分离式双管板列管换热器的设计与制造.pdf

材料与设备收稿日期:2002-07-24作者简介:王向军(1969-),男,湖北蕲春人,1991年6月毕业于武汉化工学院化工设备与机械专业,工程师。现从事压力容器设计与制造工艺文件编制工作。分离式双管板列管换热器的设计与制造王向军(南化公司 化工机械厂,江苏 南京 210048)摘要:论述了双管板换热器材料选择、管板胀管槽等结构的设计、双管板检漏设计、最佳胀管压力计算等,以及双管板制造中内侧管子管板液压强度胀接、外侧管子管板强度焊接、双管板间空腔内和管子管板焊接接头气密性试验的要求。关键词:双管板;设计;制造;液压胀接;胀管槽中图分类号:TQ05115 文献标识码:A 文章编号:1006-7906(2003)01-0043-04 双管板结构(如图1)由于具有能确保管壳程介质完全分隔开、不能互相串通,无论管壳程哪端介质泄漏即可迅速检测出来等优点,越来越受到介质有高度危害且管壳程介质严格不能互相混合的用户的欢迎。图1 双管板结构示意 双管板由于其结构的独特性,在设计、制造上有一定的难度和技巧,故在双管板换热器结构设计、原材料采购、制造检验等各个环节必须严格把关,才能成功设计制造出能满足使用要求的双管板式换热器。下面以我厂为烟台某聚氨酯股份有限公司设计的一台位号为R3302小型双管板列管式循环加热器为例,并结合我厂为江苏泰州、上海某单位处理双管板换热器的经验,介绍双管板换热器的设计、制造中的关键点。2 结 论为延长催化剂寿命,保证催化剂长周期运行,生产联醇时,建议采取以下措施:a)气体净化方面,应在甲醇系统前工段精脱硫,降低原料气中的有机硫和无机硫,将总硫降至0.110-6以下,氨含量降至 3000h-1,保证出水、还原平稳。d)控制好升降压速率,减少频繁开停车,保证催化剂机械强度。升降压速率 0.3MPa/min。e)清理系统。新系统或长期不用的系统使用前,要彻底吹出铁锈及中变粉尘,减少系统中羰基铁生成的可能性。f)不在低温下操作。开停车期间减少催化剂在 210 停留的时间,并注意停车时先关掉甲醇系统进、出口阀,先循环反应掉系统中的CO、CO2。g)工艺设计要尽可能合理,并充分考虑工况可能不正常时的操作。设备安装要精心,减少工艺、设备缺陷。参考文献:1 刘国际等.C207型联醇催化剂中毒原因探讨J.工业催化,1998(6).2 向德辉编.化肥催化剂实用手册M.北京:化学工业出版社,1992.332333.3 合成氨催化剂手册M.南化研究院译.北京:燃料化学工业出版社,1974.第24卷第1期化学工业与工程技术Vol124 No.12003年2月Journal of Chemical Industry&EngineeringFeb.,20031R3302循环加热器技术参数R3302循环加热器为立式双管板结构列管换热器(如图2),两端均带一管箱。双管板中靠近管箱侧的两管板延长部分兼作设备法兰,与管箱活套法兰用缠绕垫连接,背向管箱侧的两管板与设备筒体焊接。循环加热器规格:273mm8mm4 042mm;换热管管子规格为:32mm2.5mm3 290mm,材质为:00Cr17Ni14Mo2。循环加热器主要技术参数见表1。表1 循环加热器主要技术参数类别介质操作压力/MPa设计压力/MPa操作温度/设计温度/腐蚀裕度/mm水试压力/MPa壳程饱和蒸汽0.81.21751921.51.57管程MDI,MCB,COCl20.30.588/9612000.63 注:MDI为二苯甲烷二异氰酸酯,MCB为氯苯,COCl2为光气。图2R3302循环加热器示意1-管箱封头;2-管箱筒体;3-管箱法兰;4-外管板(下);5-哈夫短节;6-内管板(下);7-壳程筒体;8-折流板;9-换热管;10-内管板(上);11-外管板(上)另外,在管、壳程水压试验合格后,在管箱侧及双管板间以0.40 MPa压缩空气进行气密性试验。2R3302循环加热器的设计2.1 选 材2.1.1 延长部分兼作设备法兰的外侧两管板由于管程为光气等高度危害的介质,此两块管板与介质直接接触,故按JB4728-2000选 用00Cr17Ni14Mo2 级锻件。2.1.2 背向管箱的内侧两管板此两块管板不与介质直接接触,只有在外侧介质泄漏进入双管板之间空腔时,才接触到高度危害介质;同时,考虑到不锈钢换热管与管板胀接时对材料热膨胀系数、弹性模量、管子-管板硬度差的要求,按JB4728-2000选用0Cr17Ni12Mo2级锻件,但要求此两块管板硬度值取JB4728-2000中的上限HB=160187。2.1.3 换热管为了获得可靠的管子-管板强度胀接质量以及降低应力腐蚀,采用较紧的管子外径和管板内孔之间的配合(但不能太小),提高管子外径精度,这也是改善胀接质量的重要途径之一1。为了不增加管子供应难度和额外成本,该循环加热器换热管选用GB13296-91冷拔管,其外径偏差为 0.30mm,壁厚偏差为0+12%。按GB13296-91,00Cr17Ni14Mo2奥氏体不锈钢管子洛氏硬度为HRB90,而JB4728-2000中0Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢锻件固溶状态硬度值HB=128187,两者硬度接近,加之奥氏体不锈钢管子在变形量较大的强度胀接过程中,其硬度也会随变形量的增加而增加,从而使管子的硬度高于管板,在管板槽面发生屈服时管子仍处于弹性状态,回弹后即造成管子管板接头泄漏。