化工企业普遍使用列管式换热器。该换热器价格低, 制造简单。缺点是换热效果欠佳, 管程易堵, 冷媒消耗大。 我厂冰机系统技术改造中, 将金属软管换热器(F = 500m 2) 用于生产。经过一年多的生产试运行, 该技术在节约水源, 提高换热效果, 降低系统压力降等方面明显优于传统技术, 且金属软管换热器具有操作简单,占地小, 管程不易堵等优点。笔者以该台换热器为例, 介绍金属软管技术, 以供参考。
1 理论分析
1.1 结构特点
金属软管换热器与普通换热器的区别在于以金属软管代替直管。金属软管是由<25mm ×0.8mm 的薄壁不锈钢(0Cr18N i10T i) 管通过专用设备加工而成。金属软管与直管采用搭焊接。
1.2 可能产生的问题
金属软管壁厚只有0.8 mm , 最薄处为0.75mm。我们自然会对其稳定性, 抗腐蚀性及耐介质的冲刷能力等产生疑问。事实上, 这也是技术人员必须考虑到的问题。
1.3 技术分析
(1) 工作状况
该台波纹换热管的作用是用冷却水将气氨冷却成液氨。管程通水, 壳程通气氨(液氨) , 水压p 水= 0.3M Pa, 气(液) 氨p 氨= 1.3M Pa, 进口水温t水进= 9.5 ℃, 出口水温t水出= 16 ℃, 气(液) 氨平均温度tW = 37 ℃。
(2) 稳定性分析
由工况及结构特点可知, 金属软管主要失效破坏应力来自气氨的压力和由于管子两端固定温差引起管子热胀并转换为轴向压应力。所以金属软管的侧向和轴向同时受均布外压p 的作用。轴向外压对管子失稳影响不大。可以直接将金属软管仅受侧向外压圆筒的失稳作为主要失效问题进行讨论和设计。管子的失效可能是当外压达到一定值时,管壁的径向挠度随压缩应力的增加而急剧增大,直到管子被压瘪。
金属软管是由光管管坯加工而成。有资料介绍,金属软管失稳失效部位位于金属软管本体两端的直管段。
该金属软管长度L = 4950 mm , 直径(以光管计) D 0= 25 mm , 壁厚n= 0.8 mm , L C 为临界长度。
由于L C= 1.17D 0 (D 0/n) 1/2 = 1.17×25 (25/0.8) 1/2 = 163.5 mm ,L > L C, 故为长圆筒。已知壁厚、管长及管径, 根据图算法原理, 可以算出金属软管在37 ℃下的许用外压〔p 〕为21784 M Pa(计算过程略) , 〔p 〕> p 氨, 故金属软管不会发生稳定失效。
(3) 腐蚀失效
对于奥氏体不锈钢金属软管换热管来说, Cl-应力腐蚀是失效的主要破坏形式, 腐蚀一般先以裂纹出现, 后快速向前发展, 直至失效。Cl- 应力腐蚀的温度范围一般为70～ 250 ℃, 这里的温度为37 ℃, 故发生Cl- 应力腐蚀的可能性极小。另外, Cl- 也是产生腐蚀的一个重要因素, 对于不锈钢材料, 其工作环境中Cl- 浓度应小于15×10- 6, 经检测, 巨化工业用水中的Cl- 浓度为4×10- 6, 气氨和液氨中的Cl- 浓度可以忽略不计。所以, 金属软管在这种工况下是比较安全的。
(4) 冲刷磨损
至于水中泥沙的冲刷, 造成不锈钢管管壁减薄, 从而缩短金属软管的寿命。目前, 在技术分析上还存在很大的困难, 但据我们对廊房管道输送局供暖设备进行考察, 结果比较理想。该局水质含沙量较大, 一个9m 直径的沉淀槽, 运行5 个月, 积沙深达1.5m。但自1995 年11 月至1999 年1 月, 该局投用的金属软管换热器运行正常, 从未检修。
由于金属软管技术应用于化工领域还不多, 可能还会有其它失效形式。笔者也只是与列管式换热器作了比较。
2 实际应用效果
金属软管换热器由于波纹节的存在, 增大了换热面积, 由于壁厚只有018 mm , 换热效果较好。最为重要的是由于波纹节的存在, 液体流经管内时不断湍动, 换热效果很好。另一方面, 由于液体湍流, 不断冲刷内壁, 使污垢很难形成, 金属软管几乎不会出现管堵现象。
为充分考查金属软管换热器的使用情况, 我们在1999 年11 月至2000 年4 月, 停掉4 台立式列管换热器, 且金属软管的冷媒(冷却水) 减至夏季用水量的1/3, 结果生产基本稳定。通过一年的性能考核, 基本完成了当初预计目标: 年节约水量600万t, 节约水费66 万元, 由于气氨总管压力下降,节电600 kW ·h, 年节约电费约31.3 万元, 排污达标, 设备运行情况良好。
2000 年年初, 巨化集团公司压力容器检测站对金属软管进行了检测: 打开封头时, 未发现列管中有污物堵塞情况。对任意抽取的6 根管进行内窥镜检查(深入长度为1.6～ 1.8 m ) , 结果表明内壁腐蚀情况不明显, 未见腐蚀坑或其他严重腐蚀现象, 管波峰内也未发现污物积存。
3 使用金属软管换热器应注意的问题
(1) 针对具体情况选取。不锈钢金属软管换热器对工况要求较严(特别是对Cl- 的浓度) , 冷媒介质的压力也不能太高。
(2) 金属软管换热器管束的抗震性较差, 运输及吊装时, 不得出现过度碰撞。
(3) 金属软管换热器运行10 个月左右应停车一次, 便于金属软管收缩复原。金属软管的收缩也有利于污垢的剥落。
(4) 每个厂冷媒清洁程度不同, 新上的金属软管换热器最好能在进口加装一台过滤设备, 同时应定期打开封头检查。