可拆式高效大型管束在空氣加熱器應用

馮吉建

南京圣諾熱管有限公司 江蘇南京 210000

為了實現聚合物乳液化工工藝單線產能大型化的實際需求，工程中對空氣加熱器設備大型化、高效傳熱性能提出了更高的要求。同時，為了實現空氣加熱器設備持續高效傳熱及連續生產的需要，要求設備核心傳熱元件管束可拆，滿足清洗需求。

在現役的空氣加熱器運用中，經常使用螺紋法蘭[1]加填料密封結構[2]，實現小模塊單體管束可拆。在空氣加熱器設備長期運行中，螺紋法蘭與螺紋接管經常拆卸，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；螺紋密封法蘭維護成本較高等缺點。

本文結合某項目可拆式高效大型管束空氣加熱器設備，用可拆式活套法蘭加可拆輔助套管結構代替螺紋法蘭結構，從設計、制造、生產方面綜合考慮，實現高效大型管束可拆，滿足設備使用要求。

空氣加熱器設備總體結構如下圖1所示，從翅片管結構，可拆管束結構型式、大型可拆管束可位移結構的設計，管板與換熱管連接結構等方面進行介紹。

圖1 可拆式高效大型管束空氣加熱器

空氣加熱器設備按空氣流向分為三個位號，分別為AW150、AW160、AW190。三個位號設備工藝參數詳見表1。

表1 設備工藝參數

1 空氣加熱器翅片管結構選擇

為了滿足某化工單元工藝參數，要求空氣加熱器換熱管采用高性能傳熱元件。經工藝傳熱計算，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點：

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

（2）單位長度換熱面積大，傳熱量高，結構可靠，壽命長。

（3）翅片表面光滑無毛刺，無皺折，不易結垢，易于清洗（可用高壓水沖洗）和排除表面積水，流動阻力低，能長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。熱鍍鋅規范要求和測試方法應該遵循GB/T13912-2002《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱侵鍍鋅層技術要求及試驗方法》執行，后續進行軋制鋁翅片。管板材質為Q245R（正火，熱鍍鋅），空氣殼體材質為S30408。

2 空氣加熱器可拆管束結構型式的選擇

空氣加熱器設備中，為了實現小模塊化單體管束可拆，常使用螺紋法蘭加填料密封結構。如圖2所示：

圖2 螺紋法蘭加填料密封-可拆式管束結構

在設備長期運行中，螺紋法蘭與螺紋接管經常拆卸，有如下問題：多次上緊存在螺紋密封泄露、銹蝕拆卸困難、螺紋密封法蘭維護成本較高等缺點。采用可拆活套法蘭代替螺紋法蘭，同時填料密封結構中增加了可拆輔助套管結構。如圖3所示：

圖3 活套法蘭可拆式管束結構

空氣加熱器可拆結構采用可拆活套法蘭加可拆輔助套管具有以下優點：

（1）活套法蘭拆卸簡單、容易。

（2）多次拆卸，密封性能可靠。

（3）可拆輔助套管的增加，對管程進、出口接管局部應力起到了保護，實現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構的設計

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，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。熱膨脹的位移導致換熱管與管板焊接接頭產生較大的熱應力，導致焊接接頭焊縫開裂。本設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構設計。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，同時連接板上腰型孔的設置也滿足了熱膨脹位移的要求。具體結構如下圖3所示：

4 管板與換熱管連接結構的選擇

通過以上大型可拆管束結構的設計，管板設計為方形管板，換熱管與管板連接采用常規的強度焊+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大于換熱管壁厚，管內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（手工或全機械化），第二層應完全覆蓋第一層，管內壁熔合線至少與換熱管內表面平齊。

（3）對于換熱管與管板連接，應進行模擬試驗，模擬試驗程序文件應與相關焊接程序規范和焊工焊接操作員資格記錄需滿足NB/T47014焊接程序規范要求。

（4）手工焊接時，第二層起弧點應與第一層至少偏移90°。每道焊接后都應進行100%PT檢測。對于GTAW應采取適當的措施，保證不留弧坑。

5 蒸汽進、出口接口載荷設計

此項目為二期擴產、改造項目，設備場地局限。在蒸汽進、出口配管中，受溫差影響、管路支撐限制。管路設計中產生較大的管口局部載荷。同時，此設備是填料密封結構，蒸汽進、出口不能承受較大的局部應力。故在與設備連接的蒸汽進、出口接口上增設金屬軟管，來解決局部載荷較大的問題[4]。

6 結語

本項目將管束采用可拆活套法蘭代替螺紋法蘭結構，填料密封結構中增加了可拆輔助套管，對管程接管局部載荷起到了很好的保護及實現填料處壓蓋及大模塊蓋板可拆的作用，同時優化了可拆大型管束剛性及熱膨脹位移的設計。

目前大型化工藝參數的需要，沿空氣流向對管束進行多級并聯或者多級串聯布置。使空氣加熱溫度實現多級可調?？刹鸸苁Y構，能實現單體管束拆卸，清洗，設備總體運行不停車，滿足了實際化工操作彈性的需求。

結合本項目，設備中采用沿空氣流向對管束進行兩并五串布置，共計十個管束組，滿足了大型化工藝參數的要求，實現了可拆式高效大型管束在空氣加熱器中的應用。