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浅谈换热器制造过程中的控制要点
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【经济法硕士论文选题】摘要：换热器是目前国内石油化工行业中最常用的设备之一,被广泛地应用于连续重整、重整加氢装置中。根据大型立式换热器的结构特点和技术原理,针对设备在使用过程中可能出现的问题,在制造过程中对设备的焊接等一些关键部位予以控制,使设备在制造完毕后能够正常运行。 毕
摘要：换热器是目前国内石油化工行业中最常用的设备之一,被广泛地应用于连续重整、重整加氢装置中。根据大型立式换热器的结构特点和技术原理,针对设备在使用过程中可能出现的问题,在制造过程中对设备的焊接等一些关键部位予以控制,使设备在制造完毕后能够正常运行。
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关键词：换热器制造过程设计 标准 焊接膨胀节
Abstract: The heat exchanger is the present domestic oil chemical industry in one of the most commonly used equipment, and is widely used continuous reforming, reforming hydrogenation. According to the structure characteristics of large vertical heat exchanger and technical principle, in view of the equipment in use process problems that may occur, in the process of welding equipment in some key parts to control, make the equipment in manufacturing after the completion of the working.
Keywords: exchanger; design standard; welding; expansion; joint;process
中图分类号：U260.6+2 文献标识码：A文章编号：
在化工生产中随着热量释放与交换的频繁发生，加热能使化学反应达到最佳工艺条件,而化学反应产生的热量也需要其他介质吸收,化工反应吸热或放热都在换热容器中进行。电解生产,盐水经过处理后由盐水预热器蒸汽加热进入电解槽电解；烧碱生产,顺流和三效四体蒸发都是在蒸发汽箱由蒸汽加热成品液碱；氯乙烯生产过程中,干EDC经过E203炉子进料预热器、E213裂解炉进料预热器、E201EDC汽化器等加热后进入F201裂解炉,以最佳的温度裂解产生VCM。由此可见,换热器在化工生产中有着不可或缺的作用。
1.换热器的制作的技术特征与原理
1.1技术特征
立式换热器可用于气―气、气―液、液―液热交换。一般大型立式换热器的管、壳程设计压力为0.5―2.0MPa，设计温度为400―549℃,介质为油气加氢气，规格为Φ500―Φ2 100之间，材质为15CrMo、1.25Cr―0. 5Mo―Si、2.25Cr――1Mo，现在国内最大规格的立式换热器为Φ2 100/Φ1 905×29 802,换热面积为3 952 m2，设备净重111 847 kg。
1.2技术原理
立式换热器的介质为油气加氢气,温度低的介质自下而上进入管程,换热后从上部管箱流出,进入下一装置,温度高的介质从上部进入壳程,换热后从下部流出。两种物料纯逆流传热,管、壳程均为单程,因此,压降小、传热效率高,另外,该设备为立式,还有占地面积小等优点。
立式换热器结构不同于普通换热器,要采取特别措施防止管子振动,国外炼厂曾多次发生立式换热器由于管子振动而导致整个管束破坏的事故,所以立式换热器除了在结构设计时考虑加支持板和防振板外, 还对折流板管孔直径也作了特别要求,即折流板管孔与管子外径间隙为I级换热器的要求。
此类设备为解决管束受热膨胀产生的应力问题,在锥体部分设有膨胀节,增加热补偿。为了避免泄漏,上管板采用与管箱短节及上壳体焊成一体的结构,这样即节省法兰和联接件,又解决了密封问题。
2.制造的难点与标准
2.1制造的难点
该设备具有以下三个制造难点：
（1）管板的钻孔精度要求非常高。第一，两个管板、折流板上同位置孔的同轴度，在机加工条件无法满足配钻的情况下，如何保证孔的同轴度要求。第二，如何保证管板与换热管的胀接质量，满足设计要求。第三，根据设计要求，管孔需要加工内胀接槽，制造厂现有钻床无法加工，如何巧妙地利用钻床加工胀接槽。
（2）该换热器共有3047根换热管，管口与管板焊接量达6094个管头，管束重量达14899.8Kg，设备整体重达21106.75Kg。现场换热管穿装完毕后，在保证筒体椭圆度要求的前提下，根本无法利用托辊转动。如何在短期内高效率完成换热管的穿管、组装、胀接和焊接工作，是一个制造难点。
