多套管预热器

多套管预热器（精选四篇）

多套管预热器 篇1

某公司以德国Lurgi低压合成技术、年产60万吨天然气制甲醇装置, 其生产设备高压锅炉给水预热器属于三类压力容器 (表1) , 固定管板结构、立式安装。高压锅炉给水预热器的管程为转化气, 壳程为高压锅炉给水, 利用转化气的热量与高压锅炉给水换热, 从而提高热能的利用, 降低装置生产能耗。该高压锅炉给水预热器2006年投用, 2010年定期检验未发现缺陷, 2014年10月装置正常生产过程中发现管箱筒体纵向焊缝附近 (图1虚线位置) 往外泄漏大量的高氢转化气, 装置随后紧急停车检修。经过进一步的检查, 发现该设备存在以下缺陷。

(1) 肉眼可见管箱筒体外壁1条L=200 mm的裂纹, 裂纹平行管箱筒体纵向焊缝 (图2a) 。

(2) 打开人孔, 进入管箱内部PT检测, 发现筒体爆炸复合板0Cr18Ni10Ti不锈钢衬里上布满大量龟裂纹 (图2b) 。

(3) 进入管箱内部对主裂纹进行打磨, 发现在纵向裂纹周围分布有大量垂直于焊缝裂纹的横向裂纹, 裂纹长度最长达200 mm (图2c) 。

2 原因分析

管箱筒体材料为基材15Cr Mo R+覆层0Cr18Ni10Ti爆炸复合板, 厚度为22+3 mm。根据现场检测和图2可以看出, 外壁纵向裂纹主要出现在焊缝热影响区, 内部不锈钢衬里呈爆炸性状裂纹。可能原因如下。

(1) 材料本身不合格, 材质成份不达标。

(2) 爆炸复合板的贴合率不达标, 长时间运行出现基层与覆层的剥离, 在内应力作用下覆层出现裂纹随后扩展至基层, 导致出现基层裂纹。

(3) 焊缝热处理效果不理想, 导致热影响区的15Cr Mo R材质硬度超标, 在热应力及温差应力的作用下, 裂纹沿着材料抵抗力最弱区域和承受周向最大主应力方向开裂。

(4) 复合板内壁不锈钢覆层衬里在主裂纹周围出现大量的龟裂纹, 可能是基材与覆层材料不同热膨胀系数的热应力引起。在100~400℃, 15Cr Mo R热膨胀系数为11.9~13.7×10-6/℃, 0Cr18Ni10Ti热膨胀系数为16.0~17.5×10-6/℃。当基层与覆层的瞬间温差产生的热应力超过0Cr18Ni10Ti材料的最大抗拉强度时导致萌生裂纹, 多条裂纹同时产生最后扩展延伸汇合形成爆炸性状裂纹。

查阅设备原始资料发现, 原材料的出厂检验及设备制造时进货复验均为合格, 可以排除材料本身缺陷。查DCS曲线发现该设备在实际运行中管程出现温度瞬间升高的情况, 因此温差热应力引起的开裂因素比较大。

3 制定修复方案

由于高压锅炉给水预热器既要为高压汽包提供产蒸汽的锅炉水, 又要承担转化气的冷却功能, 若设备停车, 则整套装置必须整体停车, 因此制定修复方案的原则就是尽快在现场修复设备缺陷以恢复装置生产。鉴于设备出现的问题, (1) 不锈钢覆层爆炸性状裂纹太多 (图2b) , 打磨补焊相当困难; (2) 基材不但有纵向裂纹还有横向裂纹, 且该裂纹在热影响区, 补焊前必须将原纵焊缝一并打磨, 这样造成焊缝宽度超宽给焊接带来很大的困难; (3) 该筒体材料为爆炸复合形成, 由于地处海南, 紧急采办该材料至少需要15天, 因采办时间过长停产造成的损失过大。如果将裂纹密集区域15Cr Mo R+0Cr18Ni10Ti爆炸复合板更换成15Cr Mo R外壁板+0Cr18Ni10Ti内衬板, 这样就能大大缩减修复时间, 预计5天时间就能完成设备的修复。经过与检修单位反复商榷, 最后确定修复方案: (1) 确定覆层裂纹密集区域尺寸; (2) 对确认的区域进行切割; (3) 打磨焊接坡口; (4) 对母材坡口100%PT检测; (5) 15Cr Mo R外壁板卷弧组对焊接; (6) 外壁板焊接; (7) 焊后消氢、焊缝100%RT检测; (8) 消应力处理、硬度测定; (9) 0Cr18Ni10Ti内衬板卷弧组对焊接; (10) 内衬焊缝100%PT检测;内部卫生清扫、回装人孔;检修结束。计划不间断施工120 h完成设备修复工作。

