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132研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术中国设备工程 2018.06 (下)１ 缠绕管式换热器结构缠绕管式换热器管束的结构如图1所示，主要是由换热管、中心筒、平垫条、管板等组成的，换热管紧密的缠绕在在中心筒的外围，按螺旋线的形状逐层交替缠绕。
相邻上下两层换热管的缠绕方向是完全相反的，两层换热管之间需要用金属垫条将换热管隔离开，形成壳程介质流通的管路。
图12 材料的入厂检验换热管是缠绕管式换热器管束的主要受压元件，所以必须要进行入场的检验，只有保证了主要受压原件的质量控制后才能进一步保证整体换热器的质量。
不锈钢管换热器管程的压力一般都比较高，国内采用的换热管一般分为两种形式：一种是无缝钢管对接环缝；第二种直接采用焊接管。
第一种钢管在焊接时必须要采用对接自动焊，每一个对接的接头都要进行无损检测，以确保换热管焊缝性能的良好。
第二种换热管的纵向焊缝较长，焊缝的焊接强度、性能较弱，在经过在线的固溶处理后，必须要进行在线的涡流检测。
同时还要有压扇、扩口试验以及其他力学性能试验，只有全部合格后，该换热管方可投入使用。
入厂检查时，要对换热管的管体在缠绕换热管前，采用专用的工装对换热管逐根进行2倍于设计压力的水压试验，保证一次合格后方可投入使用。
3 中心筒制作（1）按照图纸尺寸检查各零部件的下料尺寸，确保下料长度，偏差值在标准范围内。
零部件外表面要进行清理，去除油污，保证后期焊接质量。
（2）支撑管、筋板、端板、管板之间进行组焊。
首先确定方位，在管板上进行标注，然后按照图纸要求进行组对，保证支撑管与筒体之间的同轴度、管板与支撑管同轴度能够达到工艺要求。
两侧管板组对后要测量其水平度，焊接时还要注意防止焊接的变形。
中心筒整体尺寸的控制与图纸对应。
做好同轴度的检查（支撑管与中心筒，管板与中心筒)。
在管板边缘做好角度标记，有利于后序操作。
4 中心筒绕管前的准备在缠绕换热管之前，在绕管机和中心筒上分别划出定位线，首先点焊平垫条，异形垫条再划出参考螺旋线后，然后层层紧密的将换热管绕在中心筒上，并且使用专用的卡箍焊接固定。
缠绕管换热器标准
缠绕管换热器是一种常用的换热设备，用于在化工、石油、电力等工业领域进行热交换。
其标准通常包括以下内容：
1. 设计标准：缠绕管换热器的设计应符合国家或行业相关的设计标准，如ASME（美国机械工程师协会）、GB（中国国家标准）、DIN（德国标准）等。
2. 材料标准：缠绕管换热器的制造材料应符合相关的材料标准，如ASTM（美国材料与试验协会）等。
3. 制造标准：缠绕管换热器的制造应符合相关的制造标准，包括焊接工艺、检测要求等。
4. 检测标准：对于缠绕管换热器的检测应符合相关的检测标准，包括非破坏检测、压力试验等。
5. 安装标准：缠绕管换热器的安装和调试应符合相关的安装标准，包括管道连接、支架安装等。
总之，缠绕管换热器的标准涉及到设计、材料、制造、
检测、安装等方面，旨在保证其在运行过程中的安全、可靠性和性能。
缠绕式换热器介绍缠绕管式换热器不仅是大型化工工艺过程重要的设备,而且是一个高效节能的设备。
这些换热器结构复杂,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[1]: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[2],在全国共有近20套此类装置,每套装置中有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。
缠绕管式换热器换热工艺研究缠绕管式换热器是一种常用的换热设备，广泛应用于化工、石油、制药、食品等领域。
本文旨在探讨缠绕管式换热器的换热工艺研究，包括其基本原理、性能优势、应用案例以及进一步发展的方向。
