缠绕管式换热器

缠绕管式换热器不仅是大型化工工艺过程重要的设备，而且是一种高效节能的设备。这种换热器结构复杂，价格昂贵，而且处于装置关键部位，因此一旦这些换热器发生泄漏，整套装置必须要停工，而且重新制造一台最快需要半年，企业的损失将非常巨大。正常换热器的使用寿命一般在12～20年左右，企业可以根据实际使用情况和使用寿命的期限来有计划地进行更换，但是在国内也有很多企业由于对绕管换热器的全过程管理不到位，使用了很短时间即发生了质量问题。为了确保缠绕管换热器长周期运行，对缠绕管换热器使用的全过程管理十分必要。

1、缠绕管式换热器简介

缠绕管式换热器由绕管芯体和壳体两部分组成（图1）。绕管芯体由中心筒、换热管、垫条及管卡等组成。换热管紧密地绕在中心筒上（图2），用平垫条及异形垫条分隔，保证管子之间的横向和纵向间距，垫条与管子之间用管卡固定连接，换热管与管板采用强度焊加贴胀的连接结构，中心筒在制造中起支承作用，因而要求有一定的强度和刚度。壳体由筒体和封头等组成。

它应用于工程的主要优点有：
a. 结构紧凑，单位容积具有较大的传热面积。对管径8～12mm的传热管，每立方米容积的传热面积可达100～170m2；
b. 可同时进行多种介质的传热；
c. 管内的操作压力高，目前国外最高操作压力可达21. 56MPa；
d. 传热管的热膨胀可自行补偿；
e. 换热器容易实现大型化。

2、缠绕管式换热器的工业应用情况 在国外，缠绕管式换热器广泛应用于大型空气分离装置的过冷器及液化器（液体氧、液体氨装置），林德公司在合成氨甲醇洗系统中推出的缠绕管换热器系列正是充分发挥了该种换热器的作用。缠绕管式换热器在我国目前主要应用于大化肥合成氨装置（美国德士古工艺）中甲醇洗工段，每套装置中一般有6台缠绕管式换热器，这些换热器的具体情况见表1。

在我国最早的十多套装置中的缠绕管换热器大都已更换，其中大都是已到使用寿命限期，但也有不少为管理不善而造成的损坏。表2是一些用户的设备主要损坏原因，表3说明设备损坏原因的百分比。

3、缠绕管换热器的使用管理

缠绕管换热器的使用管理过程主要有4个方面：制造过程控制、除垢清洗技术的选用、装置运行的有效管理及产品缺陷修复方案的正确运用。

3.1　制造过程的控制 由于缠绕管换热器的特殊性，使用厂家必须从开始制造进行全过程控制，根据不同的使用场合提出不同的控制要求。主要控制内容：
a. 管子的选用。目前使用管子为有缝钢管和无缝钢管，有缝钢管可靠性较差，适用于低压；而无缝钢管整体性能较好，但有薄弱区域，必须对接头进行固溶处理。腐蚀性强的介质宜采用无缝钢管；反之，宜采用有缝钢管。盘管直径大宜采用有缝管，直径小宜采用无缝管。
b.盘管的控制。盘管控制的好坏直接影响到换热器的换热效率，尤其是对结垢情况影响较大。因此，盘管时必须使层间距适度，没有窄间隙死角，防止局部区域布置不均匀，造成流体阻塞，降低流体的流通面积。
c. 焊接的控制。缠绕管的损坏形式最常见的是管口泄漏，这是设备的关键部位。一般缠绕管换热器为了提高换热效率，采用管子都比较小和薄，焊接容易产生缺陷。因此，焊接必须严格控制线能量，最好要采用自动焊，焊缝要均匀和饱满。
d. 缠绕管换热器都是竖直运行，下管板与管子间易产生间隙腐蚀，这也是较常见的破坏形式之一。因此，胀接要做到二点：一是要有合适的胀度，消除间隙，防止腐蚀；二是防止过胀，导致管板塑性变形，降低了胀接的可靠度。
缠绕管换热器制造的控制除了上述几个方面外，还有材料的控制、设计的控制等，使换热器产品符合不同企业的生产特点。

