高溫高壓管殼式熱交換器

1）型式高溫高壓熱交換器通常指其工作溫度在350℃以上，壓力在10MPa以上。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高溫高壓的要求已進一步顯得迫切，溫度超過1000~1500℃、壓力超過20~30MPa的熱交換器屢見不鮮。在高溫高壓條件下，盡管某些場合仍在使用蛇管式或套管式熱交換器，但由于它們的傳熱效率一般較低，金屬耗量大，結(jié)構(gòu)笨重，處理量也較小，因而使用管殼式熱交換器的趨向有了增加。

就型式而論，高溫高壓熱交換器和常用的管殼式熱交換器并無多大差別，只是在結(jié)構(gòu)上已獲得相當(dāng)多的改進。常用的型式仍為固定管板式、U形管式和浮頭式三種。固定管板式熱交換器適用于溫差小或溫差稍大但殼程壓力不高以及殼程結(jié)垢不嚴重的情況。一些新型結(jié)構(gòu)的管板，例如圖2.42所示

的橢圓管板和圖2.43所示的撓性管板等彈性管板結(jié)構(gòu)，可以用于更高參數(shù)條件。高溫高壓的浮頭式熱交換器也有采用，但浮頭式的設(shè)計比較困難，且在很高溫度下密封墊片或盤根難以有效地工作，故其應(yīng)用相對較少。圖2.54所示的是改進了的設(shè)計，在浮頭端的管程上設(shè)有膨

脹節(jié)，浮動管板可沿殼體軸向自由滑動，但固定管板與膨脹節(jié)均與殼體焊死，管束不能從殼體內(nèi)抽出。而且膨脹節(jié)也承受不了過高的壓力。若采用外填料函式浮頭熱交換器，雖浮頭管板可自由伸縮，但滑動處密封在很高的壓力下可能會發(fā)生泄漏，因而其使用仍受到一定限制。

2）結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，管板、管箱、密封部位、管子與管板的連接、高溫流體人口部位以及熱膨脹結(jié)構(gòu)等的好壞，直接影響熱交換器的制造成本、使用壽命和運行的經(jīng)濟性。

（1）管板管板在熱交換器制造成本中占有相當(dāng)比重。在高溫高壓條件下，200~300mm厚度的管板是不足為奇的。然而如此厚的管板給制造上帶來很大困難。管板上管孔加工的質(zhì)量對管板的強度，剛度以及與管子的連接都有影響，因而需要深孔鉆床以提高精度，防止偏斜。管子與管板的連接常采用脹接加焊接的方法，爆炸焊接和爆炸脹接等新技術(shù)也已被采用。

厚度大的管板，還會產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力。管板在徑向上的受熱不均，也會引起很大的熱應(yīng)力，例如管板中心溫度很高，而邊緣溫度較低，在快速停車或快速啟動時，可能使管板損壞，從降低管板冷、熱兩面的溫差應(yīng)力考慮，應(yīng)盡量減小管板厚度。但在這里首先要考慮高壓下的強度需要，當(dāng)然也應(yīng)考慮管板本身的熱應(yīng)力。對于固定管板，尚需考慮殼體和管束熱膨脹的溫差應(yīng)力，所以對高溫高壓下管板厚度的減薄應(yīng)持慎重態(tài)度。

對于單一管板材料不能同時適應(yīng)兩種流體的腐蝕時，可以采用雙金屬管板；若只有一種流體有強烈腐蝕作用，而管板又大又厚時，采用復(fù)合管板來代替貴重材料制造的整體管板是比較經(jīng)濟的。但當(dāng)大厚度的復(fù)合管板不易取得時，也可用堆焊襯里來解決，這時堆焊母體材料常是碳鋼或低合金鋼，堆焊材料則根據(jù)需要選擇。

（2）密封及管箱管箱的結(jié)構(gòu)、密封形式、法蘭連接和管箱上的開孔等部件設(shè)計的好壞，直接影響熱交換器的效率高壓時，由于作用在開孔蓋板上的力與開孔直徑的平方成正比，因而應(yīng)盡量減小各種開口

