引言
管壳式换热器作为重要的传热设备,被广泛应用于热力系统中，如核电厂的凝汽器、给水加热器、汽水分离再热器等，换热管束多达上千根。在长期运行过程中，由于热应力叠加流体冲刷、杂物刮擦、晶间及化学腐蚀、管束碰磨等原因，均易造成换热管发生泄漏，从而影响热力系统安全运行。
目前，比较常见的换热管检漏方法主要为贴膜法、氦气检漏、涡流探伤、壳侧注水法[1-3],也有利用声波信号进行泄漏检测的新方法[4]。贴膜法是通过在汽侧建立负压后，观察两端管板上贴覆的塑料薄膜是否存在凹陷，从而确定泄漏的换热管，此方法效率较高,但是检测微小泄漏对薄膜选材和贴膜技术要求高。氦气检漏是在壳侧真空条件下，从海水水室充入氦气，连接于真空泵出口管线的氦检漏仪可检测到泄漏到壳侧的氦气，适合于大面积排查，但较难定位泄漏单管。涡流探伤能探明直管段破损及减薄情况，但对于U形弯管区、翅片管不可用。壳侧注水法通过在壳侧注水后观察换热管口是否漏水，确定泄漏管束，但比较费时，微漏难查。因此，以上换热管检漏方法各有优势，也各有不足。
作为对现有检漏方法的补充，本文研究了一种基于压差感应的锥塞式检漏装置及其检漏方法[5],能够实现便捷、大面积地排查换热管是否存在泄漏并准确定位泄漏的换热管，同时适用于U型管、翅片管、盘管等不同结构管束。
1、检漏装置设计
利用设计的检漏装置检漏时,首先,需在换热器壳侧建立一定的负压环境;然后,将换热器多根或全部传热管一侧用实心橡胶锥形塞封堵,另一侧用锥塞式检漏装置封堵;最后,若被检测换热管出现泄漏孔,则换热管内压力将逐渐与壳侧压力一致。图2为检漏装置的检漏原理示意图,在封堵换热管后,检漏装置的压差感应结构外侧所处空腔压力与换热管内压力一致，内侧则通过顶端盖帽的开孔与大气环境连通。压差感应结构可在内外压差作用下发生伸长变形,其端部的金属动触点与管芯内布置的金属静触点接触,从而使光电显示灯所在的电路回路闭合,导通光电显示灯，从而直观反映换热管存在泄漏。
检漏装置带有的小型光电显示灯可直观指示检漏结果,方便快捷;管束结构形式(如U型管、翅片管、盘管等)对检漏装置的使用无影响,适用范围广;可同时封堵多根换热管,实现大面积排查及泄漏换热管的定位。
1.1压差感应结构研究
根据检漏原理,检漏装置关键结构为具有伸长变形能力的橡胶结构,即可在被检测换热管内压力与大气压之差的作用下伸长。图3为波纹管式和胶头式压差感应结构示意图(1/4剖视图),在端部固定有圆盘式的金属触点。本文基于有限元分析方法,对比了2种设计结构在一定压差下的变形效果，以此确定了检漏装置的设计方案。在检漏装置工作时,波纹管内侧或胶头内侧受大气压力作用、外侧受换热管内负压作用，换热管内负压值(表压)越小，橡胶结构在内外压差作用下的伸长量越大。
有限元计算时，橡胶材料设为硅橡胶，本构模型选用工程上应用较多的、适用于小应变范围的Mooney-Rivlin双参数模型[6-7]。金属动触点材料设置为铝合金。金属动触点与橡胶结构的接触面设为绑定约束。设置橡胶结构和金属动触点外表面压力载荷为90kPa,橡胶结构内表面压力载荷为101kPa(大气压力),即在橡胶结构内外压差11kPa的条件下对比2种结构的变形效果。图4为11kPa压差下2种结构轴向(Y方向)形变云图,可以看出,由于波纹管结构的受力面比胶头式结构大,因此波纹管结构能产生更明显的伸长变形,在相同条件下约为胶头式伸长量的5倍。本文检漏装置选取波纹管式橡胶结构,在换热管内负压大于10kPa时,波纹管伸长量大于1mm,可满足检漏装置动静触点接触要求。