3.2　除垢技术的选用 目前国内企业绕管换热器的损坏大多由于酸洗除垢技术不成熟造成的，其中主要是酸洗方法不当。目前常用的酸洗液主要使用3种，即5%的HCl液、硝酸或氢氟酸以及柠檬酸。其中HCl的酸洗主要用于碳钢，后二者主要用于不锈钢酸洗。硝酸或氢氟酸酸性较强，它利用的是使垢剥落的原理进行除垢，且容易产生腐蚀；而柠檬酸是通过络合作用来除垢，酸性较弱。以甲醇换热器为例分析损坏原因。镇海炼化公司的E9、E10酸洗时，管束材料是碳钢，使用HCl酸液，酸洗后换热器下部的酸液没有及时排尽，使一些残液停留在下管板死区，在大修停工期间产生酸性腐蚀，使管子损坏；上海某化工厂一台36t绕管换热器，使用氢氟酸溶液进行酸洗，由于氢氟酸对焊缝的腐蚀性相当强，酸液渗入到管板接头间隙，导致管头焊缝裂开；宁夏化工厂15E6用HNO3液除垢，HNO3除垢后将产生大量Fe3+，酸洗时间稍长，使Fe3+含量远大于6×10-4的标准值，Fe3+依附于管子产生腐蚀，再加上HNO3酸洗时间长，没有及时排尽，酸液本身就产生较强腐蚀，导致管束损坏。 目前，比较成熟的酸洗方法应是采用酸性比较弱的柠檬酸，采用多次少停留的办法，对一台换热器进行多达5～6次酸洗，每次时间短，冲洗干净，使得Fe3+不超标并且及时带走，保证换热器不受腐蚀。 除垢清洗技术的正确使用对换热器寿命非常重要，应用管理中必须引起高度重视，采用合理的工艺方案进行酸洗。

3.3　装置操作的管理 缠绕管由于原料杂质问题引起质量问题的也不少，按照设计要求，缠绕管式换热器用于介质杂质少、容易清洗的场合，因为缠绕管换热器为了追求其紧凑性，管间距与层间距的间距比较小，所以对原料的要求也较高。一旦装置波动等就可能引发原料杂质多而容易造成堵塞。因此，要有效地在操作上做好以下几方面：a. 原料的选择。原料的杂质含量必须严格控制，杂质含量增加会使部分杂质粘附于层间的支撑件上，这样随着时间延长，容易造成通道堵塞，致使换热面积大幅降低。
b. 系统结构设计合理。为防止粗大杂质进入换热器，要在系统的上游增设过滤网，过滤网的目数要视杂质大小而定，原料通过过滤后才能进入换热器，这样防止了原料在管壳程内部造成堵塞。
c. 增加反冲洗装置。在换热器运行过程中，杂质容易向下沉积，一方面堵塞流道，另一方面产生垢下腐蚀，因此在换热器的下部增设反冲洗，通过气泡的形式，搅扰内部的沉积杂质，使杂质一起随介质流走。另外，在装置操作中要特别注重开停车的温度和压力的升降，要严格控制升温的速度和压力的匹配，否则容易造成热胀冷缩不均匀等破坏管头连接。

3.4　设备修复方案的正确选用 缠绕管换热器一般运行周期较长，但经常出现问题，主要问题有堵塞、管子泄漏和管口泄漏等，正确选择合适的修复方案对装置十分重要。换热器出现堵塞后，疏通的方法有两种：一种是用高压水枪冲洗，主要针对堵塞不是很严重的情况；第二种就是用酸清洗办法，主要用于严重堵塞。如换热器经查出现了管子泄漏，那只有在试压查漏明确的情况下进行堵管。换热器出现了管子泄漏问题，要分两种情况进行修复：管口数量少，则采用堵管办法；管口数量较多，堵管后会严重影响换热效果，则宜选用抽芯补焊的办法修复绕管，缠绕管式换热器的抽芯修复虽然复杂，但修复成功的事例较多。