（3）根据设计要求，设备壳程管箱夹套和封头夹套需进行灵敏度和危险性极高的氨渗漏试验，由于是初次接触该检验方式，对该检验方法的使用、安全性的保证均处于摸索阶段，所以也是一个制造难点。
2.2制造的标准
GB151―1999《管壳式换热器》标准规定，I级换热器管板孔直径偏差为19.250+0.15mm(19mm换热管)或25.250+0.15mm（25mm换热管），这与TEMA标准有一定的差距。GB 151―1999I级管束的管板孔与换热管间的最小间隙为0.05mm，最大间隙为0.6 mm，与TEMA标准相比，最大间隙相差较大，而Ⅱ级的间隙就更大了。TEMA标准为了把加工硬化所引起的耐腐蚀性能下降的程度限制在最小的范围之内，对奥氏体不锈钢管又规定了特殊紧配合，而GB151―1999对于国产不锈钢管即使是高级精度也不能满足TEMA标准中特殊紧配合的要求，因而对此未予考虑。
GB151―1999标准对管板孔表面的粗糙度规定：当换热管与管板焊接时，管板孔表面粗糙度不大于25μm；当换热管与管板胀接连接时，管板孔表面粗糙度不大于12.5μm。一般而言，设计文件的要求均要高于上述要求。国内的制造单位对管板孔的加工工艺采用先钻孔，再扩孔，最后铰孔的工艺要求，管板孔直径偏差控制在0.05 mm之内，管板孔的表面粗糙度控制在6.3μm之内。
3. 换热器制造过程中的控制要点
3.1设计问题
设计人员应清楚如何根据具体条件，做好结构设计，以发挥换热器的最大作用。GB151中给出了四种换热管排列形式，并指出了需要机械清洗时应采用正方形排列，三角形排列因为在同等面积内能布置更多的换热管，在我们设计中比较常见，但是选择正三角形排列还是转角三角形排列在我们的设计中却经常被忽视，其实它们的传热效果是不同的，要根据具体的条件选择。
正三角形排列传热上称为错列，介质流动时形成湍流对传热有利，对无相变的换热器，因其传热与其介质流动状态关系较大，故宜用正三角排列。
转角三角形排列，传热上称为直列，介质流动时有一部风是层流，对传热有不利影响。对有相变的冷凝器等，因其传热与介质流动的关系较小，却与管壁凝液流动方向关系较大，故凝液流动的方向上换热器数量是这类换热器换热管排列所应考虑的主要因素，故宜用转角三角形排列。
换热器的外形设计图
上下两个管箱分别开了两个孔，均超过1/3内径,按照GB151要求，在图纸上标注了：管箱焊后做消除应力热处理。理由是：筒节上开了超过1/3直径的孔，为了消除筒节开孔的应力，应该热处理。后来审图人员指出，此处不需要热处理。我不明白其中的原因，查找了许多资料，弄清楚了这个问题。GB151中6.8条a款中做消除应力热处理的目的是使焊接应力提前释放，防止因使用过程中焊接应力时效释放，使密封面变形影响密封面的密封。是针对法兰─垫片密封型式制定的，对于没有设备法兰，管箱?p浮头直接与管板焊接的管箱及浮头盖就没必要进行热处理了。
3.2焊接工艺
GB151―1999标准规定的换热管与管板焊接分为强度焊和密封焊，其差异主要反映在管板孔的焊接坡口及换热管的伸出长度。强度焊必须是填丝的氩弧焊，而不填丝的熔化焊最多只能作为密封焊。换热管与管板焊接质量的过程指标一般有换热管管头的清洁度、管板孔的清洁度和焊接工艺参数。换热管管头2倍管板厚度的区域打磨除锈、管板孔丙酮清洗和合适的焊接工艺参数，保证了换热管与管板的焊接质量。换热管与管板连接质量的最终检查一般采用压力试验、氨渗透、焊接接头表面着色检测和射线探伤检测等。
管板与换热管的焊接，由于管口焊接工作量大，依靠手工氩弧焊难以保证工期。为此，我单位引进了先进的管板自动焊机。该设备采用悬挂式，设备前端设有定位头，插入换热管后自动进行对中定位，焊接机头再围绕管口自动、等速旋转焊接。经使用，焊接质量、外观成型非常好，降低了劳动强度，提高了焊接效率。
3. 3膨胀节的安装
由于管束与浮头锥体及外头盖三元件的连接为刚性连接,在工作时它们的轴向热变形不同,会在浮头锥体、外头盖和换热管内部产生很大的热变形。为了减少这个热应力,在浮头锥体上安装了能够进行热补偿的膨胀节。而为了能使膨胀节的作用得到充分发挥,要求膨胀节安装后应防止产生附加应力和弯矩。而防止产生附加应力和弯矩的有效措施除应保证浮头锥体的同心度外,还应在安装膨胀节时,将膨胀节在自由状态下打上保护拉筋,并且对与膨胀节相连的接管长度进行二次下料。
膨胀节的安装图
总结
通过工艺的改进和完善，控制各个工序的过程质量指标，就完全能达到提高换热器制造质量的目的，使换热器的制造质量完全达到GB151―1999《管壳式换热器》标准中规定的质量要求。对于换热器的制造还需要控制好成本，不能只要求换热器的质量。因为成本对一个企业来说是非常重要的事情，任何企业都是以获得经济效益为最终目的。
参考文献
[1]于海;换热器管板与换热管胀接机理研究[D];大庆石油学院;2008年
[2]崔荣荣;管壳式换热器管子与管板连接的质量控制[J];山西化工;2000年04期
[3]周瑞强,蔡业彬;换热器管与管板连接的工艺对比[J];现代制造工程;2001年11期
[4]穆禹成;关于对我市换热器行业的调查报告[N];四平日报;2005年
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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