故在限定管板锻件硬度值HB=160187、保证管板硬度值与换热管硬度值之差控制在2030的条件下,要求换热管两端各400mm范围内硬度值为HB130。2.1.4 管箱法兰、封头、壳程筒体等管 箱 法 兰 按JB4728-2000选 用00Cr17Ni14Mo2不锈钢 级锻件的活套法兰形式,与延长部分兼作设备法兰的外侧管板之间采用带内环不锈钢缠绕垫密封。管箱封头采用GB4237中的00Cr17Ni14Mo2不锈钢板材,管箱短节、大开孔接管均采用GB/T8163-1999中的00Cr17Ni14Mo2不锈钢管。壳程筒体采用GB/T8163-1999中的20钢管,壳程大开孔接管采用Q235-B板材,其余非受压件均采用Q235-A板材。2.2 管子-管板连接形式及布管四块管板上采用正三角形布管,管间距40mm,布换热管孔22个,拉杆孔4个(仅背向管箱的内侧上管板有)。管孔加工精度按GB151-1999中 级管束的要求,管孔表面光洁度Ra为12.5m。管孔与管板轴线垂直度以及管孔孔桥宽度均按管板各自的厚度计算,内侧管板与外侧管板不同。2.2.1 延长部分兼作设备法兰的外侧两管板与管子的连接此两块管板与管子的连接形式,选用强度焊。2.2.2 背向管箱的内侧两管板与管子的连接此两块管板与管子的连接形式,选用液压强度胀。液压胀的胀接接头残余应力分布均匀且可计算,胀管压力可以精确控制,胀管区无明显的冷作硬化现象,过渡区变形平缓。管孔内有适当的胀管槽时,可获得高紧固力、高密封性能的接头,尤其适合44化学工业与工程技术2003年第24卷第1期 厚管板、双管板和远程管板的定位胀接。2.3 结构设计双管板间空腔间距、孔间距、内侧管板胀管槽尺寸、位置,以及内侧管板与壳程筒体的连接形式是双管板结构设计成功与否的关键。2.3.1 内侧管板胀管槽尺寸、位置设计为了提高胀接接头的拉脱力和密封性能,在管板孔中设计了两道环形胀管槽(其接头的拉脱力比光孔可提高59%2),在管子被嵌入管板孔槽内时,在槽的两个边缘与换热管之间将产生密封环带,从而提高了局部初始接触压力和残余接触压力,提高胀接接头密封性能。液压胀接时最佳胀管槽宽一般为W=(1.61.8)tr,其密封压力可达25MPa3,W过宽会导致拉脱强度的下降。当槽宽W=610 mm时,其胀接后的拉脱力和密封性能都远超过滚珠胀管法4。这也与我厂通用工艺规程中液压胀胀管槽宽要求相一致。该循环加热器设计压力仅为112MPa,故取槽宽W=6mm,槽深0.5 mm。前文已说明液压胀接时,实际生产中管板两端各约有12.5 mm长度无法胀接,故第一道胀管槽距内管板表面距离不小于12.5 mm,一般可取1315mm。如管板足够厚时,最好将两胀管槽布置于管板中间位置。2.3.2 背向管箱的内侧两管板与壳程筒体的连接由于固定管板(包括U型管式)换热器布管限定圆直径仅比筒体内径小dw/2(且不小于8 mm,dw为换热管外径),因而靠近边缘处管孔易受到管板与筒体焊接时的影响,温度应力大。故将此管板边缘设计为有一定高度的月牙形凸台(高度以对接焊缝热影响区几乎影响不到边缘处管孔为准),使此凸台与壳程筒体形成等厚度对接焊全焊透形式,以减少焊接热量对边缘处管孔的影响。2.3.3 双管板间空腔间距、孔间距采用双管板时应特别注意使两块管板之间的管子具有承受这种结构所造成的机械载荷和热载荷而不致损坏的能力。据文献分析5,在管子材料、管子规格和操作条件确定后,这种能力主要受两管板之间净距影响,因而双管板间空腔间距的大小显得非常重要。在以往的设计制造中,曾因双管板间空腔间距太小,受空间位置所限,检查困难,一旦管头有泄漏无法确定是那根管子发生泄漏,从而造成设备报废。在可能的前提下,应尽量加大双管板间空腔间距,以便在制造期间对管子管板焊缝作气密性试验的检查。双管板间空腔间距的确定还须考虑双管板间空腔处因无液体冷却,可能造成此处换热管的“干烧”。在温度不太高或采用不锈钢换热管时,“干烧”尚可接受。因而双管板间空腔间距并不是越大越好,一般根据换热器直径、管子外径大小和弹性模量、管板线膨胀系数等来综合考虑,通常取100mm左右。Dupont公司及Nobel Chematur AB公司在巴西TDI工程及台湾TDI工程中使用的计算双管板间空腔间距公式如下,设计时可供参考:L=(1.5Ed/s)1/2式中,E 管子材料弹性模量,kg/mm2;d 管子外径,mm;s 管子最大弯矩截面上的弯曲应力,kg/mm2;=(O TL/2)t(t-20)-s(T-20)其中,O TL 管子在管板最外侧的排管半径,mm;t 管侧管板的线膨胀系数,mm/(mm);s 壳侧管板的线膨胀系数,mm/(mm);t 管侧管板的金属温度,;T 壳侧管板的金属温度,。在计算时可假设管侧管板的金属温度为20,由此所得的相对径向膨胀量 值最大。设计中所取双管板间空腔间距净值 上式的计算值L。管孔孔间距一般根据换热管规格按标准选取,尽量不要缩小孔间距。否则,既影响气密性试验时检查人员的视线,又影响液压胀接时管接头胀接强度。2.3.4 双管板检漏设计双管板间国外通常采取裸露形式,但随着环保意识的加强,以及泄漏的介质不允许直接排放到环境中时,双管板间就需加以密封。该循环加热器为立式设备,故在双管板间空腔上方的那块管板上开设螺纹接口排气孔,在下方的那块管板上开设螺纹接口排液孔(卧式设备螺纹接口位置相应修改),螺纹接口均朝向双管板间空腔。