纏繞管式換熱器的簡介

纏繞管式換熱器不僅是大型化工工藝過程重要的設(shè)備，而且是一種高效節(jié)能的設(shè)備。這種換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且處于裝置關(guān)鍵部位，因此一旦這些換熱器發(fā)生泄漏，整套裝置必須要停工，而且重新制造一臺(tái)最快需要半年，企業(yè)的損失將非常巨大。正常換熱器的使用壽命一般在12～20年左右，企業(yè)可以根據(jù)實(shí)際使用情況和使用壽命的期限來有計(jì)劃地進(jìn)行更換，但是在國內(nèi)也有很多企業(yè)由于對繞管換熱器的全過程管理不到位，使用了很短時(shí)間即發(fā)生了質(zhì)量問題。為了確保纏繞管換熱器長周期運(yùn)行，對纏繞管換熱器使用的全過程管理十分必要。

1、纏繞管式換熱器簡介纏繞管式換熱器由繞管芯體和殼體兩部分組成。繞管芯體由中心筒、換熱管、墊條及管卡等組成。換熱管緊密地繞在中心筒上，用平墊條及異形墊條分隔，保證管子之間的橫向和縱向間距，墊條與管子之間用管卡固定連接，換熱管與管板采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接結(jié)構(gòu)，中心筒在制造中起支承作用，因而要求有一定的強(qiáng)度和剛度。殼體由筒體和封頭等組成。

它應(yīng)用于工程的主要優(yōu)點(diǎn)有：

a. 結(jié)構(gòu)緊湊，單位容積具有較大的傳熱面積。對管徑8～12mm的傳熱管，每立方米容積的傳熱面積可達(dá)100～170m2；

b. 可同時(shí)進(jìn)行多種介質(zhì)的傳熱；

c. 管內(nèi)的操作壓力高，目前國外最高操作壓力可達(dá)21. 56MPa；

d. 傳熱管的熱膨脹可自行補(bǔ)償；

e. 換熱器容易實(shí)現(xiàn)大型化。

2、纏繞管式換熱器的工業(yè)應(yīng)用情況   在國外，纏繞管式換熱器廣泛應(yīng)用于大型空氣分離裝置的過冷器及液化器（液體氧、液體氨裝置），林德公司在合成氨甲醇洗系統(tǒng)中推出的纏繞管換熱器系列正是充分發(fā)揮了該種換熱器的作用。纏繞管式換熱器在我國目前主要應(yīng)用于大化肥合成氨裝置（美國德士古工藝）中甲醇洗工段，每套裝置中一般有6臺(tái)纏繞管式換熱器。

  在我國最早的十多套裝置中的纏繞管換熱器大都已更換，其中大都是已到使用壽命限期，但也有不少為管理不善而造成的損壞。表2是一些用戶的設(shè)備主要損壞原因，表3說明設(shè)備損壞原因的百分比。

3、纏繞管換熱器的使用管理

纏繞管換熱器的使用管理過程主要有4個(gè)方面：制造過程控制、除垢清洗技術(shù)的選用、裝置運(yùn)行的有效管理及產(chǎn)品缺陷修復(fù)方案的正確運(yùn)用。

3.1　制造過程的控制   由于纏繞管換熱器的特殊性，使用廠家必須從開始制造進(jìn)行全過程控制，根據(jù)不同的使用場合提出不同的控制要求。主要控制內(nèi)容：

a. 管子的選用。目前使用管子為有縫鋼管和無縫鋼管，有縫鋼管可靠性較差，適用于低壓；而無縫鋼管整體性能較好，但有薄弱區(qū)域，必須對接頭進(jìn)行固溶處理。腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)宜采用無縫鋼管；反之，宜采用有縫鋼管。盤管直徑大宜采用有縫管，直徑小宜采用無縫管。

b.盤管的控制。盤管控制的好壞直接影響到換熱器的換熱效率，尤其是對結(jié)垢情況影響較大。因此，盤管時(shí)必須使層間距適度，沒有窄間隙死角，防止局部區(qū)域布置不均勻，造成流體阻塞，降低流體的流通面積。

c. 焊接的控制。纏繞管的損壞形式最常見的是管口泄漏，這是設(shè)備的關(guān)鍵部位。一般纏繞管換熱器為了提高換熱效率，采用管子都比較小和薄，焊接容易產(chǎn)生缺陷。因此，焊接必須嚴(yán)格控制線能量，最好要采用自動(dòng)焊，焊縫要均勻和飽滿。

d. 纏繞管換熱器都是豎直運(yùn)行，下管板與管子間易產(chǎn)生間隙腐蝕，這也是較常見的破壞形式之一。因此，脹接要做到二點(diǎn)：一是要有合適的脹度，消除間隙，防止腐蝕；二是防止過脹，導(dǎo)致管板塑性變形，降低了脹接的可靠度。

