一种管壳式换热器管子断裂泄放量的计算方法

马叶勇

（上海利策科技股份有限公司，上海 201103）

一种管壳式换热器管子断裂泄放量的计算方法

马叶勇

（上海利策科技股份有限公司，上海 201103）

根据API520，介绍了一种管壳式换热器管子断裂工况泄放量的计算方法，先求取流体通道内单位面积的最大流通量，从而取得最大质量泄放量。

换热器管子断裂；泄放量；安全阀

管壳式换热器作为压力容器时需要考虑超压保护措施。管子断裂是一种典型的超压事故工况，泄放可能是气相、液相或两相流体。国内多数文献[1]介绍均是针对不同相态分别计算。本文方法通用于各种相态泄放量计算。

1 方法介绍

根据API521描述，换热管断裂时，做如下假设：

（1）换热器中只有一根管子断裂；

（2）管子是在管板处断裂；

（3）高压侧流体分别从管板断裂口和长管段流入低压侧。

参考API520[2]描述，管段内的流体流动为等熵过程（isentropic），单位面积的最大流通量公式如下：

其中：G为单位面积最大质量流通量，kg/s.m2；v为流体的比体积，m3/kg；ρ为流体密度，kg/m3；p为流体驻点压力，Pa；0为流体初始条件点；t为流道截面积最小时的条件点。

公式（1）适用于任何均相流体，其积分通过解析法很难求解，但可通过数值积分法求解，积分简化如下：

将压力范围等份切割，在每个压力点计算出单位面积的流通量。

流体密度计算如下：

其中：ρ为流体密度；ρV为气相密度；ρl为液相密度；α为流体中气相的体积分数。

有文献[3]阐述：通常通道大于10cm时，流体视为气液平衡状态；通道小于10cm时，发生液体延时闪蒸现象，流体处于不平衡状态。气液相不平衡状态可理解成两相间发生了滑动，引入参数“S”——滑动比（slip ratio）。气液平衡时，S取值为1；气液不平衡时，S取值1.1到1.5。

α计算如下：

非平衡状态下，气体质量分数χ的计算如下：

其中：L为通道的长度，cm；χ0为流体初始χ值；χe为流体计算点的χ值，当L＞10时，χe=χ=χ0。

综上，长管段内为均相平衡流动，管板断裂口内为均相非平衡流动。此工况下，安全阀最大泄放量的值即为流体通道内（长管段+管板断裂口）单位面积最大流通量乘以断裂口的面积。假设管子断裂产生锐缘孔口，孔口面积需乘上校正系数C（C=0.7）。

2 计算实例

案例[1]：管壳式换热器，其壳程设计压力为0.5MPa，介质为水；管程操作压力为5.3MPa，介质为空气，操作温度为359.6k，管子内径为13mm，大气压为0.1MPa(a)。计算此换热器在管子断裂工况下的安全阀泄放量。

使用商业模拟计算软件（ASPEN Plus或HYSYS等），求出流体在等熵情况下的各压力切分点的性质，带入上述公式中进行计算。计算的最大流通量如下表1所示。

表1　流体性质及计算结果

由表1，流体在长管段和管板断裂口处的单位面积最大流通量分别为11 680kg/s.m2。计算管子完全断裂开的开孔面积，乘上校正系数，换热器安全阀最大流体泄放量为7 813.6kg/hr。

此结果和文献[1]中所用方法计算的数值（7 954.2kg/hr）相近，证明本文所述方法在工程计算中可行。

另外，此方法还适用于两相流体泄放量计算，这里不再赘述。

3 结论

针对管壳换热器管子破裂工况，运用流体在通道内的等熵流动理论，通过数值积分法，求取流体泄放过程中产生的最大泄放量，适用于气相、液相和两相流体泄放量计算，降低了工程计算复杂程度。

[1] 周海阳.管壳式换热器安全泄放装置的计算及选型[J].杭氧科技，2012，（3）：10-14.

[2] API Standard 520，Eighth Edition，December 2008.

[3] Ron Darby.Size Safety-Relief Valves for Any Conditions[J].Chemical Engineering，2005.

A Calculation Method of Leakage Shell and Tube Heat Exchanger Tube Rupture

Ma Ye-yong

A methodology of tube rupture relief load calculation for tube and shell heat exchanger is introduced，based on the theory from API 520. Max mass fl ux is achieved by integral calculation，then max relief load is gained.

tube rupture of heat exchanger；relief load；safety valve

TQ050

A

1003-6490（2016）01-0027-01

2016-01-29

马叶勇（1981—），男，山东济南人，工程师，主要从事石油天然气领域的工艺研究和设计工作。