引言

换热压力容器是能源、化工、动力等工业领域的关键设备，其运行状态直接关系到生产安全与能效水平。随着设备服役时间的延长，换热表面污垢沉积、介质腐蚀及材料老化等问题逐渐显现，导致传热效率下降、流动阻力增加，严重时可能引发设备失效事故。传统的定期检修方式难以准确掌握设备实时状态，往往存在维修不足或维修过剩的问题，亟需发展具备在线性能监测能力的智能换热压力容器。

近年来，传感技术的发展为设备状态监测提供了新的手段。在换热设备领域，已有研究尝试通过壁温测量、压差监测等方式推断污垢厚度和传热性能衰减程度。然而，换热压力容器内部结构紧凑、介质条件复杂，传感器布置位置、引线密封方式以及信号采集稳定性等问题尚未得到系统解决。此外，传感器的引入可能对容器承压结构和流场分布产生影响，需要在设计阶段进行一体化结构优化。

本文针对换热压力容器在线性能监测的实际需求，提出一种集成温度传感器阵列和压差监测装置的新型结构方案。重点研究传感器安装结构设计、引线密封方式以及信号采集系统的实现路径，通过有限元分析优化局部结构以保证承压安全，搭建试验平台验证监测系统的测量精度和运行可靠性。

一、在线监测系统结构设计

1.1监测参数与测点布置

换热压力容器的性能衰减主要表现为传热系数下降和流动阻力增加，这两项指标的变化可综合反映设备运行状态。传热系数通过监测热介质和冷介质的进出口温度及流量间接计算获得，流动阻力则通过测量介质流经管束前后的压差直接反映。基于此，监测系统需布置温度测点、压力测点和流量测点。

温度测点布置于换热压力容器管程和壳程的进出口位置，为避免单点测量带来的偶然误差，在进出口管道的同一截面上沿周向均布三支微型铠装热电偶，取平均值作为该截面的代表温度。温度传感器选用K型热电偶，测温范围0至200摄氏度，精度等级为Ⅰ级。传感器探头伸入管道中心线位置，确保测量介质的主流温度。

压差监测装置分别安装于管程和壳程的进出口引压管上，采用隔膜式压差变送器，量程根据设计压降选取，精度为0.1级。为避免引压管堵塞，在引压管与容器连接处设置隔离阀和冲洗接口，便于在线维护。

流量监测采用外夹式超声波流量计，安装于进出口管道外壁，不改变容器结构。流量信号与温度、压力信号同步采集，用于传热系数的在线计算。

1.2传感器安装结构设计

传感器的安装结构需同时满足测量准确性、密封可靠性和结构完整性三方面要求。对于温度传感器，采用螺纹连接与焊接相结合的方式固定，在容器进出口管道的预留接口上加工内螺纹，传感器通过螺纹旋入，螺纹根部设置密封垫片；传感器探杆与接口焊接，实现永久性密封。此种结构既保证传感器可拆卸更换，又确保密封性能满足压力容器要求。

对于压差变送器的高低压侧引压接口，采用管座式结构设计，在容器筒体上焊接引压管座，管座内加工取压孔，取压孔开口方向与介质流向垂直，避免动压头影响。引压管与管座通过卡套接头连接，便于拆卸维护。取压孔直径选取6毫米，边缘倒圆角以减小应力集中。

考虑到换热压力容器内部换热管束的布置特点，部分温度测点需布置于管束内部。为此设计了一种穿管式测温结构，将微型热电偶封装于直径3毫米的保护管内，从管板侧插入换热管内部，保护管与管板之间采用胀接加密封焊结构。该方案可在不破坏换热管完整性的前提下实现管内介质温度的直接测量。

1.3数据采集与传输系统

数据采集系统由现场采集单元、信号传输网络和中央监控平台三部分组成，现场采集单元布置于设备附近，将传感器输出的模拟信号转换为数字信号并进行预处理。采集单元具备多通道同步采样功能，采样频率设定为每分钟一次，满足性能监测的时间分辨率要求。

