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波纹管在大温差换热器上的应用点击：1934 日期：[ 2014-04-26 22:55:19 ] |
| 摘要 对波纹管应用于高温且温差较大的换热器时遇到的问题进行了分析,并提出了相应的解决办法,取得了良好的效果。关键词 波纹换热管 换热器 管板 断裂 措施近年来,国内研制出一种高效新型换热器,即波纹管换热器。它与传统的管壳式相比,具有传热效率高、不易结垢、补偿能力好、体积小及节省材料等优点,目前已用于各种工况下的换热。核心元件波纹换热管,目前有两种结构形式。一种由大、小圆弧相切构成纵截面波形的波纹管,见图1a ;另一种由大圆弧与直管短节构成纵截面波形的波节管,见图1b。目前使用的管壁厚度δ均小于1 mm。 为了有效利用接触气热能,降低能耗,我厂于1995 年在乙苯脱氢装置上选用了波纹管换热器。该设备原设计为管壳式换热器,管材为ª38 ×3 的1Cr18Ni9Ti 。自1983 年投产到1995 年的10 余年间,因多次发生换热管与管板焊缝拉脱而更换设备5 台。原筒体未设计有膨胀节,我们加了一个膨胀节,但仍未解决拉脱问题。1994 年更新设备时,增改为两个膨胀节, 换热管材质改用Cr25Ni20 ,但仍不能奏效。1995 年我厂提出工艺条件,由杨州曙光波纹管厂设计制造了1 台波纹管换热器,同年12 月安装后,使乙苯预热出口温度和苯乙烯收率均得到提高。但运行到1996 年3 月又发现管漏,迫使我们对泄漏进行分析,并采取了以下改进措施。1 断裂原因及解决措施1.1 裂纹情况(1) 一般管壳式换热器 裂纹发生在列管与管板连接焊缝上,且多在管板的中央部位。其中有一次1 根拉脱的列管突出管板达17 mm。(2) 波纹管换热器 因列管是波纹形,热膨胀补偿能力强,断裂不在列管与管板焊缝部位,而是在接触气入口的9 根管子的波谷处。1.2 断裂原因(1) 列管与壳体温度差引起的温差应力 乙苯蒸发过热器(H502) 服役工况及主要接管管口,见表1 及图2 。 该设备中两种介质的最大温差在500 ℃左右,壳体由于受620～630 ℃高温的影响,其伸长量大于列管的伸长量。二者的自由伸长量分别为:δs = αs ( Ts - To) L (1)δt= αt ( Tt - To) L (2)式中αs ,αt ———分别为壳体和列管的线膨胀系数,1/ ℃To ———安装时的温度, ℃Ts , Tt ———分别为操作状态下壳体和列管的温度, ℃ 由于列管与壳体是刚性连接,故其实际伸长量相等。此时壳体被压缩,列管被拉伸,由此而产生温差应力,且列管的总拉伸力应等于壳体被压缩的总压缩力。若用F 表示,F 为正时表示壳体被拉伸, 列管被压缩; F为负则表示壳体被压缩, 列管被拉伸。由虎克定律可知, 壳体被压缩量和列管被拉伸的量为:δt- δ = FL / Et A t (3)δ - δs = FL / Es A s (4)由此得出:F =αt( Tt - To) - αs ( Ts - To)/[1/Et A t+1/Es A s]则列管及壳体的温差应力分别为:σt= F/ A t , σs = F/ A s式中 δ———实际伸长量,mmδt,δs ———分别为列管和壳体的自由伸长量,mmσt,σs ———分别为列管和壳体的温差应力,MPaEt , Es ———分别为列管和壳体的弹性模量,MPaA t ———换热管总截面积,m2A s ———壳壁横截面积,m2 壳体和换热管的材质均为1Cr18Ni9Ti ,根据有关的文献和计算公式可以求得: F = - 7.26 kN , σs = - 29.13 MPa , σt =- 65.12 MPa。这些数值说明换热管承受拉应力,壳体承受压应力,而且对列管产生的拉脱力很大。由于该设备管程进料较复杂,乙苯进口温度在136～138 ℃之间,故其气、液相的成分较难确定,液相的比例亦时大时小。当液相比例较大时,因其重力作用而主要分布于管板中央位置处,四周为气相。多为液相流体的中央少部分列管及多为气相流体的四周列管,其流量和负荷均有较大差别,从而使得列管与列管之间也存在温度差异,进而导致列管所受拉脱应力亦有大有小。这种拉脱力在管板中央最为强烈,因此,该处焊缝开裂或多次开裂的可能性最大。(2) 疲劳问题 波纹管受压或受拉时具有较大的补偿能力,若从波谷处断裂,说明波纹管波谷处存在最大应力。在使用中还由于压力和温度的变化而承受交变应力作用,故波纹管的耐疲劳性能不如直管。(3) 材料不适应高温 H502 换热器原设计的换热列管材质为1Cr18Ni9Ti ,扬州曙光波纹管厂第一次选材为SUS316 ,这两种材料均不宜在630 ℃以上的高温下长期使用。1.3 改进措施(1) 材质的选择 考虑到1Cr18Ni9Ti 在工作温度630 ℃左右高温下易脱铬、变脆,力学性能下降较严重等问题, 故改用了Cr25Ni20 。