4 修复工作

(1) 在设备降温、降压和采取隔离措施等安全情况下, 施工人员进入管箱内部确定裂纹密集区域尺寸:长×宽=850×800 mm。

(2) 由于管箱筒体覆层为0Cr18Ni10Ti不锈钢材料, 先用磨光机打磨干净切割线周围100 mm范围内的不锈钢覆层, 再用火焰切割方法沿切割线切割筒体壁板 (图3a) 。

(3) 按照30°角打磨管箱筒体的焊接坡口, 100%PT检测坡口、母材是否有裂纹, 若有裂纹必须将裂纹打磨干净后方可进行组对焊接。

(4) 筒体壁板组对焊接, 氩弧焊打底, 手工焊填充和盖面, 每焊完一层必须清根、打磨干净焊渣, 内侧焊缝打磨与母材平齐;焊接规范见表2, 壁板焊接完毕如图3b。

(5) 焊接完成后立即消氢处理, 冷却后对焊缝进行100%RT检测, Ⅱ级合格。

(6) 焊缝检测合格后进行焊后消应力处理, 热处理规范为400℃后升温速度控制在55~180℃/h, 保温温度为650±10℃×1 h, 降温速度控制在55~220℃/h, 400℃后以较快速度降至50℃以下100%UT检测合格, 测定焊缝及热影响区母材硬度值合格。该预热器为立式安装, 为防止热处理时设备失稳, 在热处理前用100 t吊车将设备吊好并使吊车稍微吃力。

(7) 组对0Cr18Ni10Ti内衬板, 基层与覆层之间过渡焊缝采用ER309焊丝焊接, 不锈钢内衬之间焊接采用ER308L焊丝盖面焊。自然冷却后内衬焊缝100%PT检测I级合格。

(8) 设备修复完毕后打扫设备内部卫生、依次回装内人孔、外人孔。检修结束, 设备交付使用。

5 结束语

本次检修共耗时120 h, 克服了受限空间作业、无合金复合板材料备件、热处理时确保立式设备的稳定等困难, 实现现场5天快速修复成功交付使用, 为恢复生产赢得宝贵时间, 设备重新投用2个月后打开设备人孔内部检查未见异常, 投用至今已有1年时间, 设备修复部位未出现泄漏, 设备运行正常。本方案切实可行, 期间严格的热处理工艺、各工序之间的无缝对接是保证修复质量和进度的关键。

摘要：分析高压锅炉给水预热器管箱筒体裂纹形成的可能原因, 制定设备修复方案, 修复后的设备重新投用1年后运行稳定, 未出现任何问题。

关键词：高压锅炉给水预热器,筒体裂纹,修复

参考文献

[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京:机械工业出版社, 2002.

固定管板式换热器金属壁温取值探析 篇2

摘 要 固定式管板换热器金属壁温的选取对管板强度计算非常重要，由于工程实际中介质成份往往很复杂，计算中许多参数难以精确确定。为使计算过程变得简单易行且安全合理，本文根据多年来大量工作实践，对GB151中附录F计算过程进行简化。

关键词 固定管板；换热器；金属壁温

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）04-0201-02

固定管板式换热器计算中，管壳程金属壁温值对换热器壳体轴向应力σc、换热管轴向应力σt及换热管与管板之间的拉脱应力q等影响较大。设计此类换热器时，需慎重选择金属壁温。通常情况，工艺专业可通过相关软件计算出金属壁温，我们也可以根据GB151中附录F进行计算得出。实际工程中由于化工物料繁多，且不以单独介质存在，介质参数并不能很好确定。因此，有必要对附录F中的计算过程进一步简化，最大程度保证换热器设计的安全。金属壁温与管板应力的关系。

