换热器新型换热管试压装置的设计与应用

摘要：本文介绍了一种化工装置中各类换热器换热管试压卡具的设计结构原理及应用效果，该夹具具有密封性较好，操作简单，适用面广的特点。
　　关键词：换热器　　换热管试压　　卡具
　　换热器是炼化企业生产装置上重要设备之一，换热器使用的换热管规格主要为φ１９×２、φ２５×２．５、φ３２×３等几种规格，按照ＧＢ　１５１－１９９９《管壳式换热器》规定，对接后的换热管和特殊要求的换热器的换热管要１００％进行逐根试压，试验压力为设计压力的两倍，一台换热器中换热管有时达近千根。因此，换热器的试压工作很繁重。而且随着近年来大规模炼化装置的陆续建设与投入运行，换热器试压检测工作量将成十数倍的增长，采用传统的试压方法已远不能满足高速发展的炼化行业需求。本文结合生产实际，探讨了一种新型换热管试压装置的设计，并应用于实践，取得了良好的效果。
　　１.传统试压方法的缺陷
                       
     传统换热器换热管试压一般采用千斤顶压块法，操作原理如图１所示。其基本原理是以压紧螺栓固定换热管，用千斤顶推动压块压紧管口来达到密封管口的目的。这种方法虽然可以满足试验较高压力的要求，但一次只能试一、两根管，而且换热管的固定、密封操作耗时较长，操作程序较为麻烦，工作效率低，此外必须要有专用场地用于试验施工，因此随着炼化企业的发展已不能满足生产的需要。
    ２　　新型换热管试压装置的设计
    针对这一问题，本文针对换热管试压过程进行了分析，要提高工作效率，核心问题既是需要解决实现多管同时试压并便于操作施工，因此，本文采用了设计一种高效换热管试压卡具的解决途径，对其设计原理与依据进行了探讨。该单管试压卡具的结构设计综合了多种卡具的特点（如图２所示），由以下六部分组件构成，包括：１．卡具接头主体２．锥形密封卡套３．锥形紧固卡套４．锁紧螺母５．○形圈密封６．管束
                  
    卡具使用基本原理是将卡具主体通过高压软管与试压泵相连进行试压。试压时，将换热管插入卡具，旋紧锁紧螺母，锁紧螺母的内锥面压紧锥形紧固卡套，使其挤压换热管外壁，用外压产生摩擦力以固定换热管，防止换热管受压时向外滑动；锥形紧固卡套同时将受挤压的压力传递给锥形密封卡套，使其挤压Ｏ型圈，使Ｏ型圈与卡具主体密封锥面和换热管外壁紧密贴合，挤住缝隙，从而达到管口密封目的。其受力及工作原理如图３所示。
    卡具受力及结构尺寸计算分析如下：换热管受挤压力经推导简化，得出扳手的力矩通过锁紧螺母受力传递给锥形紧固卡套后，其对换热管产生压力的转换关系式为：
    Ｆ′＝Ｆ（２πＬ／Ｌ′）ｓｉｎαｃｏｓα
    Ｆ—扳手所受的力矩
    Ｆ′—锥形紧固卡套对换热管的压力
    Ｌ —扳手的力臂
    Ｌ′—　锁紧螺母的半径
    α—锥形紧固卡套锥面与换热管夹角
    换热管试压时不滑动所需静摩擦力为：
    ｆ＝　Ｆ′×μ
    μ—摩擦系数＝０．２
    即ｆ＝　Ｆ（２πＬ／Ｌ′）ｓｉｎαｃｏｓα×μ
    由此关系式可以得出，α角在４５°时，产生的摩擦力最大。
    以φ２５×２．５换热管为例计算（取α＝４５°，Ｌ′＝３０ｍｍ，用２４′′　管钳）其可行性：
   摩擦力ｆ＝　Ｆ′×μ＝　Ｆ（２πＬ／Ｌ′）ｓｉｎαｃｏｓα×μ
    ＝Ｆπ６００／３０×０．２＝４Ｆπ
    换热管受压力：Ｇ＝Ｐ×Ｓ＝Ｐ×π２．５２／４＝４．９１Ｐ
    假设Ｐ＝１００ｋｇ／ｃｍ２，则Ｇ＝４９１ｋｇ，即ｆ要大于４９１ｋｇ。
    ４　Ｆπ≥４９１
    Ｆ≥３９．１ｋｇ
    即在２４″的管钳上施用４０ｋｇ的力，试压卡具
    即能承受１００ｋｇ的试验压力。
    依据设计结构图与理论计算数据，制作用于φ２５×２．５换热管试压卡具，使用时将换热管的一端盲死，另一端安装卡具，然后进行打压试验。
    当压力升到１００ｋｇ／ｃｍ２时，换热管与卡具无相对滑动迹象，密封点也无泄漏现象，经过多次测试，均达到预期试压检测效果。
    通过制作不同管径换热管试压卡具，可实现对各种换热器换热管同时进行试压检测。多管试压操作示意图如图４所示：
                  
    试压前，将试压卡具按图２组装，锁紧螺母安装但不旋紧。试压时，先将试压卡具通过高压软管与试压泵连接，然后将换热管插入卡具（到底），旋紧锁紧螺母就可进行试压。进行多管同时试压检测，只需用相应卡具和高压软管将多根换热管进行串连（图４），打开进水阀１及放空阀３，使换热管内充满水并排净空气；关闭进水阀１及放空阀３，打开试压泵阀，然后起动试压泵，按规定的压
力和保压时间试压检漏。检漏结束后卸去管内压力，旋松卡具锁紧螺母，拔去换热管，即完成一组管子的试压检漏全过程。依据此试压方法，可最多同时进行３０多根管的试压检测，且操作方便快捷。相比传统的千斤顶压块法，极大的提高了工作效率，降低了工作强度。
     ３ 结论
    通过对该换热器新型换热管试压方法原理及卡具构成结构的探讨与设计。解决了换热器制作中换热管试压的检测效率问题。
    所设计的新型换热管试验装置其核心为一种新型单管试压卡具，由于该卡具采用了合理的锥面固定和Ｏ型圈密封，因此具有较高的密封性能、承压能力和抗振能力；且卡具的压缩范围增大，可有效克服换热管的直径公差，适用于各种换热管的单管试压。
     该试压卡具结构简单，使用时不需要特殊专用夹具及专用设备，只需两把管钳就可安装使用。具有造价低、操作简便，密封圈寿命长等优点；并可实现同时串联多管试压，大大降低了工作强度，提高了工作效率。在炼化行业具有良好的实际应用价值。