图5为压差感应管芯组件结构图,包括通过螺纹连接的铝合金外套筒、内杆、橡胶波纹管。波纹管一端固定于内杆顶端，另一端连接的小金属圆盘可跟随波纹管伸缩而移动,作为动触点;外套筒内底面作为静触点。当波纹管伸长后,动静触点接触,控制光电显示灯亮。
1.2检测压差阈值测试
在检漏装置开发过程中,设计了图6所示的换热管检漏模拟装置,对检漏装置的检漏效果进行测试。装置包括了3排管内径分别为14、16、24mm的亚克力管,每排选择3根亚克力管进行钻孔模拟泄漏孔,小孔直径分别为1、2、3mm。测试时,使用小型真空泵对方形壳体空间抽吸真空，模拟换热器壳侧负压环境，并用检漏装置封堵亚克力管。图7为不同壳侧真空度(大气压与壳侧绝对压力之差)下检漏装置的亮灯状态，测试结果表明，在壳侧真空度分别为10、20、40kPa下检漏装置均能亮灯，反映被封堵管存在泄漏。设计的检漏装置可适用于壳侧真空度大于10kPa的换热管检漏。
2、检漏装置应用方案
核电、火电机组中常见的管壳式换热器包含有上千根换热管。因此，在应用检漏装置对换热器管束开展检漏时，可按照图8所示的换热管束分区示意图，对换热管束进行分区,检漏时一次性封堵某区域的多根换热管并完成该区域的检漏，然后依次对其他每个区域的换热管进行检漏。
根据检漏装置的设计原理,开展检漏时,管内负压形成需要一定时间,若换热管存在泄漏,则当检漏装置内产生压差,导通光电显示灯后才能判断换热管存在泄漏;若换热管不存在泄漏,则光电显示灯不亮。因此,需要估算每个换热管束检漏分区的检测等待时长,避免等待时长过短、不能观察到亮灯现象,同时也要尽可能缩短每个区域换热管束分区的等待时长,从而缩短对所有管束检漏的总体时长,提高检漏效率。
2.1检漏时长估算方法
本文根据GB/T34346-2017《基于风险的油气管道安全隐患分级导则》中气相介质泄漏速率计算方法开展检漏时长的估算[8−9]。假设对某个检漏分区的管束开展检漏时,其中所有换热管同时开始降压,则该分区的检漏时长即为单根管的检漏时长。对图9所示的单根泄漏管进行检漏时长计算,其中点1位置为泄漏孔人口,p1、T1分别为管内压力、温度;点2位置为泄漏孔出口,p2、T2分别为壳侧压力、温度。
当壳侧压力大于临界压力,即
通过小孔的空气泄漏质量流量由式(1)计算:
式中:p1为管内压力,Pa;T1为管内温度,K;Q为泄漏孔流经空气质量流量,kg/s;Cd为相泄漏系数,湍流介质通过锋利孔取值范围为0.85～1.07,推荐取值为0.9;A为泄漏口面积,m2;M为空气摩尔质量,kg/mol;R为通用气体常数,R=8.314 J/(mol⋅K);k为空气比热比。
当壳侧压力p2小于临界压力,即
时,通过小孔的空气泄漏质量流量由式(2)计算:
式中Y为流出系数。
式中p2为管壳压力,Pa。
利用设计的检漏装置对换热管进行检漏,假设壳体抽至指定负压p1后,换热管内压力开始变化,检漏过程中空气温度不变,初始t0时刻的管内压力为大气压。根据理想气体状态方程,管内初始空气质量由式(4)计算:
式中:m0为管内初始空气质量,kg;patm为管内初始压力(大气压),Pa;Vtube为被检测换热管容积,m3;Rg为空气气体常数,Rg=287 J⋅kg−1⋅K−1;T为管内空气温度,K。
在t时刻,管内压力降低至pt,管内空气质量减少至mt,假设在下一个时间间隔Δt内管内压力保持不变,根据式(1)或式(2)计算该时间间隔内泄漏的空气质量流量Qt,则(t+Δt)时刻管内空气质量由式(5)计算、管内压力由式(6)计算:
式中:mt为t时刻管内空气质量,kg;Δt为时间间隔,s;Qt为Δt内泄漏的空气质量流量,kg/s;mt+1为(t+Δt)时刻管内空气质量,kg;pt+1为(t+Δt)时刻管内压力,Pa。
