管殼式石墨換熱器及其泄漏原因分析

                    張志勛1,齊廣輝1,周　坤1,阮　鑫1*,申知瑕2
    (1.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北石家莊050026;2.河北安裝工程公司,河北石家莊050031 )

    摘要:介紹了管殼式石墨換熱器及其制造情況,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),分析了管殼式石墨換熱器泄漏的原因,提出了管殼式石墨換熱器制造、現(xiàn)場安裝和使用過程中注意的問題。
    關(guān)鍵詞:管殼式石墨換熱器;泄漏;原因;制造工藝
    中圖分類號: TQ 051·501　　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼: B
    近年來,管殼式石墨換熱器由于具有優(yōu)良的耐腐蝕性能,已被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、氯堿等工業(yè)生產(chǎn)中的熱交換場合。然而,管殼式石墨換熱器在使用中也存在明顯的質(zhì)量問題,其中主要是密封性能欠佳,易過早泄漏。有時(shí)發(fā)生泄漏的突發(fā)性很強(qiáng),會給生產(chǎn)帶來很大的損失。文中結(jié)合筆者試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),分析了管殼式石墨換熱器泄漏的主要形式、特征及其產(chǎn)生的原因,提出了在制造、安裝和使用中注意的問題。
    1　管殼式石墨換熱器簡介
    1.1　結(jié)構(gòu)
    管殼式石墨換熱器的結(jié)構(gòu)型式較多,如GH型換熱器(立式)主要由上管箱、上管板、出水口、殼體、換熱管、膨脹節(jié)、下管板、入水口及排氣口等部分組成。目前,國內(nèi)管殼式石墨換熱器管束是用不透性石墨換熱管和管板用粘接劑粘接組成,鋼制殼體兩端設(shè)置不透性石墨材料或鋼襯膠的封頭[1]。
    1.2　制造技術(shù)
    目前,管殼式石墨換熱器的制造工藝有壓型不透性石墨工藝、電極浸漬酚醛樹脂工藝、化工專用石墨浸漬樹脂工藝以及綜合性工藝等4種。國內(nèi)使用較多的是壓型不透性石墨工藝,即將人造石墨粉與合成樹脂混合,經(jīng)壓型、固化機(jī)械加工并且裝配而成。其工藝的特點(diǎn)是生產(chǎn)周期短、制造方便、成本低且所制成的換熱器強(qiáng)度比較高,但是導(dǎo)熱性能相對較低。該工藝特別適用于制造管殼式石墨換熱器,例如前蘇聯(lián)的ATM-1型石墨產(chǎn)品,其配方為粗顆粒人造石墨33%、細(xì)顆粒人造石墨43.6%、酚醛樹脂23.4%。我國已經(jīng)采用這種工藝生產(chǎn)了大量的管殼式石墨換熱器,是我國目前所使用石墨換熱器中的主要產(chǎn)品。
    為了使石墨換熱器能用于某些特殊介質(zhì)的工況,近年來各生產(chǎn)廠家根據(jù)需要調(diào)整生產(chǎn)工藝,采用不同的粘接劑滿足不同的需求。如用酚醛-呋喃樹脂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的酚醛樹脂所制成的石墨換熱器能夠適用于各種酸、堿介質(zhì)。也有的廠家研制出聚氯乙烯壓型石墨管,這種管材具有熱塑性、可焊性和優(yōu)異的耐腐蝕性,可替代酚醛石墨壓型管,而成本比浸漬石墨管和壓型石墨管更低,用其制造的管殼式石墨換熱器廣泛應(yīng)用于氯堿、農(nóng)藥和硫酸等工業(yè)生產(chǎn)中,效果較好。又如改性聚丙烯石墨換熱器,因?yàn)榫哂袩o結(jié)垢、無污染、清潔衛(wèi)生的優(yōu)點(diǎn)而在食品工業(yè)中得到應(yīng)用。還有的工廠采用這種工藝生產(chǎn)不透性石墨板,其特點(diǎn)是在配料中填充了玻璃纖維,大幅提高了換熱器的機(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊性和耐腐蝕性[2]。
