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无锡东进:特殊管壳换热器的总体特点

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1典型换热器的总体结构特点

根据化工工艺的要求,中国一重制造的几种特殊结构典型换热器分为两大类:第一类是典型的管壳式反应器,如环氧乙烷反应器,丁醛转化器,辛烯醛转化器等特殊结构换热器;第二类属于典型的管壳式换热器,如镇海大型换热器,华锦螺纹锁紧环换热器。每一种换热器都有各自的特点,能够满足各自工艺流程的需要。

2管壳式反应器的关键结构特点

环氧乙烷反应器以及丁醛转化器都属于典型的平流式反应器。这两类反应器的共同特点是:催化剂装入在每一根换热管中,反应气体均匀,等时地流过换热管,换热管不仅具有换热的功能,同时还是反应管,合成工艺气体在换热管内发生反应的过程中不能有返混现象,如果不计边缘效应,每根换热管的温度场均应相同。因此对反应器的制造要求较高,任何一根换热管发生泄露或堵死等现象都会影响周边管板温度场分布的均匀;同时为适应各自工艺的特殊需要,这两类反应器在结构上又各具特点,在设计,选材上必须针对其结构特点做周密细致的考虑。

2.1环氧乙烷反应器的设计与制造

吉林博海环氧乙烷反应器属于中压刚性管板反应器,是中国一重自主设计并国产化的第一台环氧乙烷反应器。该反应器直径大,易引起管束振动,操作条件也苛刻,需要壳程冷却介质能均匀地流经整个反应管束,使反应能够在恒温环境里进行,保证反应管束内任何两点的温差不大于8℃。

为满足化工工艺需要,在设计中采用了以下设计结构:①以大直径的刚性管板承受绝大部分的管,壳设计与计算一重技术程压力;②对管板与换热管的管接头采用强度焊加贴胀连接结构;③采用格栅支撑代替常规折流板结构;④在壳程侧锅炉给水进口和蒸汽出口处分别设计了防冲分配结构和出口缓冲结构;⑤在管程侧气体进口处设计了气体分配板。

在制造过程中,采取了以下措施保证该台反应器的结构强度以及各项化工性能指标:①充分利用中国一重大型锻件的制造优势,采用整体大型锻件,并对管板的力学性能提出特殊的要求,以满足管板的强度需要;②提高格栅的加工制造精度并制定合理的装配工艺,以保证穿管的顺利进行;③反应器的最后组焊焊缝避开应力集中区域,从而保证设备的制造质量;④采用打硬度,分层PT,气密性检查和氦检漏等检测措施保证管板与换热管接头焊接质量。

2.2丁醛转化器的设计与制造

丁醛转化器是又一台中国一重制造的,首次国产化的设备。以往该种类型的换热器都需要从国外进口,不仅价格昂贵,而且制造周期长。丁醛转化器的国产化不仅降低该同类设备的制造成本,而且还提高了国内该行业产品的竞争力。丁醛反应器由于直径大,管,壳温差显着,尤其是管板两侧介质温差较大,在结构上不允许采取膨胀节和U型管束结构,因此采用了挠性管板结构来补偿管,壳程的热膨胀差。

丁醛转化器管束系统的设计计算是该类设备的关键技术。迄今为止针对挠性管板在计算上还没有一个成熟的方法。尽管文献[1],[2]分别采用有限元和解析法对挠性管板做了详细的计算,但是有限元法只是在模型简化上做了当量管板处理,却没有考虑换热管对管板的支撑作用;而解析法是将计算模型简化为一端固支的悬臂梁,只考虑了直梁段与曲梁段的补偿量,计算上偏于保守。因此两种方法对于大直径的挠性管板的计算都存在较大误差。目前,一重设计院正在进行深入分析丁醛转化器的工作原理,确定合理传热边界条件的工作。一方面通过建立合理的三维有限元模型,对管板进行应力分析;另一方面,正努力从解析法上设法突破,并将两种方法的计算结果进行对比,力图寻找一种简便可靠的大直径挠性管板的计算方法,为废热锅炉研制做好技术准备工作。

在制造过程中,对于管束系统的锻环部分采用整体碗型锻件加工而成,从而保证管板,管板挠性转角和锻环的锻压纤维纹路是整体连续的,增强了管板的抗疲劳性。管板与换热管的连接接头采用了深坡口全强度焊缝加贴胀结构,使得换热管之间无间隙,焊缝强度高。

3管壳式换热器的结构特点

镇海大型换热器与华锦螺纹锁紧环换热器都属于典型的管壳式换热设备。在管壳式换热设备中,换热管两侧的介质通过换热管做间壁式换热,以满足工艺操作的要求。根据操作条件的不同,镇海大型换热器与华锦螺纹锁紧环换热器又有着不同的特点,这些特点在设备的设计,和制造中应分别加以考虑。

3.1镇海大型换热器的设计与制造

镇海大型换热器是我国首次进行国产化的大型换热器,其直径为4m,管束长达20m,换热面积超过10000m3。换热管采用了304/304L双等级不锈钢冷拔无缝钢管。管板采用了E309L&nbspE308L堆焊结构。