尺寸，以便得到較小的法蘭連接。在高溫下還要盡可能減少法蘭連接。因為在高溫下，特別是當(dāng)溫度超過500℃以后，材料強度急劇下降，從而導(dǎo)致法蘭連接和螺栓變得十分粗大。

在安裝時，螺栓的緊固使其承受著預(yù)應(yīng)力。在運行中，螺栓還要因溫差而產(chǎn)生應(yīng)變，承受著溫差應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力加上溫差應(yīng)力，往往可能造成螺栓材料的屈服或蠕變，從而使得熱交換器停車以后發(fā)生螺栓的松動。

在管箱的設(shè)計上，主要有凸形、錐形和平板形三類。從承壓能力看以凸形最佳，平板形最差，凸形管箱中有半球形、橢圓形、碟形等，以球形承壓能力最強。

（3）采用耐熱、耐腐蝕材料作襯里由于單一的材料不僅價格高，而且有時難以同時滿足耐熱、耐腐蝕以及高強度的要求，因而在設(shè)計時可以考慮某些部位采用耐熱金屬襯里或非金屬耐火材料襯里。這方面要解決的問題是襯里技術(shù)和如何解決襯里材料與母體金屬熱膨脹的不一致的問題。如果解決不好，將發(fā)生襯里的龜裂、剝落和脫落，所以此項措施應(yīng)根據(jù)具體條件尤其是制造廠的制造水平來確定。

（4）高溫流體入口部位的防護高溫操作時，高溫流體對設(shè)備構(gòu)件產(chǎn)生熱沖擊從而引起熱應(yīng)力、熱疲勞和高溫腐蝕，往往導(dǎo)致構(gòu)件的損壞，尤其是流體入口連接處的損壞。當(dāng)流體溫度有波動時，以及要求流體高速流動時，這種破壞就更為嚴重。因而應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施。防護的方法是設(shè)法降低該

部分的溫度，或者減小溫度的波動，或者把強度大的構(gòu)件做成特殊形狀。圖2.55示出了幾種防護措施，其中圖（a）為日本制氫裝置熱交換器上的管端防護結(jié)構(gòu)，在每個管孔里都插入個帶有圓弧翻邊的耐熱保護套，保護套焊在管板上。圖（b）、（c）是英國在高壓合成氨裝置熱交換器中采用的管端防護結(jié)構(gòu)，圖（b）中的喇叭形不銹鋼鍥管輕脹人傳熱管內(nèi)。圖（b）是高溫轉(zhuǎn)化器廢熱鍋爐中采用的管端防護結(jié)構(gòu)，它也是在傳熱管內(nèi)插入一個不銹鋼楔管，其下端靠帶有開槽的喇叭口擴張，上部則靠壓進壓縮石棉纖維與傳熱管緊固在一起。圖（d）是西德在烯烴生產(chǎn)裝置中的廢熱鍋爐上采用的管端防護結(jié)構(gòu)，考慮到含砂高溫氣流的機械沖刷和熱沖蝕，在傳熱管的端部都加裝了一個喇叭形入口管帽。

3）材料的選用正確選用材料和發(fā)展新型材料，對于高溫高壓下工作的設(shè)備具有重要意義。高溫高壓下工作的熱交換器必須考慮材料的氧化性、熱沖擊承受能力和懸浮顆粒的侵蝕，也要注意金屬鹽類硫酸鹽所帶來的結(jié)垢和腐蝕而事實上，同時具備高耐熱性、高強度和高抗蝕性的材料極為稀少。雖然也發(fā)展了一些新的高溫材料，但其價格都很昂貴。從經(jīng)濟上考慮，采用復(fù)合材料或采用襯里是比較合適的，但傳熱管一般用比較好的材料，因它極易損壞，而且難于施行襯里技術(shù)。根據(jù)材料來確定設(shè)備的最高使用溫度時，不僅要考慮材料的性能，還要考慮設(shè)備的種類、工作條件、經(jīng)濟性和其他因素，例如對于沒有危險的流體，設(shè)備損壞后不致帶來嚴重后果或短時間的操作，可將使用溫度選得高一些。反之，所選的溫度要遠遠低于材料的允許溫度。