    1.3　不透性石墨材料增強(qiáng)技術(shù)
    為了提高設(shè)備性能,石墨換熱器用材可用涂敷法、覆蓋法和混入法強(qiáng)化處理。例如石墨管采用碳纖維纏繞法可使其強(qiáng)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,從而提高材質(zhì)的耐磨蝕性,適宜于介質(zhì)流速快、固體含量大的工況。當(dāng)管殼式石墨換熱器用于處理含有較多固體顆粒或流速較快而存在磨蝕危險(xiǎn)的條件時(shí),可以在管板的進(jìn)料側(cè)涂敷這種涂層,實(shí)踐證明其效果顯著[3]。
    (2)覆蓋法　覆蓋法是利用樹脂浸漬碳纖維束來覆蓋浸漬石墨板的上、下兩個(gè)表面達(dá)到增強(qiáng)的目的。結(jié)果表明,經(jīng)該法增強(qiáng)的石墨板與未增強(qiáng)的普通石墨板比較,前者抗彎強(qiáng)度比后者提高40%,這樣增強(qiáng)的浸漬石墨可避免換熱器運(yùn)行中石墨板材因受固體顆粒介質(zhì)的沖刷而損傷(如磷酸中因CaSO4引起的磨蝕現(xiàn)象)。
    (3)混入法　混入法是將碳纖維混入石墨材料中再壓制成型,可使材料斷裂強(qiáng)度提高1.5~2倍抗磨蝕性提高4~5倍。石墨換熱器用增強(qiáng)石墨管是先將碳纖維束浸入樹脂或樹脂溶液,然后纏繞在石墨管的外表面。纏繞以后,把管子加熱到120~180℃,使樹脂固化而形成堅(jiān)固的傳力橋。這種增強(qiáng)石墨管即使在負(fù)載驟減和應(yīng)力波動時(shí),也能保持其增強(qiáng)效果。采用這種增強(qiáng)石墨管也可使管板與石墨管之間的粘接強(qiáng)度得到提高,石墨管的破壞壓力增加了30%~40%。由此裝配成的管殼式換熱器在強(qiáng)烈機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力下,或有固體顆粒介質(zhì)的惡劣環(huán)境中亦能穩(wěn)定運(yùn)行。
    1.4　化工專用石墨材料
    為了優(yōu)化材質(zhì)改變石墨坯材的結(jié)構(gòu)而發(fā)展細(xì)顆粒、低孔隙率、高強(qiáng)度的石墨產(chǎn)品,國外一些先進(jìn)國家開發(fā)出了顆粒度小于0.35 mm的石墨坯材,而美國擁有當(dāng)今世界上獨(dú)特的大塊細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)不透性石墨材料,其最大顆粒僅為0.15 mm。這些化工專用石墨材料顆粒細(xì)、密度高、機(jī)械強(qiáng)度和換熱性能好是世界各國制造石墨換熱器所用的首選材料[4]。近年來,我國化工用石墨原材料也在隨著技術(shù)的不斷提升和更新,可以生產(chǎn)性能優(yōu)良的坯材,其粒度細(xì)、孔隙率低,使用溫度和使用壓力得到了很大提高。但與國外先進(jìn)廠家相比,技術(shù)性差距雖在不斷縮小,差距仍然很大。目前,我國石墨換熱器的使用量越來越大,因此,加快開發(fā)細(xì)顆粒、高強(qiáng)度化工專用石墨材料,滿足不同用戶的需求的任務(wù)還很艱巨。
    1.5　大規(guī)格、高參數(shù)石墨換熱器