经过上述计算流程,可获得管内压力达到壳侧压力时所需总时长即为检漏时长。检漏时长计算流程如图10所示。
2.2案例计算
对于核电厂凝汽器，可在其半侧隔离运行时应用设计的检漏装置开展钛管检漏,此时可直接利用汽侧的负压环境。表1为某核电机组凝汽器单根钛管检漏时长计算结果,依据凝汽器运行背压参数,设定计算时的壳侧压力为5kPa,钛管长为17m、内径为22mm,泄漏孔直径为0.5mm,则在此条件下所需的检漏时长约为10min。
表1 某核电机组凝汽器单根钛管检漏时长计算结果
| 管内总气体质量mt/kg | 泄漏质量流量qt/(kg.s−1) | 管内压力pt/kPa | 检漏时长t/s |
| 7.61×10−3 | 4.17×10−5 | 101325.00 | 0 |
| 5.78×10−3 | 3.17x10-5 | 76981.73 | 50 |
| 4.39×10−3 | 2.41×10−5 | 58486.92 | 100 |
| 3.33×10−3 | 1.83×10−5 | 44435.47 | 150 |
| 2.53×10−3 | 1.39×10−5 | 33759.88 | 200 |
| 1.93×10−3 | 1.06×10−5 | 25649.09 | 250 |
| 1.46×10−3 | 8.03×10−6 | 19486.91 | 300 |
| 1.11×10−3 | 6.10×10−6 | 14805.19 | 350 |
| 8.44×10−4 | 4.63×10−6 | 11248.25 | 400 |
| 6.42×10−4 | 3.50×10−6 | 8547.80 | 450 |
| 4.94×10−4 | 2.37×10−6 | 6587.12 | 500 |
| 4.05×10−4 | 1.19×10−6 | 5394.66 | 550 |
| 3.75×10−4 | 1.16×10−8 | 5000.04 | 598 |
图11为检漏时长与泄漏孔径、管长、壳侧真空度关系曲线，其中钛管管长分别取6、12、17m，泄漏孔径分别取0.5、1.0mm。在不同壳侧真空度下,若泄漏孔径相同,则单根钛管的管长增加1倍,其检漏时长增至原来的2倍左右;若管长相同,则单根钛管的泄漏孔径减小1/2,其检漏时长增至原来的4倍左右。该计算曲线可直接应用于核电厂凝汽器钛管检漏的时长估计,方便检修工程师优化检漏方案,提高检漏工作效率。
3、结论
1)本文研究了一种适用于管壳式换热器的换热管检漏装置及其应用方案。检漏装置基于压差感应原理,通过小型光电显示灯可直观反映换热管是否泄漏;适用于U型管、翅片管、盘管等不同结构的管束;可在大面积地排查换热管是否存在泄漏的同时准确定位泄漏的换热管。
2)检漏装置的关键结构是一种可在内外压差下发生伸长变形的橡胶波纹管。有限元计算分析表明相比于胶头式结构,波纹管式结构的变形效果更明显。
3)通过开展检漏装置的压差阈值测试,表明本文设计的检漏装置可用于壳侧真空度大于10kPa的换热器传热管检漏。
4)针对本检漏装置的应用方案,提出了估算换热管检漏时长的方法。对于存在泄漏孔的单根换热管，其检漏时长主要与泄漏孔径、管长、壳侧真空度有关。
5)针对管束数量较多的换热器,在应用本检漏装置检漏时,建议对换热管进行分区并估算每个区域的检漏时长,以尽可能提高整体检漏作业的效率。
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（注，原文标题：管壳式换热器的换热管检漏装置研究_周鑫）
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