固定管板式换热器计算过程中，金属壁温是通过换热管与壳程圆筒热膨胀变形差γ=αt（tt-to）-αs（ts-to）对应力加以影响的，单独的管程或壳程自由变形并不产生任何影响。计温差应力情况下各种危险应力均通过有效压力组合Pa=∑sPs-∑tPt+γβEt导出。根据弹性变形原理，应力与应变成线性关系，可认为换热器中各类危险应力与变形差的关系近似为一次线性关系，即σmax∝γ。

GB151中关于温差应力对换热器的影响分两类情况进行计算，第一类仅考虑了管壳程危险压力组合，没有考虑温差应力；第二类不仅考虑了管壳程危险压力组合，还增加了温差应力的影响。当我们选取了一个热膨胀变形差|γmax|，通过计算换热器合格，即γ=0或者γ=|γmax|时，换热器都合格。根据σmax∝γ可以推出，换热器实际操作中，变形差0≤γ≤γmax（当γmax≥0）或γmax≤γ≤0（当γmax≤0）都应该满足要求。流体的平均温度

GB151附录F中流体的平均温度并不是完全选取介质进出口温度的平均值，根据介质流动状态分两种情况（所有符号按附录F）。

液体的平均温度（过渡流及湍流阶段）

Tm=0.4Ti+0.6To（F6）

tm=0.4to+0.6ti（F7）

液体（层流阶段）和气体的平均温度

Tm=0.5Ti+0.5To（F8）

tm=0.5to+0.5ti（F9）

液体的流动状态可以根据雷诺系数（d为定性尺寸，管程取换热管内径，壳程取换热管外径）确定。当Re<2300，为层流状态，其余情况为过渡流及湍流阶段。当介质发生相变时，由于对流给热系数一般较大，相当湍流阶段，按公式F6，F7选取比较合适。

实际操作中，由于各类参数的缺失，对换热器介质的流动状态并不能确定。此类情况下，出于安全考虑，我们应当选取能体现最大正膨胀变形差或者最大负膨胀变形差的相关公式。根据γ数值大小与管壳程材料有关，下面分两种情况进行说明。一是管壳程材料相同时，即材料线性膨胀系数相同，则γ=αt（ts-tt）=αs（ts-tt）。无论温差多少，换热器只会存在单一的正膨胀或者单一的负膨胀，则可选取体现温差最大者，即热流体平均温度按公式F8，冷流体平均温度按公式F7。二是管壳程材料不同（例如：换热管为不锈钢，壳程为碳钢或低合金钢），因奥氏体钢线膨胀系数较碳钢或低合金钢大很多，当金属温度偏高者（一般为热流体侧）为碳钢而另外一侧为不锈钢时，则应该考虑两种情况：①冷热流体温差最大的情况，即热流体侧平均温度按公式F8，冷流体侧平均温度按公式F7；②冷热流体温度差最小的情况，即热流体侧平均温度按公式F6，冷流体侧平均按公式F9。对流给热系数

换热器金属温度的计算难点在于对流给热系数的确定。《化工原理》中列出了几种情况的计算方法（本文略），主要分无相变流体和有相变流体两种。换热器管壳程介质有时候并不是单一流体，而混合溶液的物性参数却无从查询。对流传热过程是指由于密度差或者外力的作用产生流动，从而与壁面进行热量传递。根据这一机理，混合溶液的对流传热系数应该为各组分对流传热系数与质量分数的乘积之和，即：。

在实际操作中，由于物性参数的缺失，导致对流给热系数无法计算，下表列出了几种对流传热条件下，对流传热系数的大致范围，以作参考。

传热方式 对流传热系数 W/（?O?℃）

空气自然对流 5 ～ 25

气体强制对流 20 ～ 100

水的自然对流 200 ～1000

水的强制对流 1000 ～ 15000

油类的强制对流 50 ～ 1500

水蒸气的冷凝 5000 ～ 15000

有机蒸汽的冷凝 500 ～ 2000

水的沸腾 2500 ～ 25000

壁温计算

4.1 换热管壁温的计算

根据GB151附录F，壁温计算公式为：

当介质参数缺失时，需要对各类参数进行估算，以保证设备设计的安全。

当管壳程材料相同时，或材料不同但金属温度偏高者为不锈钢时，取管壳程温差最大值即能保证设计安全。当管程为热流体时，则、选小值，、选大值；当管程为冷流体时，则、尽量选大值，、尽量选小值。