    管殼式石墨換熱器的規(guī)格大型化、高性能趨勢已十分明顯。管殼式石墨換熱器的最大換熱面積已大于1 500 m2。這些采用大型整體石墨板材制成的大型換熱器工作效率高,廣泛用于硫酸的濃縮以及化肥工業(yè)生產(chǎn)中P2O5的濃縮等。我國管殼式石墨換熱器的最大換熱面積也在提高,為此,有的制造廠家配備了大型混合設(shè)備及振動成型機(jī),已能生產(chǎn)直徑為1 000 mm、1 200 mm、1 300 mm、1 500 mm等尺寸的塊材和板材,并在焙燒、浸漬和石墨化處理工藝方面進(jìn)行了有益的探索。這均為我國大型石墨換熱設(shè)備的生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。多年來的實(shí)踐證明,研發(fā)大型、高性能石墨換熱設(shè)備需要各方面多專業(yè)密切配合及協(xié)作,單方面或局部的努力是難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的。
    1.6　存在問題
    目前,用于制造石墨換熱器的主要問題是材料在苛刻的工作條件下,石墨換熱器表現(xiàn)出機(jī)械強(qiáng)度較低、使用溫度不高的弱點(diǎn),難以處理強(qiáng)氧化性的介質(zhì)。這些問題的存在,使國產(chǎn)管殼式石墨換熱設(shè)備密封性能較差,易泄漏。此外,從國內(nèi)石墨換熱器的整體行業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)裝備來看,與先進(jìn)國家相比還比較落后,如特種介質(zhì)及特殊要求的石墨換熱器的研制與使用尚不夠成熟,制造安裝標(biāo)準(zhǔn)也有待進(jìn)一步修訂等。
    2　管殼式石墨換熱器泄漏原因分析
    2.1　換熱管質(zhì)量
    國產(chǎn)管殼式石墨換熱器大多使用的是酚醛石墨壓型管,由人造石墨粉和酚醛樹脂按一定比例配制混合、擠壓而成,其密實(shí)無孔,不需進(jìn)行樹脂浸漬或表面機(jī)加工,但管體本身必須固化完全、表面光潔、無裂紋、無砂眼等。安裝換熱器時(shí),若單管的試壓和表面檢測不嚴(yán)格,不符合上述要求的換熱管就可能被誤用。換熱管以粘接形式固定在管板上,形成管束對管板的約束作用。在生產(chǎn)使用中,管板受介質(zhì)壓力作用必然發(fā)生變形,一是連接設(shè)備之間發(fā)生方向各異的縱向拉伸或壓縮,二是隨著換熱器各零部件變形的不均勻?qū)е鹿馨鍝锨箵Q熱管發(fā)生彎曲此時(shí),越靠近邊緣的管子彎曲越大。而有缺陷的石墨壓型管若布置在受力變形較大的區(qū)域時(shí),很容易發(fā)生斷裂導(dǎo)致泄漏。
    2.2　換熱管與管板連接
    管殼式石墨換熱器管頭與管板多采用膠粘連接形式。這種連接方式對制作安裝要求較高。首先粘合劑的許用剪切應(yīng)力要足夠大。因?yàn)樵谡辰用嫔?要能承受由溫度、操作壓力以及設(shè)備裝配時(shí)所產(chǎn)生的軸向力,還要能承受立式安裝時(shí)物料和設(shè)備質(zhì)量所引起的軸向力。這幾種力在粘接面上共同產(chǎn)生的剪切應(yīng)力不能超過粘合劑的許用剪切應(yīng)力。其次要采用合理的粘接面。要保證管頭插入管板的深度和錐度尺寸,以確保足夠的粘接強(qiáng)度和氣密性。插入長度要適當(dāng),不足時(shí)抗拉脫力不夠,過長時(shí)粘接處產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大,反而有害。此外膠粘質(zhì)量也要穩(wěn)定。這涉及到粘合劑的制備和膠粘工藝的合理性(如粘接面四周的膠泥是否均勻,是否存在氣孔,各石墨管的長度偏差是否在規(guī)定范圍,管頭與管板孔的嚴(yán)密貼合程度如何)。若施工不當(dāng),則易造成各列管抗拉脫力嚴(yán)重不均衡,抗拉脫力弱者先泄漏。