纏繞管換熱器制造的控制除了上述幾個(gè)方面外，還有材料的控制、設(shè)計(jì)的控制等，使換熱器產(chǎn)品符合不同企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)。3.2　除垢技術(shù)的選用   目前國內(nèi)企業(yè)繞管換熱器的損壞大多由于酸洗除垢技術(shù)不成熟造成的，其中主要是酸洗方法不當(dāng)。目前常用的酸洗液主要使用3種，即5%的HCl液、硝酸或氫氟酸以及檸檬酸。其中HCl的酸洗主要用于碳鋼，后二者主要用于不銹鋼酸洗。硝酸或氫氟酸酸性較強(qiáng)，它利用的是使垢剝落的原理進(jìn)行除垢，且容易產(chǎn)生腐蝕；而檸檬酸是通過絡(luò)合作用來除垢，酸性較弱。以甲醇換熱器為例分析損壞原因。鎮(zhèn)海煉化公司的E9、E10酸洗時(shí)，管束材料是碳鋼，使用HCl酸液，酸洗后換熱器下部的酸液沒有及時(shí)排盡，使一些殘液停留在下管板死區(qū)，在大修停工期間產(chǎn)生酸性腐蝕，使管子損壞；上海某化工廠一臺(tái)36t繞管換熱器，使用氫氟酸溶液進(jìn)行酸洗，由于氫氟酸對焊縫的腐蝕性相當(dāng)強(qiáng)，酸液滲入到管板接頭間隙，導(dǎo)致管頭焊縫裂開；寧夏化工廠15E6用HNO3液除垢，HNO3除垢后將產(chǎn)生大量Fe3+，酸洗時(shí)間稍長，使Fe3+含量遠(yuǎn)大于6×10-4的標(biāo)準(zhǔn)值，Fe3+依附于管子產(chǎn)生腐蝕，再加上HNO3酸洗時(shí)間長，沒有及時(shí)排盡，酸液本身就產(chǎn)生較強(qiáng)腐蝕，導(dǎo)致管束損壞。   目前，比較成熟的酸洗方法應(yīng)是采用酸性比較弱的檸檬酸，采用多次少停留的辦法，對一臺(tái)換熱器進(jìn)行多達(dá)5～6次酸洗，每次時(shí)間短，沖洗干凈，使得Fe3+不超標(biāo)并且及時(shí)帶走，保證換熱器不受腐蝕。   除垢清洗技術(shù)的正確使用對換熱器壽命非常重要，應(yīng)用管理中必須引起高度重視，采用合理的工藝方案進(jìn)行酸洗。

3.3　裝置操作的管理   纏繞管由于原料雜質(zhì)問題引起質(zhì)量問題的也不少，按照設(shè)計(jì)要求，纏繞管式換熱器用于介質(zhì)雜質(zhì)少、容易清洗的場合，因?yàn)槔p繞管換熱器為了追求其緊湊性，管間距與層間距的間距比較小，所以對原料的要求也較高。一旦裝置波動(dòng)等就可能引發(fā)原料雜質(zhì)多而容易造成堵塞。因此，要有效地在操作上做好以下幾方面：a. 原料的選擇。原料的雜質(zhì)含量必須嚴(yán)格控制，雜質(zhì)含量增加會(huì)使部分雜質(zhì)粘附于層間的支撐件上，這樣隨著時(shí)間延長，容易造成通道堵塞，致使換熱面積大幅降低。

b. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。為防止粗大雜質(zhì)進(jìn)入換熱器，要在系統(tǒng)的上游增設(shè)過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)的目數(shù)要視雜質(zhì)大小而定，原料通過過濾后才能進(jìn)入換熱器，這樣防止了原料在管殼程內(nèi)部造成堵塞。

c. 增加反沖洗裝置。在換熱器運(yùn)行過程中，雜質(zhì)容易向下沉積，一方面堵塞流道，另一方面產(chǎn)生垢下腐蝕，因此在換熱器的下部增設(shè)反沖洗，通過氣泡的形式，攪擾內(nèi)部的沉積雜質(zhì)，使雜質(zhì)一起隨介質(zhì)流走。另外，在裝置操作中要特別注重開停車的溫度和壓力的升降，要嚴(yán)格控制升溫的速度和壓力的匹配，否則容易造成熱脹冷縮不均勻等破壞管頭連接。

3.4　設(shè)備修復(fù)方案的正確選用   纏繞管換熱器一般運(yùn)行周期較長，但經(jīng)常出現(xiàn)問題，主要問題有堵塞、管子泄漏和管口泄漏等，正確選擇合適的修復(fù)方案對裝置十分重要。換熱器出現(xiàn)堵塞后，疏通的方法有兩種：一種是用高壓水槍沖洗，主要針對堵塞不是很嚴(yán)重的情況；第二種就是用酸清洗辦法，主要用于嚴(yán)重堵塞。如換熱器經(jīng)查出現(xiàn)了管子泄漏，那只有在試壓查漏明確的情況下進(jìn)行堵管。換熱器出現(xiàn)了管子泄漏問題，要分兩種情況進(jìn)行修復(fù)：管口數(shù)量少，則采用堵管辦法；管口數(shù)量較多，堵管后會(huì)嚴(yán)重影響換熱效果，則宜選用抽芯補(bǔ)焊的辦法修復(fù)繞管，纏繞管式換熱器的抽芯修復(fù)雖然復(fù)雜，但修復(fù)成功的事例較多。

