可拆式高效大型管束在空氣加熱器應(yīng)用

馮吉建

南京圣諾熱管有限公司 江蘇南京 210000

為了實(shí)現(xiàn)聚合物乳液化工工藝單線產(chǎn)能大型化的實(shí)際需求，工程中對(duì)空氣加熱器設(shè)備大型化、高效傳熱性能提出了更高的要求。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)空氣加熱器設(shè)備持續(xù)高效傳熱及連續(xù)生產(chǎn)的需要，要求設(shè)備核心傳熱元件管束可拆，滿足清洗需求。

在現(xiàn)役的空氣加熱器運(yùn)用中，經(jīng)常使用螺紋法蘭[1]加填料密封結(jié)構(gòu)[2]，實(shí)現(xiàn)小模塊單體管束可拆。在空氣加熱器設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行中，螺紋法蘭與螺紋接管經(jīng)常拆卸，有如下問題：螺紋法蘭與螺紋接管多次上緊，存在螺紋密封泄漏；碳鋼法蘭螺紋銹蝕，拆卸困難；螺紋密封法蘭維護(hù)成本較高等缺點(diǎn)。

本文結(jié)合某項(xiàng)目可拆式高效大型管束空氣加熱器設(shè)備，用可拆式活套法蘭加可拆輔助套管結(jié)構(gòu)代替螺紋法蘭結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)方面綜合考慮，實(shí)現(xiàn)高效大型管束可拆，滿足設(shè)備使用要求。

空氣加熱器設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示，從翅片管結(jié)構(gòu)，可拆管束結(jié)構(gòu)型式、大型可拆管束可位移結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，管板與換熱管連接結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行介紹。

圖1 可拆式高效大型管束空氣加熱器

空氣加熱器設(shè)備按空氣流向分為三個(gè)位號(hào)，分別為AW150、AW160、AW190。三個(gè)位號(hào)設(shè)備工藝參數(shù)詳見表1。

表1 設(shè)備工藝參數(shù)

1 空氣加熱器翅片管結(jié)構(gòu)選擇

為了滿足某化工單元工藝參數(shù)，要求空氣加熱器換熱管采用高性能傳熱元件。經(jīng)工藝傳熱計(jì)算，換熱管采用無縫鋼管軋制鋁翅片高效傳熱管。軋制鋁翅片有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）整體軋制翅片管無接觸熱阻，傳熱性能好，強(qiáng)度高，耐熱振和機(jī)械振動(dòng)，熱膨脹性能好，重量輕。

（2）單位長(zhǎng)度換熱面積大，傳熱量高，結(jié)構(gòu)可靠，壽命長(zhǎng)。

（3）翅片表面光滑無毛刺，無皺折，不易結(jié)垢，易于清洗（可用高壓水沖洗）和排除表面積水，流動(dòng)阻力低，能長(zhǎng)期保持良好的傳熱性能。

為了防腐蝕，基管為20#無縫鋼管，外表面采用熱鍍鋅工藝。熱鍍鋅規(guī)范要求和測(cè)試方法應(yīng)該遵循GB/T13912-2002《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱侵鍍鋅層技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》執(zhí)行，后續(xù)進(jìn)行軋制鋁翅片。管板材質(zhì)為Q245R（正火，熱鍍鋅），空氣殼體材質(zhì)為S30408。

2 空氣加熱器可拆管束結(jié)構(gòu)型式的選擇

空氣加熱器設(shè)備中，為了實(shí)現(xiàn)小模塊化單體管束可拆，常使用螺紋法蘭加填料密封結(jié)構(gòu)。如圖2所示：

圖2 螺紋法蘭加填料密封-可拆式管束結(jié)構(gòu)

在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行中，螺紋法蘭與螺紋接管經(jīng)常拆卸，有如下問題：多次上緊存在螺紋密封泄露、銹蝕拆卸困難、螺紋密封法蘭維護(hù)成本較高等缺點(diǎn)。采用可拆活套法蘭代替螺紋法蘭，同時(shí)填料密封結(jié)構(gòu)中增加了可拆輔助套管結(jié)構(gòu)。如圖3所示：

圖3 活套法蘭可拆式管束結(jié)構(gòu)

空氣加熱器可拆結(jié)構(gòu)采用可拆活套法蘭加可拆輔助套管具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）活套法蘭拆卸簡(jiǎn)單、容易。

