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浅谈U型管换热器清洗

2019-10-28 10:41:18浏览:25 来源:清洗联盟   

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浅谈U型管换热器清洗

文章主要是介绍了U型管换热器的一些基本结构和特点及应用场合,同时结合国内一些近期的学术论文,介绍了U型管换热器发展的一些重要成果。主要是结合实际生产中遇到的一些问题,从理论和经验的角度提出一些较好的解决措施和处理办法等。从而为U型管换热器的设计和使用提供较好的理论依据,同时也为U型管换热器的发展研究提供了方向。

1、U型管换热器概述

在工业生产中,为了实现物料之间的热量传递过程的一类设备,统称为换热器.它是化工、能源、动力、医药和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。通常在化工厂的建设中,换热器约占总投资的10%~20%。在炼油厂中,换热器占全部工艺设备投资的35%~40%。

U型管换热器是一种典型的管壳式换热器,其管子弯成U形,管子的两端固定在同一管板上,因此每根管子可以自由伸缩,而与其他管子及壳体无关。U型管换热器仅有一块管板,且无浮头,所以结构简单,造价比其他换热器便宜。U形管束可以从壳体内抽出,所以管子便于清洗。但管内清洗困难,所以管内介质必须是清洁且不易结垢的物料。由于换热管呈U形,管子的更换除外侧一层外,内部管子大部分不能更换。管束中心部分存在空隙,所以流体易发生短路而影响传热效果。U形管的弯头部分曲率不同,管子长度不一,因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。


2、U型管换热器的特点和发展状况U型管换热器结构比较简单,价格便宜,承压能力强,适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗,又不宜采用浮头式和固定管板式场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。U型管换热器结构组成:管箱、管板、U形换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管等。总结起来U型管换热器的特点如下:

优点:

(1)由于壳体和管子分开,管束可以自由伸缩,壳体和管壁不受温差限制,流程较长,流速较高,管侧传热性能好,承压能力强;

(2)只有一块管板且无浮头,所以结构简单、紧凑,在直径相同的情况下换热面积最大,在高压工况下金属耗量比其它换热器小,造价比其它换热器低等;

(3)管束可以抽出清洗,可以用于壳程结垢较严重的场合。

缺点:

(1)U形管束在与换热管垂直方向的中心部位存在较大空隙,易结垢,流体易形成短路,使传热效率降低;

(2)管板上排列的换热管较少,管板直径及厚度均较大,管子与管板间的残余焊接应力大;

(3)换热管的弯管段无支承件,管束易振动,易在此处形成壳程流体流动死区,易结垢,影响传热效果;

(4)当U形管中有一根坏了,得同时堵死管子的两头,这样会造成二倍管长的换热管损失,比固定管板式的损失更多的换热面积。针对普通U型管换热器的诸多不足之处,金信化工有限责公司设计了一种高效、安全、可靠的新型U型管换热器。

现对其简单介绍如下:

新型U型管换热器的结构。该换热器的主要特点是:将换热器的筒体和换热管均设计制造成U形,换热管的两端分别固定在两块管板上,在U形换热管的弯管段设置折流杆或弹簧等管间支承件,在简体上设置供壳程清洗、排污用的接口。与普通U型管换热器相比,新型U型管换热器具有下列优点:

(1)换热器的筒体与换热管均为U形,换热管管束中心处无较大空隙,壳程流体不易形成短路或流动死区,管间不易结垢;

(2)在U形换热管的弯曲段设置了折流杆或弹簧、波网、空心环等管间支承件,可降低管束振动,强化换热管弯曲段的传热效果;

(3)在筒体上设置了供壳程清洗的接口,使壳程清洗较方便;

(4)将U形换热管的两端分别固定在2块管板上,减小了管板直径和厚度,降低了管板与换热管焊接时的约束应力及管子与管板间的焊接残余应力,可提高换热器的安全可靠性。

3、U型管换热器泄漏分析及解决措施[9]U型管换热器制造过程中,出现U形管煨弯变扁、变薄、开裂,管板与U型管胀接不牢固等质量问题。通过控制煨弯力度和采取防变形措施,控制U型管变扁和顶面裂纹;在U型管的顶面管壁贴焊加强块时,防止U型管的顶面管壁减薄;改变胀接工艺,解决U型管胀接不牢固现象等。这些措施在生产应用取得了满意的效果。

3.1原因分析

从工艺角度分析可知,管子弯曲时,中性层外侧的管壁受拉而减薄,内侧管壁受压而增厚。同时,对弯曲半径较小的U形管,未采取相应措施,管子弯曲处的横截面发生变形而成为近似椭圆形状,内侧管壁压应力超过了材料的屈服强度,造成u型管变扁、失稳起皱。

3.2解决措施

(1)对U型管弯曲半径小于2.5倍公称通径的管子,为防止管子产生变扁现象,煨弯前,应对管子充填经过筛分、洗净、烘干,不含有泥土、铁渣、其它杂质的砂子。

(2)采用加装扭力扳手的手动弯管机,根据管子屈服强度和弯曲半径,通过试验掌握弯曲力度。弯管时,定胎轮用销子或螺栓固定在工作台上。考虑到管子弯制后的回弹量,大轮的半径取弯管弯曲半径的0.8~0.95倍。动胎轮的半径以u形管最小弯曲半径为准进行选择,保证小轮在推架中转动自如,防止其卡死,造成管子变扁。