设备安装就位后,螺纹接口与专用的检漏系统连接。设备一旦有泄漏,即可检漏到而及时采取措施检修。2.4 最佳胀管压力及拉脱力计算2.4.1 最佳胀管压力根据文献6,当管板的塑性区达到管桥中间54 王向军分离式双管板列管换热器的设计与制造(即RP=P/2)时,既能获得可能大的胀管压力,又不会跟临近接头胀管的塑性区发生干涉而使接头松动,且还有一定增压余量供个别不合格接头进行补胀,此时的胀管压力即为最佳胀管压力。具体计算可按文献6中式(13)(15)计算,也可按文献7中第4节计算。2.4.2 拉脱力计算根据文献6,由于管子嵌入管板孔胀管槽内,管板对管子将产生附加剪切作用,加上管孔壁对管子的摩擦阻力作用,使得开槽管板孔实际拉脱力与管子拉断力一致。拉脱力按该文献6中式(18)计算。3R3302循环加热器的制造3.1 管板、折流板的制造四块管板以上端延长部分兼作设备法兰的外侧管板为基准,按图2所示顺序和方位分别配钻其余三块管板、折流板管孔。借孔后再分别钻管孔,确保各管板管孔垂直度、孔桥宽度符合图面要求,背向管箱的内侧两液压胀接管板管孔表面不得有贯通性的纵向缺陷。管孔两面须倒0.545 角。3.2 管箱制造由于管箱内流体为光气等剧毒介质,按标准要求管箱上各焊缝须全焊透。对接焊缝须按JB4730-94进行100%射线探伤,级合格;角焊缝表面须按JB4730-94进行100%渗透探伤,级合格。管箱上接管开孔为大开孔,管箱焊后需作整体固溶处理。管箱法兰密封面应在固溶处理后再精加工,加工后密封面100%渗透探伤,级合格。3.3 组 装找一工作平台,按图2所示顺序将上端两块管板、各折流板,用临时拉筋、拉杆、定距管、部分换热管固定住,穿换热管,套入筒体组合件,电焊点固;再组对下端两块管板,内部两块管板与壳程筒体环缝施焊,无损检验。合格后进行液压胀接试胀,然后再进行正式胀接,壳程水压试验,管子管板气密性试验。气密性试验合格后方可将外侧两块管板与管子强度焊,管程水压试验,氨渗透。组焊双管板间空腔哈夫短节和其余零部件。3.3.1 液压胀接胀接前应作液压胀接试验。穿管前管端应清除毛刺,胀接区域不得有油污等,穿管时应注意对换热管表面质量进行保护。对大直径管板,应严格按胀接次序分区胀接。对管板按规定的次序进行分区胀接,可有效减少或避免管板产生翘屈变形。3.3.2 强度焊胀接完毕壳程水压试验、气密性试验合格后方可进行外侧两块管板强度焊。强度焊分两道施焊,第一道施焊完毕,焊缝表面渗透检查,合格后进行第二道焊接。焊缝表面不应有针状气孔或焊塌现象。泰兴某厂换热器由于焊接质量不太过关,造成泄漏,不锈钢管板在几小时内腐蚀贯通。3.3.3 气密性试验因气密性试验灵敏度较低,工厂环境下只能达到10-310-2MPacm3/s。如用洗涤剂或肥皂液作成泡剂,充气压力高于0.4MPa(表压),或气流太急,难以成泡。对高压换热器,建议不采用气密性试验,而采用卤素泄漏试验或氦检漏8。4 结 论a)双管板换热器均需按GB151-1999中的 级管束进行设计,设计选材时应注意管板与换热管硬度差值匹配。b)液压胀接胀管槽尺寸和位置不能简单照抄标准,合适的胀管槽宽为W=(1.61.8)tr,管口两端最好留1315mm不胀。c)对大直径管板,应严格按胀接次序分区胀接,以减少或避免管板产生翘屈变形。d)内侧两块管板强度胀接完毕进行壳程水压试验、气密性试验合格后方可进行外侧两块管板强度焊,强度焊分两道施焊。e)对高压换热器,建议不采用气密性试验,而采用卤素泄漏试验或氦检漏。参考文献:1 刘传宝.换热器管板胀接变形的原因分析及建议J.压力容器,1998,15(6):5152.2 Maxwell C A.Practical aspects of making expandedjointsJ.Transaction of ASME,1943.3 颜惠庚等.换热管的液压胀管研究(三)管板开槽宽度的选择J.压力容器,1997,14(3):2428.4金庆大.换热器管板和管子橡胶胀管技术及其应用J.化工设备设计,1990,(3):5658.5 化学工业部基本建设司,中国五环化学工程总公司.化工压力容器设计技术问答M,武汉:氮肥设计 编辑部,1993.125126.6 匡良明.静压胀管接头性能分析J.石油化工设备,1999,28(2):3135.7 顾建强.液压胀管极限压力及胀紧力计算J.压力容器,1993,10(1):6165.8 陈庆林.高压加热器泄漏试验标准和方法的探讨J.压力容器,1993,10(6):7781.64化学工业与工程技术2003年第24卷第1期 Hongdong 041606,China)Abstract:The new process for removing CO2with low heatsupply and pressure swing regeneration is firstly applied totransform the old plant which use semi2water gas and coke ovengas as the feedstock,and the desired effects are achieved.Theexperiences are summarized.Key words:CO2removal,Low heat supply,Pressureswing