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列管換熱器失效的原因及其改進(jìn)措施
列管式換熱器是乙炔法生產(chǎn)聚氯乙烯的關(guān)鍵設(shè)備。由于應(yīng)力作用及腐蝕等問題而引起列管式換熱器換熱管與管板的連接失效,繼而造成非正常停車檢修,嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。針對上述情況,筆者對換熱管與管板連接接頭失效原因進(jìn)行了分析,在該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造方面提出并實施了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
一、列管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)及主要 技術(shù)參數(shù)
列管式換熱器的外形尺寸為φ2400mmx3000mm、換熱管φ57mmx3.5mm(圖1),殼程有3塊折流板,分上下兩 層冷卻,冷卻介質(zhì)為90—100℃軟水;管程溫度80—220℃,物料介質(zhì)為乙炔、氯化氫 和氯乙烯。
二、換熱管與管板的連接接頭泄漏原 因分析
列管式換熱器換熱管與管板的連接形式主要有脹接和焊接兩種,其中脹接又分為機械脹接和液壓脹接。這三種連接形式的換熱器在生產(chǎn)中均發(fā)生過泄漏失效。
(一)機械脹接接頭泄漏原因分析
推進(jìn)式機械脹管主要是通過控制電流的大小來控制脹管器滾錐的轉(zhuǎn)動,最終使換熱管產(chǎn)生變形而達(dá)到與管板連接的目的。這種脹管方法易使換熱管產(chǎn)生過脹或欠脹,換熱管內(nèi)壁易產(chǎn)生加工硬化,如潤滑不好,還會磨損起毛。換熱管與管板的連接在整個長度上的應(yīng)力分布不均勻。在溫差變化和應(yīng)力的作用下,只要加工過程中有微小的缺陷,如管孔縱向劃痕,腐蝕介質(zhì) 的微量侵入就會使換熱管與管板的連接失效,如發(fā)現(xiàn)不及時,殼程冷卻水滲人管程后,會引起大-片管子與管板的連接失效,此時修復(fù)也較為困難:若采用脹管修復(fù),管孔的密封面已被腐蝕,很難完全脹緊,開車后,加上管板平面上的腐蝕凹坑中易積聚腐蝕介質(zhì)而再次腐蝕引起連接失效;若采用焊接方式修復(fù),易使附近其他換熱管受熱變形而松動。
(二)液壓脹接接頭泄漏情況分析
液壓脹接時換熱管不易產(chǎn)生過脹,脹接部位不產(chǎn)生竄動,換熱管與管板連接處在整個長度上的應(yīng)力分布是均勻的,從理論上講,可靠性較機械脹接好。根據(jù)液壓脹接原理及gb151一1998有關(guān)條款,槽間距和槽寬為8一9mm。這樣,就使得管子與管板之間的脹接面積相對減少,管板的厚 度必須加大。而且,液壓脹接對管孔的精 度要求及開槽精度要求特別嚴(yán)格。由于管板孔加工是大批量生產(chǎn),必須保證100%的 沒有缺陷才行。失效后采用脹管修復(fù)后,由于腐蝕凹坑的存在,易再次失效。
(三)焊接接頭泄漏失效的主要原因分析
焊接時,由于高溫產(chǎn)生熱影響區(qū)的附近組織出現(xiàn)塑性變形,加上焊接時未完全按工藝要求施焊,易形成較大的殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中,這是產(chǎn)生腐蝕的主要原因。本設(shè)備管程主要介質(zhì)是氯乙烯、氯化氫及乙炔等,特別是工藝上含水率偏高時,ci-、h+等這種腐蝕環(huán)境,發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂造成換熱管與管板連接接頭處失效泄漏。另外焊接微氣孔、裂紋、夾渣等缺陷,也是造成腐蝕失效的重要因素。