4、缠绕管换热器的应用前景分析

缠绕管换热器目前较多地应用于化工领域的深冷装置，如空分和甲醇装置，随着国内对缠绕管换热器研究的深入，国内多家单位不断攻关，扩大缠绕管换热器的应用领域已取得初步的成绩，主要有以下几方面趋势。

4.1　缠绕管换热器的大型化 由于缠绕管换热器特殊结构设计，它封头小，管子可以长达数百米，目前已开发制造了一些大型的缠绕管换热器。如德州石化所使用的大型绕管换热器，该换热器尺寸为1600mm×20000mm，重达60t，换热面积为2000m2，是普通类似壳体换热器的2倍左右。随着装置的大型化，这种缠绕管换热器也要求不断大型化。而普通列管式换热器由于管子限制无法把换热器做大。

4.2　缠绕管换热器的高温化 缠绕管换热器具有高效的换热性能，但目前基本上应用于深冷装置。从2001年开始合肥通用所等企业开始研究应用于高温场合的缠绕管换热器，并于2002年在镇海炼化投用，这种换热器采用CrMo钢耐高温材料，操作参数见表4。经过几年运行，该换热器的性能完全达到使用要求，质量也较可靠。这种产品的成功应用，使得缠绕管换热器的应用领域大大拓宽，可以从低温应用转向高温应用，只要介质允许，在炼油行业也可以充分发挥绕管换热器的优点。

4.3　缠绕管换热器的高压化 缠绕管换热器目前多应用于壳程压力高，管程压力低的场合，一般壳程压力达到15.0MPa，而管程压力普遍小于5.0MPa。由于缠绕管换热器设计结构特点是管板小，壳程大，两端入口封头小，该结构能克服普通高压换热器的弊病。普通高压换热器均采用浮头式或U形管式，当压力提高，不仅壳体厚度加大，而且法兰的强度等级要大幅提高，一般的高压换热器如压力大于10MPa，当做到1.4m时，换热器将是非常庞大，法兰也非常厚。而且随着装置的大型化，高压换热器也需要不断扩大，这就给制造带来麻烦，如加氢裂化的锁紧环式高压换热器，管程压力14.5MPa，壳程压力为18.5MPa，直径为1.4m，其中换热器的管箱重量就已达45t，制造非常困难，若改做浮头式换热器则很难保证换热器的密封等要求。因此，随着加氢装置的大型化，锁紧环换热器也要大型化，要向1.6m或1.8m发展，不但制造难度大，而且由于结构庞大，检维修将十分困难。而缠绕式换热器却可通过加长长度来增大面积，而两端的小管板使得连接法兰小，容易制造。目前国内一些单位正在进行研究，以缠绕管式换热器逐步替代炼油行业一些高压换热器，如加氢裂化和重整等装置。

4.4　缠绕管换热器的多股化随着应用的成熟，缠绕管换热器逐步实现多股流换热，这是其他换热器无法比拟的特殊性能。一台换热器一种壳程介质可同时跟两种或3种介质同时换热，这样可以大大提高装置的换热效率和换热空间。目前，国内的多股流换热器研究制造逐步开始，已有部分产品投入应用。

4.5　缠绕管换热器的微型化 缠绕管式换热器由于其高效的换热性能，它在向大型化发展的同时，也正逐步向微型化发展。在一些空间受到限制的地方，常规换热器达不到热交换的要求，而采用缠绕管换热器能在同样空间可满足要求。正是由于这种良好性能，缠绕管换热器已在微型领域使用。

5、结束语 缠绕管式换热器是一种新型高效换热器，如何正确地进行设备的全过程管理对装置运行相当重要。并且随着应用的不断成熟，其应用领域日益扩大，将发挥越来越大的作用。