九澤換熱
Jiuze Heat Exchange

大型螺旋纏繞管式換熱器的應用與前景

發表時間:2018-04-13 15:01

纏繞管式換熱器的管理及其應用前景分析

纏繞管式換熱器不僅是大型化工工藝過程重要的設備,而且是一個高效節能的設備。這些換熱器結構復雜,價格昂貴,而且處于裝置關鍵部位,因此一旦這些換熱器發生泄漏,整套裝置必須要停工,而且重新制造一臺最快需要半年,企業的損失將非常巨大。正常換熱器的使用壽命一般在1220年左右,企業可以根據實際使用情況和使用壽命的期限來有計劃地進行更換,但是在國內也有很多企業由于對繞管換熱器的全程管理不到位,使用了很短時間即發生了質量問題。為了確保纏繞管換熱器長周期運行,對纏繞管換熱器使用的全過程管理十分必要。
1 纏繞管式換熱器簡介
   纏繞管式換熱器由繞管芯體和殼體兩部分組成(1)。繞管芯體由中心筒、換熱管、墊條及管卡等組成。換熱管緊密地繞在中心筒上(2),用平墊條及異形墊條分隔,保證管子之間的橫向和縱向間距,墊條與管子之間用管卡固定連接,換熱管與管板采用強度焊加貼脹的連接結構,中心筒在制造中起支承作用,因而要求有一定的強度和剛度。殼體由筒體和封頭等組成。
它應用于工程的主要優點有[1]:
a.結構緊湊,單位容積具有較大的傳熱面積。對管徑812mm的傳熱管,每立方米容積的傳熱面積可達100170m2;
b.可同時進行多種介質的傳熱;
c.管內的操作壓力高,目前國外最高操作壓力可達21 56MPa;
d.傳熱管的熱膨脹可自行補償;
e.換熱器容易實現大型化。
2 纏繞管式換熱器的工業應用情況
   在國外,纏繞管式換熱器廣泛應用于大型空氣分離裝置的過冷器及液化器(液體氧、液體氨裝置),林德公司在合成氨甲醇洗系統中推出的纏繞管換熱器系列正是充分發揮了該種換熱器的作用。纏繞管式換熱器在我國目前主要應用于大化肥合成氨裝置(美國德士古工藝)中甲醇洗工段[2],在全國共有近20套此類裝置,每套裝置中有6臺纏繞管式換熱器,這些換熱器的具體情況見表1。
在我國最早十多套裝置中的纏繞管換熱器大都已更換,其中大都是已到使用壽命限期,但也有不少為管理不善而造成的損壞。表2是一些用戶的設備主要損壞原因,3說明設備損壞原因的百分比。
3 纏繞管換熱器的使用管理
   纏繞管換熱器的使用管理過程主要有4個方面:制造過程控制,除垢清洗技術的選用,裝置運行的有效管理,產品缺陷修復方案的正確運用。
3.1 制造過程的控制
   由于纏繞管換熱器的特殊性,使用廠家必須從開始制造進行全過程控制,根據不同的使用場合提出不同的控制要求。主要控制內容:
a.管子的選用。目前使用管子為有縫鋼管和無縫鋼管,有縫鋼管可靠性較差,適用于低壓;而無縫鋼管整體性能較好,但有薄弱區域,必須對接頭進行固溶處理。腐蝕性強的介質宜采用無縫鋼管;反之,宜采用有縫鋼管。盤管直徑大宜采用有縫管,直徑小宜采用無縫管。
b.盤管的控制。盤管控制的好壞直接影響到換熱器的換熱效率,尤其是對結垢情況影響較大。因此,盤管時必須使層間距適度,沒有窄間隙死角,防止局部區域布置不均勻,造成流體阻塞,降低流體的流通面積。
c.焊接的控制。纏繞管的損壞形式最常見的是管口泄漏,這是設備的關鍵部位。一般纏繞管換熱器為了提高換熱效率,采用管子都比較小和薄,焊接容易產生缺陷。因此,焊接必須嚴格控制線能量,最好要采用自動焊,焊縫要均勻和飽滿。
d.纏繞管換熱器都是豎直運行,下管板與管子間易產生間隙腐蝕,這也是較常見的破壞形式之一。因此,脹接要做到二點:一是要有合適的脹度,消除間隙,防止腐蝕;二是防止過脹,導致管板塑性變形,降低了脹接的可靠度。