    2.3　管板材質(zhì)與結(jié)構(gòu)
    鑒于有的換熱器尺寸偏大,應(yīng)用條件惡劣及各制造廠技術(shù)水平參差不齊,管板采用整體制造有一定的難度,國內(nèi)制造廠多采用雙層或多層平板拼接結(jié)構(gòu)。這樣,粘接縫就成為管板的薄弱區(qū),在受力條件惡劣時(shí),可能導(dǎo)致局部開裂。此外,安裝時(shí)產(chǎn)生過大的安裝應(yīng)力會影響粘接的可靠性?，F(xiàn)場安裝設(shè)備時(shí),管路與設(shè)備間產(chǎn)生安裝應(yīng)力不可避免,過大且非均勻的安裝應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)可能不會影響粘接強(qiáng)度,而長時(shí)間作用極易使粘接縫開裂。例如2006年國內(nèi)某化工廠在設(shè)備安裝使用3個(gè)月后,發(fā)生了石墨管板材料的脆性裂紋及斷裂。經(jīng)分析認(rèn)為,設(shè)備使用的石墨換熱器管板是采用雙層或多層平板拼接結(jié)構(gòu),加工成品后浸漬酚醛樹脂,由于粘接縫樹脂和浸漬樹脂與石墨材料的熱膨脹系數(shù)不同,在較高操作溫度下浸漬樹脂和石墨材質(zhì)發(fā)生顯著熱變形。因樹脂膨脹變形大于石墨材質(zhì)變形,變形不均造成兩者間產(chǎn)生應(yīng)力,該應(yīng)力累積到足夠大時(shí),石墨材質(zhì)受浸漬樹脂擠壓而發(fā)生脆性斷裂。
    2.4　其他方面
    (1)使用溫度過低　換熱器使用溫度過低易導(dǎo)致裂紋及泄漏。2008-10,石家莊某電化廠設(shè)備使用過程中,在溫度降至—25~-20℃時(shí),飽和鹽酸形成水化物結(jié)晶,堵塞列管,致使脫水系統(tǒng)因阻力過大不得不緊急停止裝置運(yùn)行。
    (2)殼體焊縫處遭受腐蝕引發(fā)的泄漏　殼體泄漏的部位多為設(shè)備殼體的縱、環(huán)焊縫區(qū)。如某廠所使用的石墨換熱器的冷凝介質(zhì)為-35℃鹽水(CaCl2水溶液,相對密度為1.275~1.295, pH=7),換熱器殼體材質(zhì)為Q235-A。該設(shè)備僅使用了45 d即泄漏。分析數(shù)據(jù)顯示,該冷卻循環(huán)系統(tǒng)死角或流動不暢處存在較嚴(yán)重的非均勻腐蝕和局部點(diǎn)腐蝕。
    3　注意事項(xiàng)
    3.1　制造
    3.1.1　制造工藝
    從長遠(yuǎn)的發(fā)展看,應(yīng)盡可能提高石墨換熱器制造的標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化及制造精度,換熱器的制造工藝要不斷進(jìn)行優(yōu)化,可以在原生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上,采取補(bǔ)強(qiáng)、補(bǔ)韌措施,以進(jìn)一步提高換熱器的力學(xué)性能、抗沖擊性和耐腐蝕性等。
    石墨換熱器的制造工藝可以進(jìn)一步拓寬,除了選用壓型不透性石墨工藝外,還可考慮使用電極浸漬樹脂工藝、石碳浸漬酚醛樹脂工藝及綜合性的制作工藝等。在采用這些工藝時(shí),浸漬劑的選用不容忽視,如聚四氟乙烯浸漬的石墨材料、二乙烯基苯浸漬的石墨材料、呋喃樹脂浸漬的石墨材料等和壓型柔性石墨材料等,可用于多類苛刻具有不同化學(xué)腐蝕的特殊場合[6]。
    為了保證和提高管子和換熱板的連接質(zhì)量,一是選擇性能優(yōu)良且合適的粘結(jié)劑,二是要進(jìn)一步提高粘接的均勻度和緊密度。