原波纹管壁厚017 mm ,由于波纹管波谷处应力增大,为此将管壁增厚到115 mm ,成型后壁厚减薄了01107 mm。增加管厚壁度,旨在增加其抗拉和耐疲劳的能力。(2) 列管与管板接头连接方式的选择 一般有胀接、焊接和胀焊结合3 种形式。因胀焊结合形式综合了胀接和焊接的优点,具有密封性能好并承受动载荷、疲劳载荷以及抗间隙腐蚀能力较强等特点,因此选用了胀焊结合形式。(3) 加长上封头及加装分配器 管板中间管口焊缝多次拉裂,说明气液相分布不均匀,且中部物料流量大、流速快,故中部列管温度较低,承受拉应力最大。为解决此矛盾,将上封头加长500 mm ,以增大混合空间,并在上封头上加装了一个物料分配器,使其进料分布均匀,见图3 。为了使气、液相混合均匀,在上管板上又加装了300～400 mm 厚的鲍尔环填料。(4) 接触气入口加装防冲板 壳体进料口接触气的温度高达630 ℃,流量12 t/ h ,流速也较高。接触气在进入设备时对换热管产生较大的冲击,使得此处换热管弯曲变形较严重。为此,在接触气入口处安装了防冲板,以减缓冲击,保护列管不变形或被拉断。(5) 加装膨胀节 消除温差应力的主要办法是避免或缓解壳体与列管间的刚性约束,使壳体和列管能自由膨胀和收缩。为此采用了挠性装置,即在筒体上加膨胀节的办法来解决。原管壳式换热器没设膨胀节,后改用在支座上下各加一个膨胀节(该设备为立式) 的办法。采用波纹管后,因其补偿能力要比筒体加膨胀节的补偿能力大,按理说可不加膨胀节了。但考虑到波纹管的受力状况,在筒体上还是加装了两个膨胀节。2 使用情况 改进后的设备于1996 年6 月使用至今,未发生任何故障。1997 年3 月6 日因厂供电系统故障,炉子熄火。由于降温过快,造成该系统有一个ª426 mm 管道的膨胀节拉断,而H502 设备依然安然无恙。1997 年7月上旬,反应炉更换触媒,停炉后对设备试压查漏,H502 亦未发现泄漏,说明改造是成功的,解决了在高温且温差较大工况下,换热器列管焊缝被撕裂或列管被拉断的难题。3 强化传热机理 波纹管换热器采用了特殊截面波纹管换热元件,以波节管为例,其强化传热的机理如图4 。与直管不同的是它能产生双向扰动。波纹管变截面的结构,使弧形段内壁发生两次反向扰动。正是这种较大的扰动破坏了边界热阻层,扩大了低热阻区域,因而强化了传热,使换热系数有了明显的提高,一般为管壳式的4 倍以上。上述扰动范围的大小与直线段长度有关。直线段起着积累能量的作用,在直线段内积累的能量到弧形段后扩散,并产生和扩大了两次反向流。没有直线段则没有积累区段,弧形段内就无法产生两次反向流,因而波纹式较波节式的传热效果要低。但波节式因波根处应力较大,易断裂,故我厂选用了波纹式。波纹管式较管壳式换热器中直管的传热效果要好得多。波纹管是由依次交替的扩张段(波峰) 和收缩段(波谷)的波形组成。其内外表面均有凹凸圆弧,当波纹管的波谷外径与直管外径相同时,前者比后者的内外表面积有较大的增加,一般是直管的1.5～2.7 倍,其增加的幅度与波高、波长及波纹管直径的大小有关。波纹管这种变化的波形,同样使管内、管外流体能同时发生湍流,从而提高传热管性能。根据实验研究,波形段的优化尺寸为: D1/ D2 = 1125～1180 , 最佳1140 ; L 1/ L 2 = 0.2 ～ 0.7 , 最佳0.5 。我厂H502 换热器波纹管尺寸为: D1 =ª33 mm , D2 = ª45 mm , L 1 = 8 mm , L 2 =16 mm ,符合优化尺寸要求。4 经济效益 我厂H502 换热器,曾先后3 次使用过不同形式结构,其传热效果对比见表2 。可以看出,波纹管换热器比管壳式换热器可使乙苯出口温度提高50～60 ℃,从而使脱氢水比由原来的314～313 降为311 ,即水比降低0.25 。该炉加料量为3 000～3 600 kg/ h ,按最小量3 000 kg/ h 计算,则节约过热蒸汽量750 kg/ h 。由此每年节约燃料气195.36 t ,折合人民币15.62 万元;每年因节约蒸汽而创效益15.6 万元;此外,提高苯乙烯收率,若按3 %计算(炉子加料量3 t/ h ,每年生产运行时间8 000 h) ,则年增经济效益360 万元。以上3 项相加,每年增创总经济效益391.2万元。 另外,该设备体积小,节省材料。H502原为一般管壳式换热器,重量6 t 多,材质为1Cr18Ni9Ti ,每台售价42 万元左右;而列管壁厚为017 mm 的波纹管换热器,当时的售价约34 万元。这是由于波纹管传热效率大大提高,在相同换热量条件下,其体积较管壳式换热器小得多,大约为后者的1/ 2～2/ 3 ,故节省材料,造价降低。5 结语 综上所述,我厂乙苯脱氢装置使用波纹管换热器,强化了传热效果,经济效益显著。由此展望,波纹管换热器的使用具有广阔的前景。 |
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