纏繞管換熱器制造的控制除了上述幾個方面外,還有材料的控制、設計的控制等,使換熱器產品符合不同企業的生產特點。
3.2 除垢技術的選用
   目前國內企業繞管換熱器的損壞大多由于酸洗除垢技術不成熟造成的,其中主要是酸洗方法不當。目前常用的酸洗液主要使用3,5%HCl液、硝酸或氫氟酸以及檸檬酸。其中HCl的酸洗主要用于碳鋼,后二者主要用于不銹鋼酸洗。硝酸或氫氟酸酸性較強,它利用的是使垢剝落的原理進行除垢,且容易產生腐蝕;而檸檬酸是通過絡合作用來除垢,酸性較弱。筆者以甲醇換熱器為例分析損壞原因。鎮海煉化公司的E9、E10酸洗時,管束材料是碳鋼,使用HCl酸液,酸洗后換熱器下部的酸液沒有及時排盡,使一些殘液停留在下管板死區,在大修停工期間產生酸性腐蝕,使管子損壞;上海某化工廠一臺36t繞管換熱器,使用氫氟酸溶液進行酸洗,由于氫氟酸對焊縫的腐蝕性相當強,酸液滲入到管板接頭間隙,導致管頭焊縫裂開;寧夏化工廠15E6HNO3液除垢,HNO3除垢后將產生大量Fe3+,酸洗時間稍長,使Fe3+含量遠大于6×10-4的標準值,Fe3+依附于管子產生腐蝕,再加上HNO3酸洗時間長,沒有及時排盡,酸液本身就產生較強腐蝕,導致管束損壞。
   目前,比較成熟的酸洗方法應是采用酸性比較弱的檸檬酸,采用多次少停留的辦法,對一臺換熱器進行多達56次酸洗,每次時間短,沖洗干凈,使得Fe3+不超標并且及時帶走,保證換熱器不受腐蝕。
    除垢清洗技術的正確使用對換熱器壽命非常重要,應用管理中必須引起高度重視,采用合理的工藝方案進行酸洗。
3.3 裝置操作的管理
    纏繞管由于原料雜質問題引起質量問題的也不少,按照設計要求,纏繞管式換熱器用于介質雜質少、容易清洗的場合,因為纏繞管換熱器為了追求其緊湊性,管間距與層間距的間距比較小,所以對原料的要求也較高。一旦裝置波動等就可能引發原料雜質多而容易造成堵塞。因此,要有效地在操作上做好以下幾方面:
a.原料的選擇。原料的雜質含量必須嚴格控制,雜質含量增加會使部分雜質粘附于層間的支撐件上,這樣隨著時間延長,容易造成通道堵塞,致使換熱面積大幅降低。
b.系統結構設計合理。為防止粗大雜質進入換熱器,要在系統的上游增設過濾網,過濾網的目數要視雜質大小而定,原料通過過濾后才能進入換熱器,這樣防止了原料在管殼程內部造成堵塞。
c.增加反沖洗裝置。在換熱器運行過程中,雜質容易向下沉積,一方面堵塞流道,另一方面產生垢下腐蝕,因此在換熱器的下部增設反沖洗,通過氣泡的形式,攪擾內部的沉積雜質,使雜質一起隨介質流走。另外,在裝置操作中要特別注重開停車的溫度和壓力的升降,要嚴格控制升溫的速度和壓力的匹配,否則容易造成熱脹冷縮不均勻等破壞管頭連接。
3.4 設備修復方案的正確選用
   纏繞管換熱器一般運行周期較長,但經常出現問題,主要問題有堵塞、管子泄漏和管口泄漏等,正確選擇合適的修復方案對裝置十分重要。換熱器出現堵塞后,疏通的方法有兩種:一種是用高壓水槍沖洗,主要針對堵塞不是很嚴重的情況;第二種就是用酸清洗辦法,主要用于嚴重堵塞。如換熱器經查出現了管子泄漏,那只有在試壓查漏明確的情況下進行堵管。換熱器出現了管子泄漏問題,要分兩種情況進行修復:管口數量少,則采用堵管辦法;管口數量較多,堵管后會嚴重影響換熱效果,則宜選用抽芯補焊的辦法修復繞管,纏繞管式換熱器的抽芯修復雖然復雜,但修復成功的事例較多。
4 纏繞管換熱器的應用前景分析
