管壳式石墨换热器及其泄漏原因分析

1、    管壳式石墨换热器及其泄漏原因分析                         更新时间：2010-07-22 15:42:53               &

2、#160;                                张志勋1,齐广辉1,周坤1,阮鑫1*,申知瑕2    (1.河北化工医药职业技术学院,河北石家庄050026;2.河北安装工程公司,河北石家庄050031 )  &#

3、160; 摘要:介绍了管壳式石墨换热器及其制造情况,结合生产实践的经验,分析了管壳式石墨换热器泄漏的原因,提出了管壳式石墨换热器制造、现场安装和使用过程中注意的问题。    关键词:管壳式石墨换热器;泄漏;原因;制造工艺    中图分类号: TQ 051·501文献标志码: B    近年来,管壳式石墨换热器由于具有优良的耐腐蚀性能,已被广泛应用于化工、医药、氯碱等工业生产中的热交换场合。然而,管壳式石墨换热器在使用中也存在明显的质量问题,其中主要是密封性能欠佳,易过早泄漏。有时发生泄漏的突发性

4、很强,会给生产带来很大的损失。文中结合笔者试验及生产实践的经验,分析了管壳式石墨换热器泄漏的主要形式、特征及其产生的原因,提出了在制造、安装和使用中注意的问题。    1管壳式石墨换热器简介    1.1结构    管壳式石墨换热器的结构型式较多,如GH型换热器(立式)主要由上管箱、上管板、出水口、壳体、换热管、膨胀节、下管板、入水口及排气口等部分组成。目前,国内管壳式石墨换热器管束是用不透性石墨换热管和管板用粘接剂粘接组成,钢制壳体两端设置不透性石墨材料或钢衬胶的封头1。  

5、0; 1.2制造技术    目前,管壳式石墨换热器的制造工艺有压型不透性石墨工艺、电极浸渍酚醛树脂工艺、化工专用石墨浸渍树脂工艺以及综合性工艺等4种。国内使用较多的是压型不透性石墨工艺,即将人造石墨粉与合成树脂混合,经压型、固化机械加工并且装配而成。其工艺的特点是生产周期短、制造方便、成本低且所制成的换热器强度比较高,但是导热性能相对较低。该工艺特别适用于制造管壳式石墨换热器,例如前苏联的ATM-1型石墨产品,其配方为粗颗粒人造石墨33%、细颗粒人造石墨43.6%、酚醛树脂23.4%。我国已经采用这种工艺生产了大量的管壳式石墨换热器,是我国目前所使用石墨换热器中的

6、主要产品。    为了使石墨换热器能用于某些特殊介质的工况,近年来各生产厂家根据需要调整生产工艺,采用不同的粘接剂满足不同的需求。如用酚醛-呋喃树脂代替传统的酚醛树脂所制成的石墨换热器能够适用于各种酸、碱介质。也有的厂家研制出聚氯乙烯压型石墨管,这种管材具有热塑性、可焊性和优异的耐腐蚀性,可替代酚醛石墨压型管,而成本比浸渍石墨管和压型石墨管更低,用其制造的管壳式石墨换热器广泛应用于氯碱、农药和硫酸等工业生产中,效果较好。又如改性聚丙烯石墨换热器,因为具有无结垢、无污染、清洁卫生的优点而在食品工业中得到应用。还有的工厂采用这种工艺生产不透性石墨板,其特点是在配料中填

7、充了玻璃纤维,大幅提高了换热器的机械强度、抗冲击性和耐腐蚀性2。    1.3不透性石墨材料增强技术    为了提高设备性能,石墨换热器用材可用涂敷法、覆盖法和混入法强化处理。例如石墨管采用碳纤维缠绕法可使其强度大幅提升。    (1)涂敷法涂敷法是在石墨材料表面涂敷耐磨陶瓷氧化物,从而提高材质的耐磨蚀性,适宜于介质流速快、固体含量大的工况。当管壳式石墨换热器用于处理含有较多固体颗粒或流速较快而存在磨蚀危险的条件时,可以在管板的进料侧涂敷这种涂层,实践证明其效果显著3。   

8、 (2)覆盖法覆盖法是利用树脂浸渍碳纤维束来覆盖浸渍石墨板的上、下两个表面达到增强的目的。结果表明,经该法增强的石墨板与未增强的普通石墨板比较,前者抗弯强度比后者提高40%,这样增强的浸渍石墨可避免换热器运行中石墨板材因受固体颗粒介质的冲刷而损伤(如磷酸中因CaSO4引起的磨蚀现象)。    (3)混入法混入法是将碳纤维混入石墨材料中再压制成型,可使材料断裂强度提高1.52倍抗磨蚀性提高45倍。石墨换热器用增强石墨管是先将碳纤维束浸入树脂或树脂溶液,然后缠绕在石墨管的外表面。缠绕以后,把管子加热到120180,使树脂固化而形成坚固的传力桥。这种增强石墨管即使在负载