信号传输采用工业以太网与无线传输相结合的方式，对于已敷设控制电缆的厂区，通过RS485总线将采集数据上传至中央监控室；对于改造项目，采用无线传输模块将数据发送至监控平台，减少布线工程量。中央监控平台运行监测软件，实现数据的实时显示、趋势分析和报警功能。

二、基于监测需求的结构优化

2.1开孔部位局部结构优化

传感器安装接口的开孔破坏了容器结构的连续性，在压力载荷作用下开孔边缘会产生应力集中。针对温度传感器接口和压差引压接口，采用有限元方法分析不同开孔直径和补强结构下的应力分布。

初始设计方案中，温度传感器接口开孔直径为25毫米，引压接口开孔直径为12毫米。分析结果表明，开孔边缘最大等效应力分别为185兆帕和142兆帕，均低于材料屈服强度的70%。为进一步提升安全性，对开孔部位进行补强优化，在开孔周围设置补强圈，补强圈厚度与筒体等厚，宽度取开孔直径的1.5倍。优化后的应力分析显示，温度接口处最大应力降至142兆帕，引压接口降至118兆帕，应力集中系数由1.85降至1.45，结构安全性得到有效提升。

2.2引线密封结构设计

传感器引线从压力容器内部引出至外部采集装置，密封结构是保证容器完整性的关键。采用穿舱式密封结构，将传感器引线先穿过密封接头，密封接头与容器接口焊接连接。密封接头内部设置多层密封组件：底部为金属垫片密封，承受主要压力；中部为橡胶密封圈，补偿温度变化引起的密封力波动；顶部为压紧螺母，通过拧紧力矩控制密封压力。

密封接头的材料选择与容器本体相同的不锈钢，以避免异种金属连接引起的电偶腐蚀。密封接头在安装前进行气密性试验，试验压力为设计压力的1.25倍，保压30分钟无泄漏方为合格。

2.3监测系统与容器的一体化设计

采用一体化设计思路，在容器设计阶段统筹考虑监测需求与结构安全。监测接口位置的选择遵循以下原则：避开高应力区和焊缝热影响区；便于传感器安装维护；不干扰内部换热管束的布置；引压管路径短且避免急弯。

根据上述原则，温度传感器接口布置于容器进出口管道的直管段，距容器筒体法兰面不小于两倍管径。压差引压接口布置于筒体两端靠近管板的位置，高低压侧间距不小于容器长度的80%。所有接口均避开筒体环焊缝和纵焊缝，接口中心距焊缝边缘不小于50毫米。

三、试验系统与测试方法

3.1试验平台搭建

为验证在线监测系统的测量精度和运行可靠性，搭建了换热压力容器性能监测试验平台。试验平台由换热压力容器试验段、热介质循环系统、冷介质循环系统和数据采集系统构成。

换热压力容器试验段采用单管程单壳程结构，筒体直径400毫米，长度2000毫米，设计压力1.6兆帕。试验段内部安装19根换热管，管长1800毫米，呈三角形排列。试验段上按照优化设计布置了4个温度传感器接口、2组压差引压接口和1个流量计安装段。所有接口均采用优化后的补强结构和密封方案。

热介质循环系统采用电加热方式，加热功率90千瓦，可控制热介质温度在30至120摄氏度范围内调节。冷介质循环系统采用冷却塔循环水，通过调节阀门控制冷介质流量。系统配置变频泵和调节阀，实现流量在额定值的30%至120%范围内连续调节。

3.2测试工况与对比基准

试验测试分为静态性能标定和动态运行测试两个阶段，静态性能标定用于验证监测系统的测量精度，将监测系统测量值与高精度标准仪器进行对比。

动态运行测试用于验证监测系统在连续运行条件下的稳定性和可靠性。设计三种测试工况：工况一为清洁状态下的稳态运行，持续48小时，建立基准性能曲线；工况二为模拟污垢增长过程，通过在热介质中添加微量悬浮物加速污垢沉积，持续运行168小时，监测传热系数和压降的变化趋势；工况三为变负荷运行，在48小时内按设定程序周期性改变热介质流量和温度，测试监测系统的动态响应能力。