   纏繞管換熱器目前較多地應用于化工領域的深冷裝置,如空分和甲醇裝置,隨著國內對纏繞管換熱器研究的深入,國內多家單位不斷攻關,擴大纏繞管換熱器的應用領域已取得初步的成績,主要有以下幾方面趨勢。
4.1 纏繞管換熱器的大型化
   由于纏繞管換熱器特殊結構設計,它封頭小,管子可以長達數百米,目前已開發制造了一些大型的纏繞管換熱器。圖3(略)為一臺德州石化所使用的大型繞管換熱器,該換熱器尺寸為1600mm×20000mm,重達60t,換熱面積為2000m2,是普通類似殼體換熱器的2倍左右。隨著裝置的大型化,這種纏繞管換熱器也要求不斷大型化。而普通列管式換熱器由于管子限制無法把換熱器做大。
4.2 纏繞管換熱器的高溫化
   纏繞管換熱器具有高效的換熱性能,但目前基本上應用于深冷裝置。從2001年開始合肥通用所等企業開始研究應用于高溫場合的纏繞管換熱器(4)(略),并于2002年在鎮海煉化投用,這種換熱器采用CrMo鋼耐高溫材料,操作參數見表4。經過幾年運行,該換熱器的性能完全達到使用要求,質量也較可靠。這種產品的成功應用,使得纏繞管換熱器的應用領域大大拓寬,可以從低溫應用轉向高溫應用,只要介質允許,在煉油行業也可以充分發揮繞管換熱器的優點[3]。
4.3 纏繞管換熱器的高壓化
   纏繞管換熱器目前多應用于殼程壓力高,管程壓力低的場合,一般殼程壓力達到15.0MPa,而管程壓力普遍小于5.0MPa。由于纏繞管換熱器設計結構特點是管板小,殼程大,兩端入口封頭小,該結構能克服普通高壓換熱器的弊病。普通高壓換熱器均采用浮頭式或U形管式,當壓力提高,不僅殼體厚度加大,而且法蘭的強度等級要大幅提高,一般的高壓換熱器如壓力大于10MPa,當做到1.4m,換熱器將是非常龐大,法蘭也非常厚。而且隨著裝置的大型化,高壓換熱器也需要不斷擴大,這就給制造帶來麻煩,如加氫裂化的鎖緊環式高壓換熱器,管程壓力14.5MPa,殼程壓力為18.5MPa,直徑為1.4m,其中換熱器的管箱重量就已達45t,制造非常困難,若改做浮頭式換熱器則很難保證換熱器的密封等要求。因此,隨著加氫裝置的大型化,鎖緊環換熱器也要大型化,要向1.6m1.8m發展,不但制造難度大,而且由于結構龐大,檢維修將十分困難。而纏繞式換熱器卻可通過加長長度來增大面積,而兩端的小管板使得連接法蘭小,容易制造。目前國內一些單位正在進行研究,以纏繞管式換熱器逐步替代煉油行業一些高壓換熱器,如加氫裂化和重整等裝置。
4.4 纏繞管換熱器的多股化隨著應用的成熟,纏繞管換熱器逐步實現多股流換熱,這是其他換熱器無法比擬的特殊性能。一臺換熱器一種殼程介質可同時跟兩種或3種介質同時換熱,這樣可以大大提高裝置的換熱效率和換熱空間。目前,國內的多股流換熱器研究制造逐步開始,已有部分產品投入應用,5(略)為巴陵石化的多股流換熱器[4]。
4.5 纏繞管換熱器的微型化
   纏繞管式換熱器由于其高效的換熱性能,它在向大型化發展的同時,也正逐步向微型化發展。在一些空間受到限制的地方,常規換熱器達不到熱交換的要求,而采用纏繞管換熱器能在同樣空間可滿足要求。正是由于這種良好性能,纏繞管換熱器已在微型領域使用。圖6是某軍工產品使用的纏繞管換熱器,由于該軍工產品空間有限,經過反復比較,最終選擇了這種產品,在有限的空間實現換熱。
5 結束語
  纏繞管式換熱器是一種新型高效換熱器,如何正確地進行設備的全過程管理對裝置運行相當重要。并且隨著應用的不斷成熟,其應用領域日益擴大,將發揮越來越大的作用。



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