彩涂生产线2号换热器常见问题及处理方法
摘要：针对彩涂生产线2号换热器存在的常见问题,认为热膨胀应力是导致换热器损坏的主要原因。建议从系统管线、换热器本体以及操作等方面消除应力,提出了具体的改进和维修的方法。
我国主要钢铁企业有近10条彩涂生产线采用意大利法塔公司的“清洁后燃烧系统”技术,2号换热器是该系统的热能交换中心,用来自焚烧炉的760℃-800℃的烟气将58500 Nm3/h、20℃的洁净空气加热至650℃的热风。由于设计、制造、使用等多种因素,几乎所有生产线的2号换热器均出现不同程度的换热管烧损、管板开裂造等问题,直接影响到炉子系统升温速度和机组工艺速度,影响到产量和质量,甚至设备整体报废。马钢两条彩涂线也都出现类似状况,后经分析原因,采取了相应的改进和维修措施,使热风温度能保持在610℃-620℃,基本能满足生产的需要。
1·存在的主要问题
马钢彩涂线2号换热器为卧式管壳式、“气/气”换热器,分为低温和高温2段,每段由4000多根不锈钢换热管焊接在管板上,外形尺寸长14.89m、宽3.30m、高4.05m,自重达75t。2号换热器周边设施连接情况如图1、图2所示。经过一段时间的使用,出现了2个严重影响设备性能发挥的的问题,即2号换热器换热管(板)受损开裂、脱焊(如图3),烟气入口部位的封头出现变形、脱焊(如图4)。同时,外保温层耐火材料脱落损坏。设计要求2号换热器工作2小时以内,能够将冷风换热到生产工况,但由于上述问题出现,换热效率大大降低,洁净冷空气升温时间需要5-6小时才能达到生产条件。在生产过程中,往往因不能满足涂料固化所需温度而降低工艺速度。
2·原因分析
2·1系统管线设计上的缺陷
图1中,膨胀节812在原设计中是没有的,膨胀节808允许的径向补偿量为15 mm。2号换热器本体固定支座位于中点,经计算,热态下高温段长度方向的膨胀量为55mm,封头部分的膨胀量为25mm。考虑到W管与焚烧炉、2号换热器之间连接高温管道的长度基本相等,因此,沿着2号换热器长度、逆着烟气方向的热膨胀位移是上述膨胀量之和,将达到80 mm,而这个位移需要由膨胀节808的允许径向补偿量15 mm来满足,显然是无法实现的。同时烟气入口端封头在热态下承受较大的载荷(沿着2号换热器管束方向),最终导致了膨胀节808和2号换热器烟气入口端封头的损坏。此外,热风出口处管道的膨胀节805对换热器本体垂直方向的作用力较大,而膨胀节805随着换热器本体的水平滑动发生径向变形,这都阻碍了换热器的正常滑动。
2·22号换热器本体结构上的缺陷
2.2.1高温段烟气入口处的封头设计不合理。封
头钢板材质为0Cr25Ni20、厚度4 mm,采用外保温,在高温烟气直接冲刷和热膨胀作用下容易发生热塑性变形而不能恢复。封头与壳体焊接在一起,热膨胀反力集中作用在四角,造成壳体、管板开裂。
2.2.2高温段管板材质为0Cr25Ni20、厚度δ仅12mm。管板上穿换热管的孔径Φ26 mm,孔中心距37mm,管桥长度仅11 mm,在热力作用下容易龟裂。2.2.3高温段只有1块厚度为8 mm的换热管隔板,及支撑梁刚性不够,造成近7m长的换热管在热态下容易出现坍塌,换热管不能够顺利热胀冷缩,从而导致4000多根换热管对两端的管板作用力不均,引起隔板移位和高温烟气入口侧换热管与管板脱落、管板自身变形开裂等。
2.2.4换热器本体的支座设计不够合理。固定支座的位置选择不合适,滑动支座的数量及滚动体设计有缺陷,造成换热器受热后不能自由移动且停炉后不能复位。
2·3 设备操作使用上的原因