3.3性能评价指标

在线监测系统的性能评价包括测量精度、长期稳定性和故障预警能力三个方面。测量精度以误差和相对误差为指标，通过对比监测值与标准值计算。长期稳定性以连续运行168小时内的测量值漂移量为评价指标，漂移量越小表明系统稳定性越好。

故障预警能力通过模拟污垢增长试验验证。定义性能衰减因子为传热系数监测值与清洁基准值的比值，当衰减因子低于设定阈值（0.85）时监测系统应发出预警。记录预警时刻与实际污垢累积达到阈值时刻的时间差，作为预警及时性的评价依据。

四、试验结果与分析

4.1监测系统测量精度验证

静态标定试验结果如表 1所示。在热介质温度50、70、90摄氏度三个标定点，监测系统温度测量值与标准值最大偏差为0.28摄氏度，最大相对误差为0.41%。压差测量在10、20、30千帕三个标定点，最大偏差为0.6千帕，最大相对误差为2.8%。

表 1监测系统测量精度标定结果

4.2长期运行稳定性测试

连续运行168小时的稳定性测试结果如表 2所示。以运行初始时刻的测量值为基准，计算各时间点的测量值漂移量。温度漂移最大值为0.35摄氏度，压差漂移最大值为0.4千帕，均处于可接受范围内。

表 2监测系统长期运行稳定性测试结果

4.3模拟污垢工况下的性能监测

模拟污垢增长试验中，监测系统连续记录传热系数和压降的变化数据。表3给出了不同运行时间下的监测结果。运行144小时后，传热系数由1850瓦每平方米每摄氏度下降至1480瓦每平方米每摄氏度，降幅20.0%；压降由12.5千帕上升至15.2千帕，增幅21.6%。当衰减因子降至0.85时，监测系统发出预警，对应运行时间103小时，比实际达到该衰减程度提前约7小时。

表 3模拟污垢工况下性能监测数据

4.4变负荷工况下的动态响应

变负荷工况测试中，热介质流量在额定值的50%至100%之间周期性变化，周期为12小时。监测数据表明监测值与工况变化具有良好的跟随性。动态响应延迟时间测试结果显示，温度测量系统延迟约为45秒，压差测量系统延迟约为12秒，不影响分钟级采样周期的监测效果。

五、结论

本文针对换热压力容器在线性能监测需求，开展了监测系统结构设计与试验验证研究，得出以下主要结论：

第一，设计了集成温度传感器阵列和压差监测装置的在线监测系统结构，通过螺纹连接与焊接相结合的密封方式解决了传感器引线密封问题。

第二，基于有限元分析对传感器接口开孔部位进行结构优化，采用补强圈措施将温度接口最大应力由185兆帕降至142兆帕，应力集中系数由1.85降至1.45，满足强度要求。

第三，试验验证表明监测系统温度测量误差小于0.3摄氏度，压差测量误差小于3%，连续运行168小时的漂移量分别为0.35摄氏度和0.4千帕，测量精度和长期稳定性满足工程应用要求。

第四，模拟污垢增长试验中监测系统成功识别传热系数下降趋势，预警比实际达到衰减程度提前约7小时，验证了监测系统在故障预警方面的有效性。

本研究为换热压力容器的智能化运维提供了可行的技术方案，后续可进一步开展监测数据与设备剩余寿命关联分析的研究工作。

参考文献

[1]黄桂林,陈建勋.换热压力容器运行状况在线监测装置设计[J].广东化工,2020,47(08):140-141.

[2]陈建勋,贾晓东,高建明,等.基于多传感器检测的换热压力容器运行状况在线诊断系统[J].工业仪表与自动化装置,2019,(04):7-11.

[3]高峰.换热压力容器能效评价的意义[J].中国标准化,2017,(06):17+19.

[4]周双艳.基于安全性评估的压力容器设计[J].化肥设计,2025,63(05):30-33.