(3)由于弯管外力释放后,弯头会回弹3~5º角。在正式弯管前宜进行试弯,找出管子准确的回弹角度,煨制出合乎要求的U形管。

(4)管子弯制后应做通球试验,一般取球的直径为管子内径的0.75倍,具体以设计为准。U形管弯管段的圆度偏差,应不大于换热管名义外径的10%,对弯曲半径小于2.5倍名义外径的U形弯管段,可按照15%进行控制。

4、双壳程U型管换热器的一种失效形式-U型

管伸出管板的变形管板与管子连接的方法很多,目前一般多采用胀焊工艺,无论是先焊后胀或是先胀后焊,只要工艺得当,均能保证管板与管子的连接处具有良好的连接强度和密封性能。某厂的锅炉给水预热器是一双壳程U型管换热器。该设备管子与管板的连接,因壳程隔板以上的部分处于高温区,故采用强度焊加贴胀,而在壳程隔板以下部分,因处于较低的温度下,故管子与管板的连接仅强度焊。

该设备经一段时间运行后,发生泄漏失效。经拆开检查发现,壳程隔板以上的部分换热管管头与管板脱开,并伸出管板。详见图3所示。经观察,断裂位置主要在管子与管板的连接焊缝与管板表面的连接处。同时观察到部分脱出的管子管口向外翻出,呈喇叭口状。

值得注意的是:

(1)管口连接焊缝断裂,管子伸出仅出现在壳程隔板以上的换热管。而壳程隔板以下的换热管管口,虽然末贴胀仅强度焊,但仍完好无损。

(2)断裂管口的位置。可见管口出现断裂的换热管大都集中在壳程隔板以上,左、右折流板的重叠区,即支撑跨距较小的区域。

根据对上述失效形式的认识和理论分析,得出了以下结论:

(1)壳程压力对U形管会产生轴向推力,对于壳程压力较高、换热管直径较大的U型管换热器,此推力将比较大。

(2)双壳程U型管换热器,由于管、壳程流体在壳程隔板两侧具有温差,特别是逆流操作的换热器,会使同一U形管位于壳程隔板两侧的换热管产生温差,从而引起热变形差。若换热管的自由变形受到约束,如折流板,支撑及U型弯头的约束,则壳程上下的U形管内会产生方向相反的温度应力。

(3)由于压力产生的轴向推力与温差产生的轴向力相迭加后,使隔板以上的换热管受到由壳程侧向管程侧的轴向推力。而隔板以下的换热管受到由管程侧向壳程侧的轴向拉力。此力是隔板以上换热管造成管口断裂并于断裂后向管板外脱出的主要原因。

(4)在换热管受到轴向推力(向管程侧)及轴向拉力(向壳程侧)作用时,如果管子与管板间未胀接,则此力全部由连接焊缝承受,使焊缝处出现明显的应力集中,最大应力可达到轴向推力(拉力)引起的换热管上应力的5~6倍。这样的应力集中加之由于交变应力的作用,容易造成焊缝的疲劳断裂。

5、U型管换热器的一些其他研究及成果

5.1U型管换热器管束固有频率研究

为防止换热器流体诱导振动破坏,不论采用何种诱导振动机理和预测方法,都离不开管束固有频率的准确计算。目前,对于多跨U型管管束的固有频率,有关规范和文献推荐或提出了一些估算公式,现使用的美国TEMA规范和我国的《管壳式换热器设计规定》,也都是采用经验或半经验公式,适用范围有限,精确度较差,且缺少理论分析。U形管管束的固有频率,虽然也可以将其离散化,用有限元计算机程序进行计算,但相当复杂,不便于工程应用。本项研究是在上述背景上,采用理论分析研究与实验相结合的方法,得出应用范围广、计算误差小、便于工程设计的U形管管束固有频率的理论公式。笔者较全面地考虑了影响U型管固有频率的各种因素,不仅考虑了材料性质、管子外径D、U形弯曲半径R的影响,而且考虑了直边长度Ls和相邻跨长L1的影响。最后得到以下几个理论估算公式,与试验结果比较,该公式的误差一般在±8%以内,计算也简便,适用于工程设计、校核和预测5.2U型管换热器振动的分析计算及处理对策[6]研究者通过对A—EA409液氨/释放气换热器为卧式U型管式换热器进行的振动和噪音分析,得出了以下结论:

(1)换热器发出尖锐的噪音由于两个方面:一个是由于气流在管束及折流板等处流动时,因流动脱离而形成了涡流及涡流分裂而形成的;另一个是因气流中存在涡流而引发了气体振动,因气体振动产生了气体动力性噪音。当气流及声波产生的振动频率作为激振源,与管束固有频率接近时,就会激起管束共振。

(2)实际运行中的换热器发生振动时,可采用振动频谱分析的方法,测量其共振频率,作为换热器的固有频率,对其他振动因素进行分析校核;对换热器的噪音测量可辅助判断振动部位。设计换热器时,应考虑流体诱导振动对换热器的影响,并对其进行校核,避免投入使用后对生产造成巨大损失。

(3)在不影响横流速度的情况下,在折流板间增加纵向隔板,是解决声波振动、卡曼旋涡及紊流抖振诱发振动的有效方法。

总之,通过以上的介绍。读者能对U型管换热器有个比较全面的了解。在设计和使用U型管换热器会对相关问题加以关注和思考,从而为U型管换热器的设计、制造和使用,提供了依据和注意的事项。比如换热管振动以及U形管伸出管板的变形等问题,设计人员要求在设计阶段就要考虑到这些问题,采取相应的对策,使得设计最优化。

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