管壳式换热器试压工装

摘要：管壳式换热器应用十分普遍，而不管是浮头式、U形管式还是其它型式的换热器，也不管换热管和管板的连接接头（简称管头）结构型式是焊接、强度胀接还是焊接加胀接，要保证管头质量，除了完善制造工艺，管头试压是必须进行的。如何简化工装又能切实可行地按图样要求的试验压力进行管头试压，检验管头的质量是制造厂十分关注的课题。本文分四种情况：（1）钩圈浮头式换热器、（2）浮头管板兼作法兰浮头式换热器、（3）浮头式换热器管束、（4）管板非兼作法兰U形管式换热器管束，分别阐述了其试压工装设计思路，并提出了详细的试压方案。特别是当制作整台浮头式换热器时，全部利用设备的零部件就能实现管头的试压。笔者在生产中多次主持实施上述试压方案，试验证明，工装简单，方案可行，达到了提高效率、降低试压成本的目的。   1 前言       管壳式换热器在石油、化工、制药等行业中应用十分普遍，不管是浮头式还是U形管式换热器，换热管和管板的连接接头（简称管头）是换热器中至关重要的结构，管头泄漏是换热器失效最主要的因素，它的质量的好坏直接影响换热器的使用寿命，也因此成为用户和制造单位共同关注的。管壳式换热器的加工制作，不管管头结构型式是强度胀接、焊接还是焊接加胀接，管头质量，除了从制造工艺上保证，试压也是必要的手段，并且标准规范规定是必须进行的。       浮头式和U形管式换热器管头的试压必需专用的试压工装，在制作小直径换热器的试压工装时，所需要的试压环可以采用钢板拼接，相对来说成本较小。但有时换热器的直径较大而且压力又高，专用的试压环需要采用高颈法兰，不但加工周期长，而且成本又高。另一方面，由于换热管和管头是换热器中相对薄弱的环节。从设备的实际使用情况来看，也证明了这一点，往往是设备壳体、法兰能够继续使用，而管束不是由于换热管腐蚀严重而穿孔，就是因管头存在泄漏而失效。工厂为了节省设备的投资费用，往往采取仅仅更换管束的举措，或者干脆预先订购管束作为备件。当仅仅制作管束时，工装在造价中所占的比例更高。因此，如何简化工装又能切实可行地按照图样要求的试验压力进行管头试压检验管头的质量是制造单位十分关注的课题。      本文就浮头式换热器、浮头式及管板非兼作法兰的U形管式换热器管束管头试压工装阐述了设计思路，并提出了试压方案。 2 工装设计与试压方案 2．1 钩圈浮头式换热器        浮头式换热器中最常见的是钩圈浮头式换热器，在对其管头试压时，必须按图1所示另行制作一套试压环作为一种专用试压工具，试压环可根据设备所承受的压力进行设计。安装了试压环后，对壳程作压力试验时，可以检查管板与换热管连接接头是否泄漏。但制作试压环必然提高制造成本，通过可行性分析，提出了以下试压方案。试压装配原理图如图2，全部利用设备零部件仅增加了一节试压短筒。浮头法兰可利用，按GB/T151法兰外径比外头盖筒体内径小20mm，单边间隙10mm，浮头法兰粗加工时外径适当放大，比净尺寸大12mm，厚度留有裕量。这样浮头法兰与件11试压短筒的单边间隙为4mm。件2管箱法兰厚度应留裕量，以便管箱装配热处理后加工。具体管头试压装配操作步骤如下： （1）管束套入筒体，管箱法兰、固定管板、垫片、管箱侧法兰用螺栓固定好，并且拧紧，保证在试验压力下垫片处不泄漏。 （2）钩圈按图加工好，浮头法兰厚度留有裕量，外径比图样大12mm，螺孔处密封是采用如图3的橡胶垫圈。钩圈、浮头管板、垫片、浮头法兰、密封垫圈用螺栓联结好，拧紧，用手拧不动时应在钩圈侧拧紧螺母，保证浮头法兰与浮头管板垫片及盖形螺母橡胶垫圈处不泄漏。 （3）外头盖法兰按图加工，法兰颈处留有裕量，与试压短筒焊好，然后外头盖法兰与试压短筒组件，外头盖侧法兰与外头盖法兰之间用螺柱拧紧，保证密封垫片处在试验压力下不泄漏。 （4）浮头法兰外侧与试压筒短节处焊接，角焊缝高度按较薄板的厚度。 （5）按试验压力管头试压。试压合格后，浮头法兰与试压筒角焊缝刨开，浮头法兰按工艺要求加工，外头盖法兰与试压筒刨开，在加工坡口后与外头盖筒体组装，管箱法兰与管箱筒体组装。  上述试压过程的关键是三处密封垫片、螺栓橡胶密封圈必须保证在试压时不泄漏。 2．2浮头管板兼作法兰浮头式换热器       除钩圈浮头式换热器外，还有一类浮头式换热器其浮头管板兼作法兰，与浮头管板相联接的是封头管箱或者平盖管箱。这一类换热器壳程结构往往与U形管式换热器一样，一端为法兰，另一端为椭圆封头。根据其结构特点，只要在上述钩圈式浮头换热器试压方案的基础上作适当的改动就可以完成管头试压，试压装配原理图如图3，制作时，应根据浮头管板在设备壳体上所处的位置，加工好件9筒体，与件8试压短筒相接，试压时浮头法兰与试压短筒焊接。在试压结束后，把试压短筒割除，再组对其余的筒体和封头。具体管头试压装配操作步骤同上。 2．3 浮头式换热器管束       浮头式换热器管束的试压工装采用如图4所示的结构，固定管板侧利用管板的密封面实现密封，浮头管板侧利用浮头管板的外侧圆柱面采用填料型式的密封结构。设计时，根据设备的试验压力确定密封填料的高度，然后再确定件4填料法兰的厚度，件3 壳体控制试压时其应力小于且接近于0.9σS，计算时不计钢板负偏差，以使用钢板的实测厚度为准。当管束直径大或试验压力高时，件1管箱法兰、件2壳体法兰采用乙型法兰的型式，必要时增加短节的厚度，以增强法兰的刚度，避免使用高颈法兰。按以上思路设计，可将工装费用降低到最低限度。 

 2．4  U形管式换热器管束       管板非兼作法兰的U形管式换热器管束管头的试压工装可采用如图5、图6的结构。壳体厚度的设计同上所述，法兰的结构型式有二种，如图5适用于管板较薄的情况，因其螺孔中心线与管板密封面中心线距离较大，如管束直径大试验压力高时，管箱法兰、壳体法兰的计算厚度较厚，且有时管板很厚达到250mm，需要很长的紧固螺柱。采用如图6结构，可缩小螺孔中心线与管板密封面中心线之间距离，以减小法兰的厚度，且利用此结构可以大大缩短紧固螺柱的长度，填料法兰的厚度除满足强度要求外，还应考虑到密封填料的高度与紧固螺柱的大小，压盖法兰上的短节既起填料压盖颈的作用，又增强了法兰的刚度，因此当管板较厚时采用图7所示的结构。螺柱和法兰的设计可参考GB150标准。 

 3  结语      通过试验证明，采用上述试压方案，既可以节省材料，降低工装费用，又缩短制作周期，满足试压要求，达到预期的效果。