（2）多次拆卸，密封性能可靠。

（3）可拆輔助套管的增加，對(duì)管程進(jìn)、出口接管局部應(yīng)力起到了保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了填料處壓蓋及大模塊蓋板可拆的作用?？刹鹗交钐追ㄌm如圖4所示：

圖4 可拆式活套法蘭示意

圖5 換熱管與管板連接形式

3 大型可拆管束可位移結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了滿足大型可拆管束在使用、安裝、可拆清洗等工序的功能，要求大型可拆管束整體要有一定的剛性。同時(shí)，需要考慮各種工況下，管程、殼程工作溫度不同，引起的熱膨脹位移。熱膨脹的位移導(dǎo)致?lián)Q熱管與管板焊接接頭產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊接接頭焊縫開裂。本設(shè)備中大型可拆管束剛性，管、殼程溫度差引起的熱膨脹位移，采用了管束可位移的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體解決方法如下：

（1）在各支撐孔板之間，最下一塊孔板與下管板之間增加支撐鋼管。

（2）在上管板下部焊接連接板1，最上一塊支撐孔板焊接連接板2。

（3）連接板1與連接板2上開設(shè)腰型孔，用螺栓連接。

將兩塊連接板用螺栓連接，保證了管束的剛性，同時(shí)連接板上腰型孔的設(shè)置也滿足了熱膨脹位移的要求。具體結(jié)構(gòu)如下圖3所示：

4 管板與換熱管連接結(jié)構(gòu)的選擇

通過以上大型可拆管束結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，管板設(shè)計(jì)為方形管板，換熱管與管板連接采用常規(guī)的強(qiáng)度焊+貼脹[3]，換熱管與管板的連接尺寸如圖6所示。具體焊接要求如下：

（1）換熱管與管板接頭的焊縫厚度至少應(yīng)大于換熱管壁厚，管內(nèi)焊縫允許的余高最大不得超過0.5mm。在不降低管壁厚度的情況下，應(yīng)去除超過0.5mm的焊縫凸起，要求平滑過渡。

（2）不論采用何種焊接方式（手工或全機(jī)械化），第二層應(yīng)完全覆蓋第一層，管內(nèi)壁熔合線至少與換熱管內(nèi)表面平齊。

（3）對(duì)于換熱管與管板連接，應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，模擬試驗(yàn)程序文件應(yīng)與相關(guān)焊接程序規(guī)范和焊工焊接操作員資格記錄需滿足NB/T47014焊接程序規(guī)范要求。

（4）手工焊接時(shí)，第二層起弧點(diǎn)應(yīng)與第一層至少偏移90°。每道焊接后都應(yīng)進(jìn)行100%PT檢測(cè)。對(duì)于GTAW應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，保證不留弧坑。

5 蒸汽進(jìn)、出口接口載荷設(shè)計(jì)

此項(xiàng)目為二期擴(kuò)產(chǎn)、改造項(xiàng)目，設(shè)備場(chǎng)地局限。在蒸汽進(jìn)、出口配管中，受溫差影響、管路支撐限制。管路設(shè)計(jì)中產(chǎn)生較大的管口局部載荷。同時(shí)，此設(shè)備是填料密封結(jié)構(gòu)，蒸汽進(jìn)、出口不能承受較大的局部應(yīng)力。故在與設(shè)備連接的蒸汽進(jìn)、出口接口上增設(shè)金屬軟管，來解決局部載荷較大的問題[4]。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目將管束采用可拆活套法蘭代替螺紋法蘭結(jié)構(gòu)，填料密封結(jié)構(gòu)中增加了可拆輔助套管，對(duì)管程接管局部載荷起到了很好的保護(hù)及實(shí)現(xiàn)填料處壓蓋及大模塊蓋板可拆的作用，同時(shí)優(yōu)化了可拆大型管束剛性及熱膨脹位移的設(shè)計(jì)。

目前大型化工藝參數(shù)的需要，沿空氣流向?qū)苁M(jìn)行多級(jí)并聯(lián)或者多級(jí)串聯(lián)布置。使空氣加熱溫度實(shí)現(xiàn)多級(jí)可調(diào)。可拆管束結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)單體管束拆卸，清洗，設(shè)備總體運(yùn)行不停車，滿足了實(shí)際化工操作彈性的需求。

結(jié)合本項(xiàng)目，設(shè)備中采用沿空氣流向?qū)苁M(jìn)行兩并五串布置，共計(jì)十個(gè)管束組，滿足了大型化工藝參數(shù)的要求，實(shí)現(xiàn)了可拆式高效大型管束在空氣加熱器中的應(yīng)用。