    制造石墨換熱器時(shí),盡可能選擇熱膨脹系數(shù)相同或相近的材料進(jìn)行組配,以防止設(shè)備在線運(yùn)行時(shí)溫差應(yīng)力和剪切應(yīng)力過大而造成的損傷[7]。對整個(gè)設(shè)備的各個(gè)連結(jié)點(diǎn)來說,決不能強(qiáng)行組對硬性連接(特別是管子與管板連接處),以控制各零部件間連接應(yīng)力的合理分布及其動態(tài)均勻性。
    石墨換熱器的外殼宜采用石墨材質(zhì),或采用鋼制殼體但需在內(nèi)部作適度的防腐涂層。
    3.1.2　管板制造
    管板是管殼式石墨換熱器最重要的零件之一,也容易出問題。換熱器管板為一圓形板,一般用整張板割制,若管板較大較厚,可用幾塊拼接。但拼接質(zhì)量要嚴(yán)格保證,除按相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)外,還應(yīng)作消除應(yīng)力后處理(通過適度的溫度變化)。管板切割后,外圓和環(huán)形密封面等部位要進(jìn)行機(jī)械加工。
    管板主要加工工序是鉆管孔,一般在搖臂鉆上劃線鉆孔或用鉆模鉆孔。由于管孔數(shù)量多,用這種方法工作量很大而且精度低。對生產(chǎn)換熱器的專業(yè)工廠,應(yīng)采用先進(jìn)的多軸鉆床加工管板孔,既可提高工效又能保證加工精度。用劃線鉆孔時(shí),必須將2塊管板疊壓在一起配鉆,鉆后依次編上序號和方位號,以便組裝時(shí)按此順序和方位排列,保證管端裝配順利和正確。
    管孔加工的實(shí)際偏差應(yīng)小于允許偏差。鉆孔后應(yīng)抽查管板中心角不小于60°區(qū)域內(nèi)的管孔,在此區(qū)域內(nèi)允許有4%的管孔上偏差大于所要求的偏差值,但數(shù)量不超過所要求的偏差值的5%。此外,由于管頭多用粘接法連接,故要求管板孔和管端的配合表面具有適當(dāng)?shù)拇植诙?由試驗(yàn)確定)。實(shí)踐證明,換熱器材質(zhì)或規(guī)格不同,其適宜的粗糙度亦有所不同。管板和管子裝配前,應(yīng)對管端和管板孔配合處進(jìn)行潔凈處理,以保證粘接的牢固性和緊密性,同理,膠粘劑的強(qiáng)度和韌性亦應(yīng)保證[8]。
    3.2　安裝及使用
    管殼式石墨換熱器的安裝質(zhì)量及安裝精度對其能否正常安全使用至關(guān)重要。因此,提高換熱器的現(xiàn)場安裝及修理精度,防止和減緩因工作中的變形而造成的過大應(yīng)力,從而避免導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生裂紋的因素發(fā)生。在換熱器使用的過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)范圍,嚴(yán)禁因溫度過低而造成堵管和裂管,生產(chǎn)工藝中有易形成低溫水化物結(jié)冰傾向的工況更應(yīng)謹(jǐn)慎。
    4　結(jié)語
    管殼式石墨換熱器不同于常用的金屬材質(zhì)設(shè)備,雖優(yōu)點(diǎn)較多但亦有諸多性能方面的不足,使其使用壽命和使用場合受到限制(如密封性較差)。因此,對于特定的工藝條件,應(yīng)合理地選用材料和生產(chǎn)工藝,盡可能采用先進(jìn)的材料生產(chǎn)技術(shù),最大限度地利用材料的強(qiáng)度和韌性。生產(chǎn)中盡可能控制工藝指標(biāo),以減少設(shè)備使用條件的波動,使設(shè)備在合理的工況下運(yùn)行。
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