9、骤减和应力波动时,也能保持其增强效果。采用这种增强石墨管也可使管板与石墨管之间的粘接强度得到提高,石墨管的破坏压力增加了30%40%。由此装配成的管壳式换热器在强烈机械应力或热应力下,或有固体颗粒介质的恶劣环境中亦能稳定运行。    1.4化工专用石墨材料    为了优化材质改变石墨坯材的结构而发展细颗粒、低孔隙率、高强度的石墨产品,国外一些先进国家开发出了颗粒度小于0.35 mm的石墨坯材,而美国拥有当今世界上独特的大块细颗粒结构不透性石墨材料,其最大颗粒仅为0.15 mm。这些化工专用石墨材料颗粒细、密度高、机械强度和换热性能好是

10、世界各国制造石墨换热器所用的首选材料4。近年来,我国化工用石墨原材料也在随着技术的不断提升和更新,可以生产性能优良的坯材,其粒度细、孔隙率低,使用温度和使用压力得到了很大提高。但与国外先进厂家相比,技术性差距虽在不断缩小,差距仍然很大。目前,我国石墨换热器的使用量越来越大,因此,加快开发细颗粒、高强度化工专用石墨材料,满足不同用户的需求的任务还很艰巨。    1.5大规格、高参数石墨换热器    管壳式石墨换热器的规格大型化、高性能趋势已十分明显。管壳式石墨换热器的最大换热面积已大于1 500 m2。这些采用大型整体石墨板材制成的大型

11、换热器工作效率高,广泛用于硫酸的浓缩以及化肥工业生产中P2O5的浓缩等。我国管壳式石墨换热器的最大换热面积也在提高,为此,有的制造厂家配备了大型混合设备及振动成型机,已能生产直径为1 000 mm、1 200 mm、1 300 mm、1 500 mm等尺寸的块材和板材,并在焙烧、浸渍和石墨化处理工艺方面进行了有益的探索。这均为我国大型石墨换热设备的生产打下了坚实的基础5。多年来的实践证明,研发大型、高性能石墨换热设备需要各方面多专业密切配合及协作,单方面或局部的努力是难以达到预期目标的。    1.6存在问题    目前,用于制造石墨

12、换热器的主要问题是材料在苛刻的工作条件下,石墨换热器表现出机械强度较低、使用温度不高的弱点,难以处理强氧化性的介质。这些问题的存在,使国产管壳式石墨换热设备密封性能较差,易泄漏。此外,从国内石墨换热器的整体行业技术水平和生产装备来看,与先进国家相比还比较落后,如特种介质及特殊要求的石墨换热器的研制与使用尚不够成熟,制造安装标准也有待进一步修订等。    2管壳式石墨换热器泄漏原因分析    2.1换热管质量    国产管壳式石墨换热器大多使用的是酚醛石墨压型管,由人造石墨粉和酚醛树脂按一定比例配制混合、挤

13、压而成,其密实无孔,不需进行树脂浸渍或表面机加工,但管体本身必须固化完全、表面光洁、无裂纹、无砂眼等。安装换热器时,若单管的试压和表面检测不严格,不符合上述要求的换热管就可能被误用。换热管以粘接形式固定在管板上,形成管束对管板的约束作用。在生产使用中,管板受介质压力作用必然发生变形,一是连接设备之间发生方向各异的纵向拉伸或压缩,二是随着换热器各零部件变形的不均匀导致管板挠曲使换热管发生弯曲此时,越靠近边缘的管子弯曲越大。而有缺陷的石墨压型管若布置在受力变形较大的区域时,很容易发生断裂导致泄漏。    2.2换热管与管板连接    管壳

14、式石墨换热器管头与管板多采用胶粘连接形式。这种连接方式对制作安装要求较高。首先粘合剂的许用剪切应力要足够大。因为在粘接面上,要能承受由温度、操作压力以及设备装配时所产生的轴向力,还要能承受立式安装时物料和设备质量所引起的轴向力。这几种力在粘接面上共同产生的剪切应力不能超过粘合剂的许用剪切应力。其次要采用合理的粘接面。要保证管头插入管板的深度和锥度尺寸,以确保足够的粘接强度和气密性。插入长度要适当,不足时抗拉脱力不够,过长时粘接处产生的温度应力大,反而有害。此外胶粘质量也要稳定。这涉及到粘合剂的制备和胶粘工艺的合理性(如粘接面四周的胶泥是否均匀,是否存在气孔,各石墨管的长度偏差是否在规定范围,管

15、头与管板孔的严密贴合程度如何)。若施工不当,则易造成各列管抗拉脱力严重不均衡,抗拉脱力弱者先泄漏。    2.3管板材质与结构    鉴于有的换热器尺寸偏大,应用条件恶劣及各制造厂技术水平参差不齐,管板采用整体制造有一定的难度,国内制造厂多采用双层或多层平板拼接结构。这样,粘接缝就成为管板的薄弱区,在受力条件恶劣时,可能导致局部开裂。此外,安装时产生过大的安装应力会影响粘接的可靠性。现场安装设备时,管路与设备间产生安装应力不可避免,过大且非均匀的安装应力在短时间内可能不会影响粘接强度,而长时间作用极易使粘接缝开裂。例如2006年国内某

