引言
管殼式換熱器作為重要的傳熱設備,被廣泛應用于熱力系統中，如核電廠的凝汽器、給水加熱器、汽水分離再熱器等，換熱管束多達上千根。在長期運行過程中，由于熱應力疊加流體沖刷、雜物刮擦、晶間及化學腐蝕、管束碰磨等原因，均易造成換熱管發生泄漏，從而影響熱力系統安全運行。
目前，比較常見的換熱管檢漏方法主要為貼膜法、氦氣檢漏、渦流探傷、殼側注水法[1-3],也有利用聲波信號進行泄漏檢測的新方法[4]。貼膜法是通過在汽側建立負壓后，觀察兩端管板上貼覆的塑料薄膜是否存在凹陷，從而確定泄漏的換熱管，此方法效率較高,但是檢測微小泄漏對薄膜選材和貼膜技術要求高。氦氣檢漏是在殼側真空條件下，從海水水室充入氦氣，連接于真空泵出口管線的氦檢漏儀可檢測到泄漏到殼側的氦氣，適合于大面積排查，但較難定位泄漏單管。渦流探傷能探明直管段破損及減薄情況，但對于U形彎管區、翅片管不可用。殼側注水法通過在殼側注水后觀察換熱管口是否漏水，確定泄漏管束，但比較費時，微漏難查。因此，以上換熱管檢漏方法各有優勢，也各有不足。
作為對現有檢漏方法的補充，本文研究了一種基于壓差感應的錐塞式檢漏裝置及其檢漏方法[5],能夠實現便捷、大面積地排查換熱管是否存在泄漏并準確定位泄漏的換熱管，同時適用于U型管、翅片管、盤管等不同結構管束。
1、檢漏裝置設計
利用設計的檢漏裝置檢漏時,首先,需在換熱器殼側建立一定的負壓環境;然后,將換熱器多根或全部傳熱管一側用實心橡膠錐形塞封堵,另一側用錐塞式檢漏裝置封堵;最后,若被檢測換熱管出現泄漏孔,則換熱管內壓力將逐漸與殼側壓力一致。圖2為檢漏裝置的檢漏原理示意圖,在封堵換熱管后,檢漏裝置的壓差感應結構外側所處空腔壓力與換熱管內壓力一致，內側則通過頂端蓋帽的開孔與大氣環境連通。壓差感應結構可在內外壓差作用下發生伸長變形,其端部的金屬動觸點與管芯內布置的金屬靜觸點接觸,從而使光電顯示燈所在的電路回路閉合,導通光電顯示燈，從而直觀反映換熱管存在泄漏。
檢漏裝置帶有的小型光電顯示燈可直觀指示檢漏結果,方便快捷;管束結構形式(如U型管、翅片管、盤管等)對檢漏裝置的使用無影響,適用范圍廣;可同時封堵多根換熱管,實現大面積排查及泄漏換熱管的定位。
1.1壓差感應結構研究
根據檢漏原理,檢漏裝置關鍵結構為具有伸長變形能力的橡膠結構,即可在被檢測換熱管內壓力與大氣壓之差的作用下伸長。圖3為波紋管式和膠頭式壓差感應結構示意圖(1/4剖視圖),在端部固定有圓盤式的金屬觸點。本文基于有限元分析方法,對比了2種設計結構在一定壓差下的變形效果，以此確定了檢漏裝置的設計方案。在檢漏裝置工作時,波紋管內側或膠頭內側受大氣壓力作用、外側受換熱管內負壓作用，換熱管內負壓值(表壓)越小，橡膠結構在內外壓差作用下的伸長量越大。
有限元計算時，橡膠材料設為硅橡膠，本構模型選用工程上應用較多的、適用于小應變范圍的Mooney-Rivlin雙參數模型[6-7]。金屬動觸點材料設置為鋁合金。金屬動觸點與橡膠結構的接觸面設為綁定約束。設置橡膠結構和金屬動觸點外表面壓力載荷為90kPa,橡膠結構內表面壓力載荷為101kPa(大氣壓力),即在橡膠結構內外壓差11kPa的條件下對比2種結構的變形效果。圖4為11kPa壓差下2種結構軸向(Y方向)形變云圖,可以看出,由于波紋管結構的受力面比膠頭式結構大,因此波紋管結構能產生更明顯的伸長變形,在相同條件下約為膠頭式伸長量的5倍。本文檢漏裝置選取波紋管式橡膠結構,在換熱管內負壓大于10kPa時,波紋管伸長量大于1mm,可滿足檢漏裝置動靜觸點接觸要求。