三、結(jié)構(gòu)設(shè)計上的改進(jìn)和制造過程中 的幾個關(guān)鍵問題
(一)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的改進(jìn)
在殼程上層的冷卻水出口處前增設(shè)溢流擋板,保證冷卻水充滿整個空間,消除殼 程冷卻水空隙形成的空氣層,避免上管板 與換熱管連接處干濕變化引起腐蝕;換熱 管與管板的連接采用強度焊加貼脹的結(jié)構(gòu) (圖2),貼脹消除管子與管板孔之間的間隙防止間隙腐蝕的產(chǎn)生,并增強抗疲勞破壞 的能力;采用液壓脹管;增加管板厚度,保證脹接長度。
(二)制造過程中的關(guān)健問題
制造過程中應(yīng)注意以下幾點:
1、嚴(yán)格控制管孔的加工精度。金加工 中必須保證劃線正確,管板應(yīng)采用小φ40mm、φ57.5mm鉆頭鉆孔和擴孔,再加φ57? 8mm或φ57.9mm絞刀絞孔,以消除 管孔的縱向劃痕,并保證管孔尺寸精度的 一致性。管孔焊接倒角2x45’,鉆孔時必須用乳化液冷卻,避免水冷卻而引起管 板孔銹蝕。管橋?qū)挾绕畋仨毞蟝b151 的規(guī)定。
2、折流板與管板必須固定在一起加工,最后拆開進(jìn)行一次擴孔、倒角,以保證 所有管孔同心,并做好方位標(biāo)記,避免穿管 困難。
3、換熱管外徑偏差必須符合國標(biāo)。采用經(jīng)退火處理過的換熱管,材質(zhì)20# 鋼。兩端表面必須磨管除銹,去除氧化層,除銹長度大于7omm,并及時穿管組 裝。換熱管長度一致,最好在車床上車削兩端并倒角,以確保換熱管管板兩端整齊一致。
4、穿管前必須將管孔清理干凈,穿管后要再次將留在管板孔中的鐵銹等清理干凈。
5、控制焊接工藝,防止大電流焊接引起過熱,造成組織晶粒粗大及產(chǎn)生過大的 殘余應(yīng)力。不允許有氣孔、裂紋及夾渣等缺陷。
6、貼脹采用液壓脹接的方法,保證管 板與管子的連接處脹度一致,整個長度上應(yīng)力分布均勻。脹接采用的液壓大小要做小樣試驗,據(jù)經(jīng)驗選擇一壓力,進(jìn)行小批管子的脹接,實測脹前脹后管子內(nèi)徑,用管子的內(nèi)徑增大率來計算脹管率。最后,選擇一適當(dāng)?shù)囊簤哼M(jìn)行脹管。
7、設(shè)備制造完畢后,進(jìn)行水壓試驗,保證時間適當(dāng)加長,可以消除部分應(yīng)力。水壓試驗合格后,進(jìn)行氣密性試驗。
8、設(shè)備安裝前,對兩端管板進(jìn)行涂層防腐處理。防腐層一定要覆合緊密,不能脫殼,如產(chǎn)生脫殼易形成高濃度腐蝕環(huán)境,引起管子與管板連接接頭失效。建議選用耐高溫耐腐蝕的氟碳涂料。
(三)改進(jìn)措施
1、設(shè)計、制造列管式換熱器時,盡量選用硬度較高的管材。
2、采用隔板移位法延長換熱器列管使用壽命,即在管壁磨損到最小壁厚前, 將隔板平移一位置,一般為200——300mm,使磨損在新的位置上重新開始。通常,對干換熱器的隔板,如條件允許可移位3一4次,相應(yīng)管的密封性就提高了3一4倍,泄漏發(fā)生的時間也延長了3一4倍,從而延長了列 管的使用壽命。
四、結(jié)束語
由干對列管式換熱器在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制 造、運行中采取了以上措施,延長了該設(shè)備的使用壽命,非正常停車檢修很少發(fā)生,生產(chǎn)更加穩(wěn)定可靠。
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