高温高压管壳式热交换器设计与应用

1）型式

高温高压热交换器通常指其工作温度在350℃以上，压力在10MPa以上。随着科学技术的发展，高温高压的要求已进一步显得迫切，温度超过1000～1500℃、压力超过20～30MPa的热交换器屡见不鲜。在高温高压条件下，尽管某些场合仍在使用蛇管式或套管式热交换器，但由于它们的传热效率一般较低，金属耗量大，结构笨重，处理量也较小，因而使用管壳式热交换器的趋向有了增加。

图2.54 滑动管板式浮头热交换器

就型式而论，高温高压热交换器和常用的管壳式热交换器并无多大差别，只是在结构上已获得相当多的改进。常用的型式仍为固定管板式、U形管式和浮头式三种。固定管板式热交换器适用于温差小或温差稍大但壳程压力不高以及壳程结垢不严重的情况。一些新型结构的管板，例如图2.42所示的椭圆管板和图2.43所示的挠性管板等弹性管板结构，可以用于更高参数条件。高温高压的浮头式热交换器也有采用，但浮头式的设计比较困难，且在很高温度下密封垫片或盘根难以有效地工作，故其应用相对较少。图2.54所示的是改进了的设计，在浮头端的管程上设有膨胀节，浮动管板可沿壳体轴向自由滑动，但固定管板与膨胀节均与壳体焊死，管束不能从壳体内抽出。而且膨胀节也承受不了过高的压力。若采用外填料函式浮头热交换器，虽浮头管板可自由伸缩，但滑动处密封在很高的压力下可能会发生泄漏，因而其使用仍受到一定限制。

2）结构

在结构设计上，管板、管箱、密封部位、管子与管板的连接、高温流体入口部位以及热膨胀结构等的好坏，直接影响热交换器的制造成本、使用寿命和运行的经济性。

（1）管板

管板在热交换器制造成本中占有相当比重。在高温高压条件下，200～300mm厚度的管板是不足为奇的。然而如此厚的管板给制造上带来很大困难。管板上管孔加工的质量对管板的强度、刚度以及与管子的连接都有影响，因而需要深孔钻床以提高精度，防止偏斜。管子与管板的连接常采用胀接加焊接的方法，爆炸焊接和爆炸胀接等新技术也已被采用。

厚度大的管板，还会产生巨大的热应力。管板在径向上的受热不均，也会引起很大的热应力，例如管板中心温度很高，而边缘温度较低，在快速停车或快速启动时，可能使管板损坏，从降低管板冷、热两面的温差应力考虑，应尽量减小管板厚度。但在这里首先要考虑高压下的强度需要，当然也应考虑管板本身的热应力。对于固定管板，尚需考虑壳体和管束热膨胀的温差应力。所以对高温高压下管板厚度的减薄应持慎重态度。

对于单一管板材料不能同时适应两种流体的腐蚀时，可以采用双金属管板；若只有一种流体有强烈腐蚀作用，而管板又大又厚时，采用复合管板来代替贵重材料制造的整体管板是比较经济的。但当大厚度的复合管板不易取得时，也可用堆焊衬里来解决，这时堆焊母体材料常是碳钢或低合金钢，堆焊材料则根据需要选择。

（2）密封及管箱(www.xing528.com)

管箱的结构、密封形式、法兰连接和管箱上的开孔等部件设计的好坏，直接影响热交换器的效率。高压时，由于作用在开孔盖板上的力与开孔直径的平方成正比，因而应尽量减小各种开口尺寸，以便得到较小的法兰连接。在高温下还要尽可能减少法兰连接。因为在高温下，特别是当温度超过500℃以后，材料强度急剧下降，从而导致法兰连接和螺栓变得十分粗大。

在安装时，螺栓的紧固使其承受着预应力。在运行中，螺栓还要因温差而产生应变，承受着温差应力。预应力加上温差应力，往往可能造成螺栓材料的屈服或蠕变，从而使得热交换器停车以后发生螺栓的松动。

在管箱的设计上，主要有凸形、锥形和平板形三类。从承压能力看以凸形最佳，平板形最差。凸形管箱中有半球形、椭圆形、碟形等，以球形承压能力最强。

（3）采用耐热、耐腐蚀材料作衬里

由于单一的材料不仅价格高，而且有时难以同时满足耐热、耐腐蚀以及高强度的要求，因而在设计时可以考虑某些部位采用耐热金属衬里或非金属耐火材料衬里。这方面要解决的问题是衬里技术和如何解决衬里材料与母体金属热膨胀的不一致的问题。如果解决不好，将发生衬里的龟裂、剥落和脱落，所以此项措施应根据具体条件尤其是制造厂的制造水平来确定。

（4）高温流体入口部位的防护

高温操作时，高温流体对设备构件产生热冲击从而引起热应力、热疲劳和高温腐蚀，往往导致构件的损坏，尤其是流体入口连接处的损坏。当流体温度有波动时，以及要求流体高速流动时，这种破坏就更为严重。因而应该采取适当的防护措施。防护的方法是设法降低该部分的温度，或者减小温度的波动，或者把强度大的构件做成特殊形状。图2.55示出了几种防护措施，其中图（a）为日本制氢装置热交换器上的管端防护结构，在每个管孔里都插入一个带有圆弧翻边的耐热保护套，保护套焊在管板上。图（b）、（c）是英国在高压合成氨装置热交换器中采用的管端防护结构。图（b）中的喇叭形不锈钢锲管轻胀入传热管内。图（c）是高温转化器废热锅炉中采用的管端防护结构，它也是在传热管内插入一个不锈钢楔管，其下端靠带有开槽的喇叭口扩张，上部则靠压进压缩石棉纤维与传热管紧固在一起。图（d）是西德在烯烃生产装置中的废热锅炉上采用的管端防护结构，考虑到含砂高温气流的机械冲刷和热冲蚀，在传热管的端部都加装了一个喇叭形入口管帽。

图2.55 管端的防护结构

3）材料的选用

正确选用材料和发展新型材料，对于高温高压下工作的设备具有重要意义。高温高压下工作的热交换器必须考虑材料的氧化性、热冲击承受能力和悬浮颗粒的侵蚀，也要注意金属盐类、硫酸盐所带来的结垢和腐蚀。而事实上，同时具备高耐热性、高强度和高抗蚀性的材料极为稀少。虽然也发展了一些新的高温材料，但其价格都很昂贵。从经济上考虑，采用复合材料或采用衬里是比较合适的，但传热管一般用比较好的材料，因它极易损坏，而且难于施行衬里技术。根据材料来确定设备的最高使用温度时，不仅要考虑材料的性能，还要考虑设备的种类、工作条件、经济性和其他因素。例如对于没有危险的流体，设备损坏后不致带来严重后果或短时间的操作，可将使用温度选得高一些。反之，所选的温度要远远低于材料的允许温度。