圖5為壓差感應管芯組件結構圖,包括通過螺紋連接的鋁合金外套筒、內桿、橡膠波紋管。波紋管一端固定于內桿頂端，另一端連接的小金屬圓盤可跟隨波紋管伸縮而移動,作為動觸點;外套筒內底面作為靜觸點。當波紋管伸長后,動靜觸點接觸,控制光電顯示燈亮。
1.2檢測壓差閾值測試
在檢漏裝置開發過程中,設計了圖6所示的換熱管檢漏模擬裝置,對檢漏裝置的檢漏效果進行測試。裝置包括了3排管內徑分別為14、16、24mm的亞克力管,每排選擇3根亞克力管進行鉆孔模擬泄漏孔,小孔直徑分別為1、2、3mm。測試時,使用小型真空泵對方形殼體空間抽吸真空，模擬換熱器殼側負壓環境，并用檢漏裝置封堵亞克力管。圖7為不同殼側真空度(大氣壓與殼側絕對壓力之差)下檢漏裝置的亮燈狀態，測試結果表明，在殼側真空度分別為10、20、40kPa下檢漏裝置均能亮燈，反映被封堵管存在泄漏。設計的檢漏裝置可適用于殼側真空度大于10kPa的換熱管檢漏。
2、檢漏裝置應用方案
核電、火電機組中常見的管殼式換熱器包含有上千根換熱管。因此，在應用檢漏裝置對換熱器管束開展檢漏時，可按照圖8所示的換熱管束分區示意圖，對換熱管束進行分區,檢漏時一次性封堵某區域的多根換熱管并完成該區域的檢漏，然后依次對其他每個區域的換熱管進行檢漏。
根據檢漏裝置的設計原理,開展檢漏時,管內負壓形成需要一定時間,若換熱管存在泄漏,則當檢漏裝置內產生壓差,導通光電顯示燈后才能判斷換熱管存在泄漏;若換熱管不存在泄漏,則光電顯示燈不亮。因此,需要估算每個換熱管束檢漏分區的檢測等待時長,避免等待時長過短、不能觀察到亮燈現象,同時也要盡可能縮短每個區域換熱管束分區的等待時長,從而縮短對所有管束檢漏的總體時長,提高檢漏效率。
2.1檢漏時長估算方法
本文根據GB/T34346-2017《基于風險的油氣管道安全隱患分級導則》中氣相介質泄漏速率計算方法開展檢漏時長的估算[8?9]。假設對某個檢漏分區的管束開展檢漏時,其中所有換熱管同時開始降壓,則該分區的檢漏時長即為單根管的檢漏時長。對圖9所示的單根泄漏管進行檢漏時長計算,其中點1位置為泄漏孔人口,p1、T1分別為管內壓力、溫度;點2位置為泄漏孔出口,p2、T2分別為殼側壓力、溫度。
當殼側壓力大于臨界壓力,即
通過小孔的空氣泄漏質量流量由式(1)計算:
式中:p1為管內壓力,Pa;T1為管內溫度,K;Q為泄漏孔流經空氣質量流量,kg/s;Cd為相泄漏系數,湍流介質通過鋒利孔取值范圍為0.85～1.07,推薦取值為0.9;A為泄漏口面積,m2;M為空氣摩爾質量,kg/mol;R為通用氣體常數,R=8.314 J/(mol?K);k為空氣比熱比。
當殼側壓力p2小于臨界壓力,即
時,通過小孔的空氣泄漏質量流量由式(2)計算:
式中Y為流出系數。
式中p2為管殼壓力,Pa。
利用設計的檢漏裝置對換熱管進行檢漏,假設殼體抽至指定負壓p1后,換熱管內壓力開始變化,檢漏過程中空氣溫度不變,初始t0時刻的管內壓力為大氣壓。根據理想氣體狀態方程,管內初始空氣質量由式(4)計算:
式中:m0為管內初始空氣質量,kg;patm為管內初始壓力(大氣壓),Pa;Vtube為被檢測換熱管容積,m3;Rg為空氣氣體常數,Rg=287 J?kg?1?K?1;T為管內空氣溫度,K。
在t時刻,管內壓力降低至pt,管內空氣質量減少至mt,假設在下一個時間間隔Δt內管內壓力保持不變,根據式(1)或式(2)計算該時間間隔內泄漏的空氣質量流量Qt,則(t+Δt)時刻管內空氣質量由式(5)計算、管內壓力由式(6)計算:
式中:mt為t時刻管內空氣質量,kg;Δt為時間間隔,s;Qt為Δt內泄漏的空氣質量流量,kg/s;mt+1為(t+Δt)時刻管內空氣質量,kg;pt+1為(t+Δt)時刻管內壓力,Pa。
經過上述計算流程,可獲得管內壓力達到殼側壓力時所需總時長即為檢漏時長。檢漏時長計算流程如圖10所示。
2.2案例計算
對于核電廠凝汽器，可在其半側隔離運行時應用設計的檢漏裝置開展鈦管檢漏,此時可直接利用汽側的負壓環境。表1為某核電機組凝汽器單根鈦管檢漏時長計算結果,依據凝汽器運行背壓參數,設定計算時的殼側壓力為5kPa,鈦管長為17m、內徑為22mm,泄漏孔直徑為0.5mm,則在此條件下所需的檢漏時長約為10min。
表1 某核電機組凝汽器單根鈦管檢漏時長計算結果
| 管內總氣體質量mt/kg | 泄漏質量流量qt/(kg.s?1) | 管內壓力pt/kPa | 檢漏時長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 |
圖11為檢漏時長與泄漏孔徑、管長、殼側真空度關系曲線，其中鈦管管長分別取6、12、17m，泄漏孔徑分別取0.5、1.0mm。在不同殼側真空度下,若泄漏孔徑相同,則單根鈦管的管長增加1倍,其檢漏時長增至原來的2倍左右;若管長相同,則單根鈦管的泄漏孔徑減小1/2,其檢漏時長增至原來的4倍左右。該計算曲線可直接應用于核電廠凝汽器鈦管檢漏的時長估計,方便檢修工程師優化檢漏方案,提高檢漏工作效率。
3、結論
1)本文研究了一種適用于管殼式換熱器的換熱管檢漏裝置及其應用方案。檢漏裝置基于壓差感應原理,通過小型光電顯示燈可直觀反映換熱管是否泄漏;適用于U型管、翅片管、盤管等不同結構的管束;可在大面積地排查換熱管是否存在泄漏的同時準確定位泄漏的換熱管。
2)檢漏裝置的關鍵結構是一種可在內外壓差下發生伸長變形的橡膠波紋管。有限元計算分析表明相比于膠頭式結構,波紋管式結構的變形效果更明顯。
3)通過開展檢漏裝置的壓差閾值測試,表明本文設計的檢漏裝置可用于殼側真空度大于10kPa的換熱器傳熱管檢漏。
4)針對本檢漏裝置的應用方案,提出了估算換熱管檢漏時長的方法。對于存在泄漏孔的單根換熱管，其檢漏時長主要與泄漏孔徑、管長、殼側真空度有關。
5)針對管束數量較多的換熱器,在應用本檢漏裝置檢漏時,建議對換熱管進行分區并估算每個區域的檢漏時長,以盡可能提高整體檢漏作業的效率。
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（注，原文標題：管殼式換熱器的換熱管檢漏裝置研究_周鑫）
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