regeneration,Reformation,SummarizationExisting problems and measures in enhancing theblend content of residual oil in catalytic cracking unitHAN Zhe(Yangze petrochemical Stock Company,Nanjing 210048,China)Abstract:The design characteristics of a catalytic crackingunit are presented.The coking causes and measures of equip2ment are analyzed and the relative proposals and reforming mea2sures for enhancing the blend content of residual oil in catalyticcracking unit are pointed out.Key words:Catalytic cracking;Coking;Analysis;Blend2ing residual oil;MeasuresApplication of the second convert furnace with pureoxygen in methanol productionWANG Hui2qiang(Methanol Plant of Daqing Oil field,Daqing 163453,China)Abstract:The structure,technical process and set goingprocedure of the second convert furnace are described.Thequality of the spout of the furnace exerts influence on the opera2tion of the furnace,so the requirements for protecting the spoutare very strict and the temperature controlling of the furnace isimportant.Key words:Convert furnace;Methanol;ApplicationApplication of computer technology in industrial usingof fertilizer catalystsTAO Yun2liang1,DING Jia2hao2(1.Fertilizer Plant of Anqing Petrochemical Co.,Anqing246001,China;2.Catalyst Plant of NanjingChemical Industrial Co.Ltd.,Nanjing 210048,China)Abstract:In the application of fertilizer catalysts,the com2puter technology can be used to treat the operation data.Com2paring with the original experience judgment,the advantages ofcomputer treatment are that some errors can be avoided,theoperation conditionsof the catalystson line can be optimized andthe basis for changing catalysts can be more reasonable and sci2entific.Key words:Computer technology;Catalyst;ApplicationInfluence factors on the use of copper2basemethanol synthesis catalystWU Si2cao(Catalyst Plant of Nanjing Chemical Industrial Co.Ltd.,Nanjing 210048,China)Abstract:By analyzing the application status of copper2basemethanol synthesis catalyst,it is thought that the influence fac2tors on the catalyst using are poisoning,thermal aging,heat2upreduction,mechanical strength,by2reactions,etc.The pro2tecting methods for the catalyst are discussed and the improve2ments are proposed.Key words:Copper2base methanol synthesis catalyst;Us2ing life;Influence