验压力，则因换热管破裂导致的设备破损不太可能发生。同时，明确地提出了任何一种形式的换热器都要评估换热器管小的泄漏。

3 工程实践中做法

管壳式换热器广泛应用于工业生产中，本文主要以循环水冷却器举例说明工程实践中的做法。

当循环水介质在管壳式换热器低压侧时，此时整个循环水系统全部都是低压侧的设计范围，实践中通常会在循环水管线进出换热器的阀门处进行管道等级分界，靠近换热器一侧的管道及阀门按较高的管道等级设计，阀门的另一侧按较低的管道等级设计。这样可以避免提高整个循环水系统的管道等级。此种做法主要是为了保证在低压侧管线上阀门关闭时换热管发生泄漏换热器低压侧的结构安全。正常工作时换热管破裂泄漏的高压侧介质会与低压侧介质混合后流入低压侧系统。需要注意的是上述做法仅适用于高压侧介质为液体且泄漏至低压侧不发闪蒸的工况，更进一步的，需要核算低压侧管道的管径是否足以通过换热管破裂产生的高压侧介质泄漏流量而不超过低压侧的设计压力。

当高压侧介质为气体或者高压侧介质为液体且泄漏至低压侧发生闪蒸时，由于气体膨胀的体积较大，低压侧的管道往往不足以满足泄漏的介质通过，除非有足够的证据表明泄漏介质不会引起低压侧压力上升，否则应在换热器低压侧或尽可能靠近换热器低压侧管口处设置压力泄放设施，以尽可能早的将泄漏的介质排放至火炬或者其他废气/废液收集系统。当设置的压力泄放设施的容量满足泄放泄漏后的介质时，可以不按API RP 521的相关要求提高换热器低压侧设计压力。

当循环水介质在管壳式换热器高压侧时，由于循环水为液体且泄漏至低压侧通常不会造成闪蒸，极少造成低压侧系统的超压，当换热器低压侧的管道足以通过泄漏的循环水且不超过低压侧的设计压力时，可以不按API RP 521的相关要求提高换热器低压侧设计压力。另外由于循环水系统的设计压力通常都不高，约为0.6MPa（G）左右，此时提高低压侧压力不会造成较大的成本负担，如无确切证据保证低压侧不会超压，也可以统一提高低压侧的设计压力以保证安全。

工业生产中经常会遇到管壳式换热管发生破裂的工况，在换热器的低压侧应设计相应检漏措施，如分析取样点等，以便及时发现换热管破裂泄漏工况并采取维修措施。

4 结论

1）增加管壳式换热器低压侧（包括上下游系统）的设计压力至规定值与换热管是否会发生破裂无必然联系。

2）提高管壳式换热器低压侧（包括上下游系统）的设计压力至规定值，可以防止因为换热管破裂工况导致换热器低压侧（包括上下游系统）的设备破损，此时可不设置基于换热管破裂工况的压力泄放设施。

3）当循环水冷却器高压侧为液体并且泄漏后不会闪蒸时，经核算低压侧管径满足要求后，可在低压侧管线进出换热器的阀门处进行管道等级分界以保证低压侧系统安全。

4）当循环水冷却器高压侧介质为气体或者高压侧介质为液体但是泄漏至低压侧会发生闪蒸时，建议提高低压侧设计压力或在低压侧设置压力泄放设施以保证安全。