国内外研究表明管束振动往往是引起大型换热器失效的主要原因,因此设计中镇海大型换热器采取了以下措施:①在折流板窗口区不布管,使得每一根换热管都能够得到充分的支撑,缩短换热管的支撑跨距,增加换热管的固有频率;②增设进口防冲杆,减少管束边缘管子的湍流振动;③增加进出口尺寸,改变折流板的布置,降低壳程介质的横流流速;④采用强度胀加密封焊的换热管连接接头形式,增加换热管与管板的连接接头紧密性和可靠性。

在换热器制造中,对换热管进行强度胀对接时采用了液压胀的方法,并通过拉脱力实验来确定强度胀加密封焊的结构尺寸,以保证连接接头的可靠性;通过皂泡实验,分层PT以及水压试验等措施来检验管接头密封焊的焊接质量;采用带极堆焊方法,制定合理的焊接工艺,最终攻克了大型管板堆焊的技术难关。

3.2螺纹锁紧环换热器设计与制造

螺纹锁紧环换热器多用于管,壳程介质温差较小且操作压力为高压的工作场合,其优点在于:管,壳程密封性能可靠,拆装方便,结构紧凑占地面积小,金属耗量少,泄漏点少。缺点是:对材料要求高,设计计算复杂,各部件加工配合精度高,制造困难。

为此,在设计中主要采用了以下结构:①为消除管壳程之间的热膨胀应力,在设计中采用了U型管束结构型式;②由于采用了U型管束型式,换热管与管板连接头受力要求苛刻,因此采用了强度焊加贴胀或者强度焊加强度胀等结构型式;③为减少管束的振动,对U型管尾部采用了加强结构;④管板采用压差设计法,极大地降低了管板的厚度,从而减少了管板的温差应力。

在制造中采取了以下措施以保证换热器的制造质量:①焊后热处理后加工管,壳程密封面;②采用小电流,多道焊,对称焊坡口等焊接工艺;③在厚管板管孔加工中采用粗加工,时效处理再精加工等工艺措施,保证了管孔的加工精度。

4设计制造与安全运行理念相结合

从千吨级的加氢反应器的国产化设计和制造开始,中国一重已经充分认识到设备结构,选材以及制造对装置安全运行的重要性。在中国一重自主设计并制造的环氧乙烷反应器以及镇海大型换热器更是这种理念的完美体现。工程技术人员在设计和制造过程中,详细了解管壳式换热器在化工装置中的操作环境,操作原理,操作流程,操作工况,介质性质,泄漏标准,仪表控制以及腐蚀机理等方面的详细要求,编制设备制造材料的技术文件,在结构设计,强度应力分析,振动分析,焊接热处理工艺,无损检测以及装配技术等方面开展了卓有成效的研发工作,彻底贯彻炼油,化工装置中QHSE的运行理念,保证设备在装置中的运行安全。

5结语

在以上4种特殊结构的换热器的设计及制造中中国一重充分利用了自身在大型重型压力容器加工,装配技术,应力分析测试技术以及先进大型容器无损检测技术等方面所具备的技术优势,使设备设计和制造质量得到充分保证。尽管由于起步较晚,在格栅装配,传热分析以及振动分析技术上同国外相比尚有一定差距,但是在一些关键技术上,中国一重已经具备了设计,制造高压或大型特殊换热器的能力。尤其是已经完全掌握了以下几个方面关键技术,为炼油,化工大型换热器的国产化奠定了最基本的设计,制造基础。

①环氧乙烷反应器现场组焊,热处理技术,格栅装配,换热管连接接头焊接技术以及无损检测技术的掌握,标志着环氧乙烷反应器国产化步伐将会越来越快;②镇海大型换热器管板堆焊技术难关的攻破,使得同种设备无需再依赖进口,同时也预示着国内压力容器行业的设计和制造技术正在逐步走向成熟;③丁醛反应器管板温度场的分析技术,结构设计技术,管板锻环制造技术以及装配技术的突破,使得该类设备能顺利在国内进行国产化制造,为相关行业降低制造成本创造更多效益做出自己的贡献;④螺纹锁紧环换热器的批量生产技术,热处理技术,厚管板管孔加工技术,各装配部件的机加工技术的掌握,使得国内相关行业可以充分利用一重的锻件技术优势,大力发展高压换热器技术装备;⑤尤其是特殊换热器的锻件材料全部立足于中国一重,充分展现了中国一重大型锻件自供的生产能力;⑥随着中国一重将成套装置的安全运行理念逐步贯通于压力容器的设计,制造过程中,由中国一重设计制造的重化工产品更能规避设备运行中的风险。

随着装置的大型化,换热设备的操作工艺也越来越苛刻,对超出GB151-1999《管壳式换热器》标准范围的高压或大型换热器的社会需求将会越来越多。中国一重将抓住机遇,充分发挥在锻件,原材料质量控制,机加工,热处理工艺,无损检测以及设计等方面的技术优势,并在此基础上学习国内外先进的设计,制造技术与理念,将中国一重打造为炼油,化工以及化肥等领域所需大型压力容器的设计,制造基地。