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钛制管壳式换热器的结构设计及应用点击：1833 日期：[ 2014-04-26 21:35:36 ] |
| 钛制管壳式换热器的结构设计及应用 张洪军 孙介兰 董志贵 (沈阳东方钛业有限公司辽宁沈阳110016) 摘要:本文介绍了钛材在换热器中的应用,并详细阐述了钛材换热器的结构设计方法。 关键词:钛材 换热器 管板 换热管 中图分类号:TG14文献标识码:A文章编号:1672-3791(2009)08(a)-0078-01 钛是一种具有高度化学活性的金属,但在常温下能生成保护性很强的氧化膜,因而在许多酸、碱、盐类介质中具有优良的耐腐蚀性能,故在石油、化工、冶金、海洋工程等行业具有广泛的应用。 换热器用钛一般采用工业纯钛,我国的牌号为TA1、TA2、TA3,其中应用最普遍的是TA2。要求更好的耐腐蚀性和塑性时用TA1,不用冷成形的零件如管板、螺栓等用TA3。钛合金中常用于换热器的是TA9和TA10,主要用于要求抗缝隙腐蚀的场合。 钛管可以作为换热器的换热管,其优点为管壁比较薄,液体的浸润性小,蒸汽在其表面的冷凝方式为滴状冷凝。这种冷凝方式使换热表面不断更新,给热系数大大增加,钛管表面难于积垢,污垢系数大大降低。因此钛制管壳式换热器得到了用户的广泛应用。例如:烧碱项目的氯气冷却器、盐水加热器以及己二酸项目的蒸发器等。 1·钛制换热器流程的选取 当壳程走腐蚀性介质时,管板、换热管、壳体、折流板、拉杆等都应该选用钛材,钛材的用量就大,设备的成本就高。而腐蚀性介质走管程时,换热管采用钛材,管箱采用全钛或钛-钢复合板,管板采用钛钢复合板,而壳程就可以使用钢材制造,成本就可以降低。 2·钛制换热器的结构设计 2.1管板 钛制换热器管板一般为平板结构,从材质分:全钛、钛钢复合。全钛管板一般用于壳程走腐蚀性介质。而钛复合板由于贴合牢靠,可用于高压热交换器的场合。更为重要的是钛钢复合的管板,对钛管有消极保护作用,抑制了由管和管板间存生的缝隙所产生的应力腐蚀开裂。钛对间隙腐蚀尤为敏感,因此防止缝隙腐蚀更为重要。所以对于直径较大,管程走腐蚀性介质的换热器来说,管板最好采用钛复合板,既能减小缝隙腐蚀,又能降低管板费用。 2.2换热管 管壳式换热器所用的换热管材质通常采用TA2,钛管需退火状态交货,按批抽样进行机械性能试验、无损探伤和液压试验。在便于清洗不易造成堵的情况下,管径尽可能取小值,这样外壳直径也小,换热器成本就越低。一般常用的换热管规格为φ25X1.5。 2.3换热管和管板的连接 换热管和管板的连接是设计中必须慎重考虑的一个问题。因为换热器在运行中的损坏,往往发生在换热管和管板连接处。由于钛材的强度和弹性模量随着温度的升高而有较大的降低,且在常温下有蠕变倾向,使管子和管板的胀接残余应力松弛,易引起泄漏,所以一般不推荐使用胀接。由于焊接比胀接更能保证密封性能,当管板采用钛钢复合板时,胀接又不能满足管端密封要求,因此,钛制换热器一般管子和管板连接采用焊接。但管板和换热管之间总有缝隙存在,这样最容易产生缝隙腐蚀。实践表明胀焊结合的连接方式比较好,既提高了接头的抗疲劳性能,又可消除应力腐蚀破裂和缝隙腐蚀。 2.4封头 根据我们设计的经验建议钛制封头的厚度不小于现行标准中(JB/T4746-2002)的最小厚度,这样冲压以后的皱纹不大,不会超标。如封头厚度小于标准封头厚度时,冲压后皱纹的深度会超标,从而影响封头质量。 2.5螺纹加工 钛材具有摩擦系数大,导热系数小,粘连性等,在螺纹加工时较为困难,经常导致丝锥断裂。在管板拉杆固定的螺纹加工中,应避免过长的孔,且适当放松螺纹公差和精度等级的要求为好。 3·应用举例 某公司6万吨/年烧碱工程的氯处理工段的氯气冷却器。壳程工作压力为0.3MPa,工作温度为32℃～37℃,设计压力为0.33MPa,设计温度为40℃,物料为循环水。管程工作压力为-0.003MPa,工作温度为40℃～50℃,设计压力为-0.1MPa,设计温度为60℃,物料为湿氯气。由于管程为腐蚀性介质湿氯气,换热管采用钛管,管板采用钛钢复合板,上、下两管箱采用全钛。由于工艺流程选取合理,大量节约了钛材,该设备直径φ700,换热面积为80.7m2,净重1515kg,而钛材仅重670kg。 4·钛制设备设计要则 (1)重视铁污染和环境氢脆。(2)工业纯钛其耐腐蚀性比钛合金好,价格低,塑性好。如ＴＡ0,ＴＡ1一般用于变形量较大的场合,换热管多用ＴＡ2,要求较高强度时用ＴＡ3,对易于产生缝隙腐蚀的部位,最好选用钛钯合金ＴＡ9和钛钼镍合金ＴＡ10。对于承受较大应力的紧固件和非焊接件,应选用机械强度较高的钛合金ＴＣ4。应采取措施将焊接材的铁、氢含量控制在较低水平。(3)钛的力学性能受温度的影响较大,当设计温度在316℃以下时,决定设计强度指标的因素是该温度下的抗拉强度值。工业纯钛不能通过热处理提高强度。(4)为避免焊接接头塑性下降,钛焊接要求小电流、快速焊,并要求坡口间隙小。由于钛的焊接接头综合性能较差。焊缝应避免位于应力最大处。(5)钛的热膨胀系数小,与其它材料一起使用时应考虑热补偿措施。(6)由于工业纯钛及钛合金的塑性变形范围小,易开裂,当采用翻边结构时弯曲半径应尽可能大一些,换热管胀接时,管子与管板、管孔的间隙公差应小一些,避免胀裂。(7)钛在常温下有蠕变现象而产生应力松弛,不宜用钛螺栓作强制密封连接件。(8)钛衬里在钢板上固定连接应采用爆炸复合,机械固定和钎焊的方法等联合使用。(9)钛对表面缺陷非常敏感,应避免表面缺陷。(10)由于钛设备膨胀系数较钢小,应避免过大的升压、升温和降温以避免产生过大的局部热应力,致使钛衬层被拉裂。 参考文献 [1]钛制焊接容器.JB/T4745～2002. [2]黄嘉琥.压力容器材料实用手册——特种材料[M].化学工业出版社,1997,1. [3]黄嘉琥,应道宴,等.钛制化工设备[M].化学工业出版社,2002,8. |
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