16、化工厂在设备安装使用3个月后,发生了石墨管板材料的脆性裂纹及断裂。经分析认为,设备使用的石墨换热器管板是采用双层或多层平板拼接结构,加工成品后浸渍酚醛树脂,由于粘接缝树脂和浸渍树脂与石墨材料的热膨胀系数不同,在较高操作温度下浸渍树脂和石墨材质发生显著热变形。因树脂膨胀变形大于石墨材质变形,变形不均造成两者间产生应力,该应力累积到足够大时,石墨材质受浸渍树脂挤压而发生脆性断裂。    2.4其他方面    (1)使用温度过低换热器使用温度过低易导致裂纹及泄漏。2008-10,石家庄某电化厂设备使用过程中,在温度降至25-20时,饱和盐酸

17、形成水化物结晶,堵塞列管,致使脱水系统因阻力过大不得不紧急停止装置运行。    (2)壳体焊缝处遭受腐蚀引发的泄漏壳体泄漏的部位多为设备壳体的纵、环焊缝区。如某厂所使用的石墨换热器的冷凝介质为-35盐水(CaCl2水溶液,相对密度为1.2751.295, pH=7),换热器壳体材质为Q235-A。该设备仅使用了45 d即泄漏。分析数据显示,该冷却循环系统死角或流动不畅处存在较严重的非均匀腐蚀和局部点腐蚀。    3注意事项    3.1制造    3.1.1制造工艺 

18、;   从长远的发展看,应尽可能提高石墨换热器制造的标准化、专业化及制造精度,换热器的制造工艺要不断进行优化,可以在原生产工艺的基础上,采取补强、补韧措施,以进一步提高换热器的力学性能、抗冲击性和耐腐蚀性等。    石墨换热器的制造工艺可以进一步拓宽,除了选用压型不透性石墨工艺外,还可考虑使用电极浸渍树脂工艺、石碳浸渍酚醛树脂工艺及综合性的制作工艺等。在采用这些工艺时,浸渍剂的选用不容忽视,如聚四氟乙烯浸渍的石墨材料、二乙烯基苯浸渍的石墨材料、呋喃树脂浸渍的石墨材料等和压型柔性石墨材料等,可用于多类苛刻具有不同化学腐蚀的特殊场合6。 

19、   为了保证和提高管子和换热板的连接质量,一是选择性能优良且合适的粘结剂,二是要进一步提高粘接的均匀度和紧密度。    制造石墨换热器时,尽可能选择热膨胀系数相同或相近的材料进行组配,以防止设备在线运行时温差应力和剪切应力过大而造成的损伤7。对整个设备的各个连结点来说,决不能强行组对硬性连接(特别是管子与管板连接处),以控制各零部件间连接应力的合理分布及其动态均匀性。    石墨换热器的外壳宜采用石墨材质,或采用钢制壳体但需在内部作适度的防腐涂层。    3.1.2管板制造 

20、;   管板是管壳式石墨换热器最重要的零件之一,也容易出问题。换热器管板为一圆形板,一般用整张板割制,若管板较大较厚,可用几块拼接。但拼接质量要严格保证,除按相应的技术标准进行质量检验外,还应作消除应力后处理(通过适度的温度变化)。管板切割后,外圆和环形密封面等部位要进行机械加工。    管板主要加工工序是钻管孔,一般在摇臂钻上划线钻孔或用钻模钻孔。由于管孔数量多,用这种方法工作量很大而且精度低。对生产换热器的专业工厂,应采用先进的多轴钻床加工管板孔,既可提高工效又能保证加工精度。用划线钻孔时,必须将2块管板叠压在一起配钻,钻后依次编上序号和方

21、位号,以便组装时按此顺序和方位排列,保证管端装配顺利和正确。    管孔加工的实际偏差应小于允许偏差。钻孔后应抽查管板中心角不小于60°区域内的管孔,在此区域内允许有4%的管孔上偏差大于所要求的偏差值,但数量不超过所要求的偏差值的5%。此外,由于管头多用粘接法连接,故要求管板孔和管端的配合表面具有适当的粗糙度(由试验确定)。实践证明,换热器材质或规格不同,其适宜的粗糙度亦有所不同。管板和管子装配前,应对管端和管板孔配合处进行洁净处理,以保证粘接的牢固性和紧密性,同理,胶粘剂的强度和韧性亦应保证8。    3.2安装及使用    管壳式石墨换热器的安装质量及安装精度对其能否正常安全使用至关重要。因此,提高换热器的现场安装及修理精度,防止和减缓因工作中的变形而造成的过大应力,从而避免导致设备产生裂纹的因素发生。在换热器使用的过程中,应严格控制工艺指标范围,严禁因温度过低而造成堵管和裂管,生产工艺中有易形成低温水化物结冰倾向的工况更应谨慎。    4结语    管壳式石墨换热器不同于常用