当金属温度偏高者（一般为热流体侧）为碳钢而另一侧为不锈钢，设备计算结果有可能存在正膨胀变形差或者负膨胀变形差两种情况，因此需按下表取相关参数进行计算。

管程为热流体 管程为冷流体

温差最大时 温差最小时 温差最大时 温差最小时、小值 大值 大值 小值

、大值 小值 小值 大值

4.2 壳程壁温的计算

圆筒外部有良好的保温，或壳程流体温度接近环境温度，或传热条件使得圆筒壁温接近介质温时，壳体壁温取壳程流体的平均温度。

其它情况下，壳程壁温计算方法与管程相同，只不过壳程两侧的介质改为壳程介质和做自然对流的空气。工程实际中估算及误差

工程实际应用中遇到的绝大多数固定管板换热器为冷凝器和再沸器（主要为塔设备釜液分离用），现举例如下（由于篇幅所限本文略去金属壁温实值计算过程）：

例1 有一固定管板换热器（管壳程保温良好），壳程进、出口温度Ti=80℃，To=65℃介质为热水；管程进、出口温度ti=40.88℃，to=40.91℃介质为丁二烯，壳体材料Q245R，换热管材料20。金属壁温估算取值为：壳程Th=（80+65）/2=72.5℃，管程tc=（40.88+40.91）/2=40.9℃。根据工艺数据计算实值：壳程Th=71℃，管程tc=56℃。显然估算值是安全的。经SW6软件计算，金属壁温估算值与实值对应应力结果相差

很小。

例2 有一固定管板再沸器（管壳程保温良好），壳程进、出口温度Ti=170℃，To=170℃介质为过热蒸汽；管程进、出口温度ti=95℃，to=105℃介质为有机水溶液，壳体材料Q245R，换热管材料S30408。金属壁温估算取值为：壳程Th=170℃，管程tc=（95+105）/2=100℃。根据工艺数据计算实值：壳程Th=170℃，管程tc=130℃。因管壳程材料不同，经SW6软件计算，壁温估算值与实值对应应力结果相差很大。前者壳程不加膨胀节能设计出合格管板，而后者换热管轴向应力失稳，需加膨胀节才能设计出合格管板，显然估算值是不安全的。

例3 有一固定管板冷凝器（管壳程保温良好），壳程进、出口温度ti=32℃，to=40.31℃介质为循环水；管程进、出口温度Ti=130℃，To=80℃介质为废水，壳体材料Q245R，换热管材料S30408。金属壁温估算取值为：壳程tc=（32+40.31）/2=36.155℃，管程tc=（130+80）/2=105℃。根据工艺数据计算实值：壳程tc=36.17℃，管程Th=45.42℃。因管壳程材料不同，经SW6软件计算，壁温估算值与实值对应应力结果相差很大。前者换热管轴向应力失稳，需加膨胀节才能设计出合格管板，而后者不加膨胀节能设计出合格管板，显然估算值偏安全造成浪费。结论

外螺纹管换热器性能的实验研究 篇3

【摘 要】除光管外，换热器还可采用各种各样的传热管，如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。本文通过结构尺寸相同的光管和外螺纹管换热实验，结果表明，在相同的条件下，外螺纹管换热器的总传热系数优于光管换热器。

【关键词】光管换热器；外螺纹管换热器；总传热系数

0.前言

换热器，顾名思义，就是换热设备。其主要作用是将热量由温度高的流体介质传递到温度低的流体介质，以达到工艺使用要求。近年来，经济的飞速发展，换热器行业也迎来了前所未有的春天。设备整体制作质量相对提高的同时，对节能增效、提高传热效率的要求也越来越高。本文结合公司承接某公司工程一批螺纹管换热器项目，决定对外螺纹管换热性能开发项目，选用光管与外螺纹管换热性能的实验对比。

