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管壳式换热器

什么是管壳式换热器?

管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单,操作可靠,可用各种结构材料(主要是金属材料)制造,能在高温、高压下使用,是目前应用最广的类型。

管壳式换热器

管壳式换热器结构与类型

管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形,内部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程流体;另一种在管外流动,称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数,通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑,管外流体湍动程度高,传热分系数大;正方形排列则管外清洗方便,适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程;每通过壳体一次称为一个壳程。
管壳式换热器由于管内外流体的温度不同,因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大,换热器内将产生很大热应力,导致钢管弯曲、断裂,或从管板上拉脱。因此,当管束与壳体温度差超过50℃时,需采取适当补偿措施,以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施,管壳式换热器可分为以下几种主要类型:

①固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体,结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时,可在壳体上安装有弹性的补偿圈,以减小热应力。

固定管板式换热器

②浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动,完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广,但结构比较复杂,造价较高。

浮头式换热器

③U型管式换热器:每根换热管皆弯成U形,两端分别固定在同一管板上下两区,借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力,结构比浮头式简单,但管程不易清洗。

U型管式换热器

④填料函式换热器填料函式换热器其结构特点是管板只有一端与壳体固定连接,另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩,不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单,制造方便,耗材少,造价低;管束可从壳体内抽出,管内、管间均能进行清洗,维修方便。其缺点是填料函耐压不高,一般小于4.0MPa;壳程介质可能通过填料函外漏,对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢,需经常清理且压力不高的场合。

填料函式换热器

⑤釜式换热器釜式换热器结构特点是在壳体上部设置适当的蒸发空间,同时兼有蒸汽室的作用。管束可以为固定管板式、浮头式或U 型管式。釜式换热器清洗维修方便,可处理不清洁、易结垢的介质,并能承受高温、高压。它适用于液-汽式换热,可作为最简结构的废热锅炉。

釜式换热器

管壳式换热器结构及制造标准

一般来说,管壳式换热器制造容易,生产成本低,选材范围广,清洗方便,适应性强,处理量大,工作可靠,且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热轻度和单位金属消耗量方面无法与板式和板翅式换热器相比,但它由于具有前述的一些优点,因而在化工、石油能源等行业的应用中仍处于主导地位。
管壳式换热器是把钢管与管板连接,再用壳体固定。它的型式大致分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种,前面我们简要介绍过。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件,管板与壳体的连接的各种结构型式特点,传热管的形状和传热条件,造价,维修检查方便等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。
管壳式换热器:是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器,这种换热器结构较简单、操作可靠,可用各种结构材料(主要是金属材料)制造,能在高温、高压下使用,是目前应用最广的类型。(设计制造遵循标准:国外 TEMA ASME 国内 GB151、GB150)

管壳式换热器中换热管与管板连接的工艺

在管壳式换热器中换热管和管板是换热器管程和壳程之间的惟一屏障,换热管与管板之间的连接结构和连接质量决定了换热器的质量优劣和使用寿命,是换热器制造过程中至关重要的一个环节。大多数换热器的破坏及失效都发生在换热管与管板的连接部位,其连接接头的质量也直接影响着化工设备及装置的安全可靠性,因此对于管壳式换热器中换热管与管板的连接工艺就成为了换热器制造质量保证体系中最关键的控制环节。目前在换热器制造过程中,换热管与管板的连接主要有:焊接、胀接、胀接加焊接以及胶接加胀接等方法。

1.焊接

换热管与管板采用焊接连接时,由于对管板加工要求较低,制造工艺简单,有较好的密封性,并且焊接、外观检查、维修都很方便,是目前管壳式换热器中换热管与管板连接应用最为广泛的一种连接方法。在采用焊接连接时,有保证焊接接头密封性及抗拉脱强度的强度焊和仅保证换热管和管板连接密封性的密封焊。对于强度焊其使用性能有所限制,仅适用于振动较小和无间隙腐蚀的场合。
采用焊接连接时,换热管间距离不能太近,否则受热影响,焊缝质量不易得到保证,同时管端应留有一定的距离,以利于减少相互之间的焊接应力。换热管伸出管板的长度要满足规定的要求,以保证其有效的承载能力。在焊接方法上,根据换热管和管板的材质可以采用焊条电弧焊、TIG焊、CO2焊等方法进行焊接。对于换热管与管板间连接要求高的换热器,如设计压力大、设计温度高、温度变化大,以及承受交变载荷的换热器、薄管板换热器等宜采用TIG焊。
常规的焊接连接方法,由于钢管与管板孔之间存在间隙,易产生间隙腐蚀和过热,并且焊接接头处产生的热应力也可能造成应力腐蚀和破坏,这些都会使换热器失效。目前在国内核工业、电力工业等行业使用的换热器中,换热管与管板的连接已开始使用内孔焊接技术,这种连接方法将换热管与管板的端部焊接改为管束内孔焊接,采用全熔透形式,消除了端部焊的缝隙,提高了抗间隙腐蚀和抗应力腐蚀的能力,其抗振动疲劳强度高,能承受高温、高压,焊接接头的力学性能较好;对接头可进行内部无损探伤,焊缝内部质量可得到控制,提高了焊缝的可靠性。但内孔焊接技术装配较难,对焊接技术要求高,制造和检验复杂,并且制造成本相对较高。随着换热器向高温、高压和大型化发展,对其制造质量要求越来越高,内孔焊接技术将会得到更加广泛的应用。