4、纏繞管換熱器的應(yīng)用前景分析纏繞管換熱器目前較多地應(yīng)用于化工領(lǐng)域的深冷裝置，如空分和甲醇裝置，隨著國內(nèi)對纏繞管換熱器研究的深入，國內(nèi)多家單位不斷攻關(guān)，擴(kuò)大纏繞管換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域已取得初步的成績，主要有以下幾方面趨勢。

4.1　纏繞管換熱器的大型化    由于纏繞管換熱器特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它封頭小，管子可以長達(dá)數(shù)百米，目前已開發(fā)制造了一些大型的纏繞管換熱器。如德州石化所使用的大型繞管換熱器，該換熱器尺寸為1600mm×20000mm，重達(dá)60t，換熱面積為2000m2，是普通類似殼體換熱器的2倍左右。隨著裝置的大型化，這種纏繞管換熱器也要求不斷大型化。而普通列管式換熱器由于管子限制無法把換熱器做大。

4.2　纏繞管換熱器的高溫化   纏繞管換熱器具有高效的換熱性能，但目前基本上應(yīng)用于深冷裝置。從2001年開始合肥通用所等企業(yè)開始研究應(yīng)用于高溫場合的纏繞管換熱器，并于2002年在鎮(zhèn)海煉化投用，這種換熱器采用CrMo鋼耐高溫材料，操作參數(shù)見表4。經(jīng)過幾年運(yùn)行，該換熱器的性能達(dá)到使用要求，質(zhì)量也較可靠。這種產(chǎn)品的成功應(yīng)用，使得纏繞管換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域大大拓寬，可以從低溫應(yīng)用轉(zhuǎn)向高溫應(yīng)用，只要介質(zhì)允許，在煉油行業(yè)也可以充分發(fā)揮繞管換熱器的優(yōu)點(diǎn)。

4.3　纏繞管換熱器的高壓化   纏繞管換熱器目前多應(yīng)用于殼程壓力高，管程壓力低的場合，一般殼程壓力達(dá)到15.0MPa，而管程壓力普遍小于5.0MPa。由于纏繞管換熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管板小，殼程大，兩端入口封頭小，該結(jié)構(gòu)能克服普通高壓換熱器的弊病。普通高壓換熱器均采用浮頭式或U形管式，當(dāng)壓力提高，不僅殼體厚度加大，而且法蘭的強(qiáng)度等級要大幅提高，一般的高壓換熱器如壓力大于10MPa，當(dāng)做到1.4m時(shí)，換熱器將是非常龐大，法蘭也非常厚。而且隨著裝置的大型化，高壓換熱器也需要不斷擴(kuò)大，這就給制造帶來麻煩，如加氫裂化的鎖緊環(huán)式高壓換熱器，管程壓力14.5MPa，殼程壓力為18.5MPa，直徑為1.4m，其中換熱器的管箱重量就已達(dá)45t，制造非常困難，若改做浮頭式換熱器則很難保證換熱器的密封等要求。因此，隨著加氫裝置的大型化，鎖緊環(huán)換熱器也要大型化，要向1.6m或1.8m發(fā)展，不但制造難度大，而且由于結(jié)構(gòu)龐大，檢維修將十分困難。而纏繞式換熱器卻可通過加長長度來增大面積，而兩端的小管板使得連接法蘭小，容易制造。目前國內(nèi)一些單位正在進(jìn)行研究，以纏繞管式換熱器逐步替代煉油行業(yè)一些高壓換熱器，如加氫裂化和重整等裝置。

4.4　纏繞管換熱器的多股化隨著應(yīng)用的成熟，纏繞管換熱器逐步實(shí)現(xiàn)多股流換熱，這是其他換熱器的特殊性能。一臺(tái)換熱器一種殼程介質(zhì)可同時(shí)跟兩種或3種介質(zhì)同時(shí)換熱，這樣可以大大提高裝置的換熱效率和換熱空間。目前，國內(nèi)的多股流換熱器研究制造逐步開始，已有部分產(chǎn)品投入應(yīng)用。

4.5　纏繞管換熱器的微型化   纏繞管式換熱器由于其高效的換熱性能，它在向大型化發(fā)展的同時(shí)，也正逐步向微型化發(fā)展。在一些空間受到限制的地方，常規(guī)換熱器達(dá)不到熱交換的要求，而采用纏繞管換熱器能在同樣空間可滿足要求。正是由于這種良好性能，纏繞管換熱器已在微型領(lǐng)域使用。

5、纏繞管式換熱器是一種新型高效換熱器，如何正確地進(jìn)行設(shè)備的全過程管理對裝置運(yùn)行相當(dāng)重要。并且隨著應(yīng)用的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，將發(fā)揮越來越大的作用。