1.外螺纹管的概述

外螺纹管，又称作高效换热管，一般在普通光管外表面上，通过环向挤压法或者连铸连轧加工而成。我国虽然对高效换热器的生产研究相对比国外晚，但由于由于生产力的发展，以及引进与吸收国外的生产技术，一些大型企业经历了从仿制到自主创新的曲折道路，取得了丰盛的成果。目前市面上销售的外螺纹管材料规格多种多样！技术发展程度比较成熟。

2.外螺纹管的高效原理

外螺纹管的高效原理，主要是其复杂表面引起两种作用：

（1）增大有效传热表面积，根据传热公式可知，面积的增大会直接增加传热总量。

（2）促进流体边界层的湍流度。

3.实验

3.1实验目的

目前换热器市场一，各厂家都在加紧研制高能效比、低成本的换热系统。外螺纹换热管的传热性能对换热器有重要影响，实验得到的各主要参数，对设计换热器产品性能在大幅度的提高，同时优化单位长度质量、节省原材料有很大的帮助。

3.2实验方案及数据处理方法

在相同试验工况下，对具有相同外径ф12mm×1.5mm的光管和外螺纹管进行传热试验。以得到普通的光管换热管传热性能参数为基准，将其与外螺纹管换热管得到传热性能对比。为保证实验数据的准确性，在收集数据方面由2个人负责对同一测量温度计进行读写记录，取其平均值作为最终的测量数据。

3.3实验装置及工艺

本次实验装置如下图1所示， 采用规格均为ф108mm×4.5mm的无缝钢管作为壳程；分别由4根ф12mm×1.5mm的光管和外螺纹管以按矩阵排列型式；各换热器壳程中心处设有两个ф20测温孔，实验时用于放置温度计；左端管箱出水口设有控制流量的球阀，右端管箱设有进水口与热水管相连接。本换热器系统设为：壳程以同等温度的自来水作为传热介质，管程内走热水。

3.4实验主要流程

第1步：准备好记录表，以及相关实验人员就位。

第2步：灌满试验换热器壳程同样温度的自来水。

第3步：灌满冷水后，取4支温度计分别放在ф20洞口正中心，不能碰到管口壁（当然这是采用已制定好的专用温度计固定架）。

第4部：开启热水阀。

第5部：每格1分钟，对温度计的实际温度进行读数，并填写记录。

3.5 实验结果

4.结论

从实验数据显示，外螺纹管由于外表面积的增大对换热系数的提高有很大的促进作用，也有效地提高了换热质量，能达到理想的效果。通过这个实验，得出选用外螺纹管换热，能为企业节省15%的换热材料。具有很好的经济效益和社会效益。因此，在相同换热量条件下，用外螺纹管换热器代替光管换热器可以缩小设备体积，减轻设备重量，减少企业的投资。

【参考文献】

[1]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].化工工业出版社，2002.

多套管预热器 篇4

1空气预热器的结构及原理

1.1热管的结构及原理

热管是空气预热器的核心元件,其性能的好坏与空气预热器整体运行状况优劣密切相关。我装置加热炉空气预热器所用的为重力式气—气热管换热器,工作介质为水,由管壳和工质两部分组成,以相变潜热传热和同相显热传热相结合的方式进行工作,传热效率高,结构简单,检修方便。

1.2空气预热器结构组成

我装置常压炉和减压炉烟气余热回收系统中均采用的热管式空气预热器,主要由翅片式热管束、上箱体、下箱体、中隔板、顶盖和壳体绝热保温层组成,上盖、上箱体、中隔板、下箱体之间均采用石棉绳密封,下箱体走高温烟气,上箱体走冷空气, 烟气和空气由引风机和鼓风机强制在各自的流通空间逆向流动,每支热管都是一个独立的传热元件。为了定时清除沉积在热管翅片表面的积灰,采用固定式蒸汽吹灰器。我装置热管式空气预热器设计参数见下表。

2热管空气预热器存在问题及原因分析

2.1热管检修及更换情况

两炉烟气余热回收系统自投用以来,因热管结垢、腐蚀问题使用周期一直较短,影响到装置余热回收系统长周期运行。

2.2热管空气预热器运行工艺状况

热管式空气预热器经检修清洗或更换的新热管,运行时间超过半年后,换热效率明显下降,排烟温度上升,预热空气温度大幅度下降,影响加热炉余热回收系统的正常运行,无法适应装置长周期运行需要。