factorsDesigning and manufacturing of the separated doubletube2sheet exchangerWANG Xiang2jun(Chemical Machinery Works of Nanjing ChemicalIndustrial Co.Ltd.,Nanjing 210048,China)Abstract:The material selecting,structure design of ex2panded tube hole grooves,designing of leakage holes and calcu2lating of the optimum hydraulic pressures for the double tube2sheet exchanger,etc,are described.The requirements of insidetube2to2tube sheet hydraulic expanded joints for its strength andoutside tube2to2tube sheet strength welding joints;and the re2quirements of leak test for spaces between the double tube2sheets and the welding joints of the tube and tube2sheet are de2scribed.Key words:Double tube2sheet;Construction designing;Manufacturing technology;Hydraulic expanding;Expanded tubehole grooveBoronitriding used in valve core to improve corrosion resistanceL IU Jin2song(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College,Changsha 410124,China)Abstract:The boronitriding possess has advantages of fastspeed,deep case layer,excellent property,cheap cost,andbright surface,etc.Because of nitrizing firstly,the compactnessof the Fe2B phase on the surface is improved effectively,thecompactive carbon2nitrogen compounds are formed on the sur2face,and the boronic compounds layer is deepened;so the wearresistance,corrosion2resistance and hot fatigue resistance areimproved.The steel 45 after boronitriding could be substitutedfor stainless steel to make the valve core for the hydrochloricacid,which can use for a long time without obvious corrosion,and the effect is remarkable.Key words:Boronitriding;Valve core;Technology;Cor2rosion2resistanceAnalysis and research of ammonia synthesis catalyst usedin industry for nearly 10 yearsCHEN Wen2feng,ZHU Wei,YUAN Yi2ran,ZHU Li2zhong(Research Institute of Nanjing Chemical Industry Group,Nanjing 210048,China)Abstract:T wo catalysts for ammonia synthesis that have beenused in industry for nearly 10 years are analyzed to explore the causesfor losing activity.The characteristics,the different of reductionper2formance,the influence of the promoters and potassium of the twocatalysts are discussed.Key words:Catalyst for ammonia synthesis;Application;Losing activityJournal of Chemical Industry&Engineering2003 Vol124 No.1