因生产不饱和,频繁点炉、停炉,自重75 t的2号换热器要经常经受热胀冷缩。升温制度不够规范,对设备的损坏也有较大的关系。
3改进和维修措施
根据2号换热器存在的问题及对劣化过程的观察分析,认为从结构上消除热胀冷缩产生的应力是解决问题的关键。主要是解除相关联设备的应力作用;解除管板与壳体之间的应力作用;解除管程与管板、隔板间的应力作用。通过计算壳体和管程最大、最小膨胀量及管程在不同温度下的挠度,计算壳体膨胀推动力和滑动支座横向移动量,并研究相关膨胀节的性能参数,采取了具体的应对措施,如图5所示。
3·1将高温换热段分解成高温段和中温段。由于膨胀差ΔL=λL0ΔT,其中金属线膨胀系数λ和换热温差ΔT不能改,而改变换热段原长度成为唯一选择。分段后增加了二块管板、一个箱体膨胀节,在中温段设置4000多根单管膨胀节、二组滑动支座使高温段管壳差减少一半。箱体膨胀节解除了壳程之间、壳程与管程间的作用力,而单管膨胀节对中温段换热管与管板、换热管间起到补偿作用。
3·2在烟气高温进口端增设烟道箱,以便直接作用于管板的高温烟气温度较平均,减少管束的温度床不均现象。同时,烟道箱与2号换热器之间用矩形膨胀节结构来加以密封,解除了2号换热器与W管间的作用力。
3·3烟道箱与管板间采用非金属膨胀节,解决高温烟气进口管路对本设备(管板)的作用力。
3·4高温烟气进口端封头与W管间增设膨胀节812,以消解2号换热器本体与W管之间的作用力。
3·5增加了高温烟气进口端管板的厚度至20mm,管板的强度得到了较大的提高,避免产生开裂现象。
3·6为解决中间隔板移位的问题,加大了其支撑梁的尺寸并设置了定位块,确保了隔板定位,避免管束产生较大的挠度。
3·7为了减少或者解除2号换热器本体与系统管线之间的相互作用力,广泛应用了非金属补偿器技术。如图5所示,非金属膨胀节805减少了高温段壳体与热风出口管之间的作用力,非金属膨胀节806解除了低温段壳体与冷风管道之间的作用力,非金属膨胀节811解除了低温段壳体与低温烟气管道之间作用力。
3·8优化支座的设置形式,支座的位置、结构及其数量均进行了改进。低温段和中温段,固定支座位于烟气进口端管板下方,滑动支座位于管板、隔板的下方;高温段,固定支座位于烟气出口端管板下方,烟气进口侧设置现场安装的门式倒挂可调摆动滑动支座,中间的隔板下方设置滑动支座。增加滑动支座的滚轮数量,加大滚轮直径。滑动支座采用铜质滑动轴承,增加干油集中润滑系统。以上措施消除了管程以及壳程位移时的阻力。
3·9采取上述措施后,在操作使用方面也制定了相关规定,一是要均衡生产,减少点炉、停炉次数,二是优化升温制度。
4结语
通过改进和维修,管板和换热管的应力问题得到初步解决,满足了生产的需要。这对于同类型的设备的设计、制造和使用具有借鉴意义。在理想工况下,2号换热器的设计寿命为8年,国产备件总的重置成本需要近800万元人民币,进口设备更昂贵,延长使用寿命的直接效益是很明显的。
2号换热器体积庞大,制造、运输和安装都很困难,而且主要问题都出现在高温段烟气入口附近。为了从根本上解决这一系列问题,今后可以从两个方面进一步革新。一是将整体设备按照3个独立单元设计、制造,各单元间的热膨胀和滑动互不影响,备件更换按单元进行。二是换热管和管板间由两端焊接,改为一端焊接,一端在管板孔内浮动,彻底消除二者之间的应力。
参考文献
[1]杨世铭,陶文铨.传热学(第4版)[M].北京:高等教 育出版社,2006.8
[2]王秉铨.工业炉设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000.6