3热管空气预热器运行失效原因分析

根据对检修时拆下的热管现场鉴定,两炉空气预热器热管运行失效,主要是腐蚀泄漏或翅片脱落、爆管、结垢和工质发生变化几个方面原因造成。

3.1腐蚀泄漏或翅片脱落原因分析

3.1.1为了防止烟气露点腐蚀,设计烟气出口为180℃,而装置在检修后开工初期,由于热管运行效率高,烟气排烟温度较低,使烟气出口侧的几排热管产生严重腐蚀,导致翅片脱落,有的热管壳体腐蚀穿孔。腐蚀机理如下:

烟气中SO2与过剩氧反应

SO2+O2→ SO3

SO3+H2O → H2SO3

3.1.2空气预热器为了清除积灰采用固定式蒸汽吹灰器,在预热器下箱体中间安装两排蒸汽喷射管,由于吹灰蒸汽常常达不到要求温度,甚至带水,与烟气中SO3形成高浓度的酸液腐蚀热管,与烟尘混和呈泥状,粘附在翅片上形成垢层,影响热管传热。

3.1.3对于气-气热管换热器,蒸发段在操作过程中外热内冷,翅片较管子膨胀多,翅片极易与管子脱开,而在冷凝段则与此相反。

3.2积灰结垢原因分析

3.2.1吹灰后带有一定湿度的灰垢与腐蚀产物结全,形成沉积物,沉积在蒸汽喷射不到的热管翅片上。

3.2.2装置加热炉使用炉管清灰剂,其主要成份为硝酸盐、 铵盐和铜盐,未燃烧完全或燃烧后产物,随烟气进入空气预热器在热管上形成坚硬的盐垢。

3.2.3固定式吹灰器间断使用(一周一次),蒸汽线内锈皮堵塞蒸气喷射孔,部分热管翅片吹不到,加剧了灰尘积集。

3.3爆管及工质发生变化原因分析

3.3.1该地区冬季气温最低可达-30℃,对于水工质热管冬季停用不采取相应防冻措施,很容易造成冻裂损坏。

3.3.2因预热器中隔板堵孔腐蚀脱落操作异常,燃料气因引烟机作用被吸入空气预热器,在空气预热器内形成剧烈燃烧, 温度高达830℃,热管部分产生爆裂。

3.3.3水热管内壁虽进行了钝化处理,一旦干烧或超温钝化层立即被破坏,在管内产生不凝气体-氢气,从而在热管上部形成导热死区,影响传热效果。

4改进措施

4.1为了避免蒸汽吹灰带来的吹灰不彻底、结垢和腐蚀问题,应用声波吹灰技术。

4.2为了保证翅片和管子在高温操作条件下紧密接触,在烟气段采用高频焊接,空气段紧帖管壁缠绕,翅片端头点焊固定。

4.3为消除导热死区,防止工质低温冻结、高温超压,可采用工质由多种无机活性金属及其化合物混合而成、温压比较小的超导热管。

4.4根据预热器的实际需要,定制热管时选择合适的翅化比,以调整出口烟气温度,避免减少热管根数后造成中隔板堵孔。

4.5减少燃料气中的硫含量,加热炉控制好“三门一板”,过剩空气系数控制1.02~1.10之间低氧燃料,控制SO2转化成SO3的量,降低露点腐蚀。

4.6采用烟道挡板与鼓风机、引烟机的自动连锁控制,鼓风机或引烟机停用自动打开烟道挡板,防止热管干烧损坏或焖炉。

4.7加强空气预热器操作管理,冬季引烟机停用,立即停用鼓风机,防止低温空气冻结热管工质;鼓风机停用同时立即停止引烟机,防止热管干烧;加热炉投用炉管清灰剂时,打开烟道挡板烟气直排。

摘要：主要针对热管空气预热器,在常减压装置加热炉余热回收应用过程中,腐蚀、结垢问题造成热管运行周期短,进行原因分析,并提出解决办法。

关键词：常减压装置加热炉,热管空气预热器,存在问题,分析,改进措施

参考文献

[1]刘纪福等《热管换热器》(译文集)1980.