2.胀接

胀接是一种传统的换热管与管板的连接方法,利用胀管器械使管板与钢管产生弹塑性变形而紧密贴合,形成牢固连接,达到即密封又能抗拉脱的目的。在换热器的制造过程中,胀接适用于无剧烈的振动,无过大的温度变化,无严重的应力腐蚀的场合。目前采用的胀接工艺主要有机械滚胀和液压胀接。机械滚胀胀接不匀,一旦钢管与管板连接失效再用胀管来修复十分困难;采用液袋式液压胀接由电脑控制操作,精度较高,并能保证胀接紧密程度均匀一致,连接的可靠性比机械胀接要好。但对加工精度要求严格,对密布的接头要保证胀接成功也有一定困难,如果失效再胀接修复也较为困难。

3.胀接加焊接

当温度和压力较高,且在热变形、热冲击、热腐蚀和流体压力的作用下,换热管与管板连接处极易被破坏,采用胀接或焊接均难以保证连接强度和密封性的要求。目前广泛采用的是胀焊并用的方法。胀接加焊接结构能够有效地阻尼管束振动对焊缝的损伤,可以有效地消除应力腐蚀和间隙腐蚀,提高了接头的抗疲劳性能,从而提高了换热器的使用寿命,比单纯胀接或强度焊具有更高的强度和密封性。对普通的换热器通常采用“贴胀%强度焊”的形式;而使用条件苛刻的换热器则要求采用“强度胀%密封焊”的形式。胀接加焊接按胀接与焊接在工序中的先后次序可分为先胀后焊和先焊后胀两种。
  • (1)先胀后焊胀接时使用的润滑油会渗透进入接头间隙,而它们对焊接裂纹、气孔等有很强的敏感性,从而使焊接时产生缺陷的现象更加严重。这些渗透进入间隙的油污很难清除干净,所以采用先胀后焊工艺,不宜采用机械胀接的方式。采用贴胀虽不耐压,但可以消除钢管与管板管孔的间隙,所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规手工或机械控制的胀接方法无法达到均匀的贴胀要求,而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀接方法可方便、均匀地实现贴胀要求。在焊接时,由于高温熔化金属的影响,间隙内气体被加热而急剧膨胀,这些具有高温高压的气体在外泄时对强度胀的密封性能会造成一定的损伤。
  • (2)先焊后胀对于先焊后胀工艺,首要的问题是控制钢管与管板孔的精度及其配合。当钢管与管板管孔的间隙小到一定值后,胀接过程将不至于损伤焊接接头的质量。但是焊口承受剪切力的能力相对较差,所以强度焊时,若控制达不到要求,可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。在制造过程中,换热管的外径与管板管孔之间存在着较大的间隙,且每根换热管的外径与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的。当焊接完成后胀接时,钢管中心线必须与管板管孔中心线相重合,才能保证接头质量,若间隙较大,由于钢管的刚性较大,过大的胀接变形将对焊接接头产生损伤,甚至造成焊口脱焊。

4.胶接加胀接

采用胶接和胀接的工艺有助于解决换热器中换热管与管板连接处经常出现的泄漏和渗漏的问题,重要的是根据被胶接件的工作条件正确选择胶接剂。在工艺实施过程中要结合换热器的结构、尺寸选择好工艺参数,主要包括固化压力、固化温度、胀紧力等,并在生产过程中严格进行控制。此工艺简单、易行、可靠,在企业的实际使用中已得到了认可,具有推广价值。

工艺的要点:

  • (1)在管壳式换热器换热管与管板的连接方法中,单独采用常规的焊接或胀接都难以保证连接强度和对密封性的要求。
  • (2)采用胀接加焊接的方法有利于保证换热管与管板间的连接强度和密封性,提高换热器的使用寿命。
  • (3)采用胶接加胀接的方法有助于解决换热管与管板连接时出现的泄漏和渗漏问题,工艺简单易行可靠。
  • (4)内孔焊接技术作为一种全熔透的焊接方法,抗间隙腐蚀和抗应力腐蚀的能力、抗振动疲劳强度、焊接接头的力学性能都很好;焊缝内部质量可得到控制,提高了焊缝的可靠性,首先更适宜在高端产品中推广应用。

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