波纹管在大温差换热器上的应用
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。
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,mm
δt,δs ———分别为列管和壳体的自由伸长量,mm
σt,σs ———分别为列管和壳体的温差应力,MPa
Et , Es ———分别为列管和壳体的弹性模量,MPa
A t ———换热管总截面积,m2
A 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。