缠绕管式换热器是一种利用外壳与内管之间的介质进行换热的设备。
其基本原理是通过外壳中的流体与内管中的流体进行热量交换。
内外介质各自在不同的管道中流动，通过传热表面的热传递，实现热能的转移。
由于能够充分利用介质之间的纵向流动路径，缠绕管式换热器相比于其他换热器，具有更高的换热效率和热量转移能力。
缠绕管式换热器具有多种性能优势。
首先，由于内外介质是分离的，可以用于介质之间有化学反应、腐蚀性或污染性的情况，从而提高了设备的稳定性和使用寿命。
其次，可根据需要灵活选择管道材质，以满足不同介质的特殊要求。
同时，缠绕管式换热器具有紧凑的结构设计，占地面积小，适用于有限的空间。
此外，该设备具有出色的自清洁功能，能够减少污垢和沉积物的积聚，减小清洗维护频率。
缠绕管式换热器在多个领域得到广泛应用。
在化工领域，可以用于石油炼制、合成氨、甲醇生产等过程中的换热。
在石油行业，可用于石油储运、精炼过程中的换热。
在制药、食品等领域，可以应用于发酵、干燥、蒸馏等工艺的热能转换。
此外，缠绕管式换热器还可用于海水淡化、空调制冷、锅炉余热回收等环保和节能领域。
未来，缠绕管式换热器有望在以下方面进一步发展。
首先，进一步优化换热器的结构设计，提高热传导效率，并减少设备的压降。
其次，探索新的材料和加工工艺，以提高设备的耐腐蚀性和使用寿命。
此外，加强对换热器性能的模拟与优化研究，利用计算流体力学等技术手段，提高热传导和热转移效率。
最后，结合智能化技术发展，实现设备的在线监测与控制，提高换热过程的可靠性和自动化水平。
综上所述，缠绕管式换热器是一种性能优越、广泛应用的换热设备。
随着技术的不断发展，缠绕管式换热器在能源、环保等领域的应用前景十分广阔。
我们期待通过进一步的研究和创新，推动缠绕管式换热器的发展，为工业生产和人类社会的可持续发展做出更大的贡献综上所述，缠绕管式换热器具备出色的自清洁功能，能减少污垢和沉积物的积聚，降低清洗维护频率。
缠绕管式换热器层间距及同层管间距的确定缠绕管式换热器是由一组或多组缠绕呈螺旋管状的管子置于壳体之中制成的，又称螺旋管式换热器。
他的特点是结构紧凑、传热面积比直管大，温差应力小，但管内清洗困难，可用于较高粘度的流体加热或冷却。
缠绕管式换热器不仅适用于大型石油化工工艺过程，现今大型氮肥国产化装置也陆续制造了数台大型缠绕管式换热器，并取得了初步成功。
缠绕管式换热器在化工工艺流程中不仅是甲醇洗装备的关键单元设备，而且还是一种节能设备，但由于该设备工艺计算复杂，制造难度极大，工程技术一直被国外林德等公司垄断，国产化进展较小。
多年以来，镇海炼化化肥厂三家单位联合攻关，开展了缠绕管式换热器国产化的一系列研究。
从第一台甲醇换热器成功投入使用以来，已为国家“十五”重大装备国产化依托工程—山东华鲁恒升化工股份有限公司大量生产。
由于缠绕管式换热器的工艺计算复杂，本文将仅涉及到工艺计算的核心内容——换热器层间距及同层管间距的确定。
缠绕管式换热器与传统换热器相比，其优点在于：喘流度高，换热效率高，结构紧凑、空间利用效率高，无换热死区。
缠绕管式换热器之所以具备较传统换热器优越的性能，在于其结构方面的特殊。
传统换热器是浮头式折流板换热器，该换热器的换热管是光滑直管，介质在管内直流，在管中心部分流速快，与管内表面接触的部分流速慢。
其特点如下：1、由于介质在管内直流，因此管内的介质运动状态较为稳定，喘流度小，管中心的介质在流动过程中几乎不会与管内表面附近的介质发生扰动，不能很好的实现热量由管心介质向靠近管内壁介质的转移，从而造成同一界面上，管内表面处的温度接近换热管外表面的介质温度，而越靠近管中心，介质温度与换热管外表面的介质温度相差越大，最终降低了热交换能力。
2、由于换热管是直管，因此，换热管的长度小于壳体的长度，所以换热管的换热面积受到极大的限制。
3、由于壳体内设有折流板，因此根据流体力学知识不难得出在换热过程中必然存在换热死区，以至对换热效率造成影响。
缠绕管式换热器的管理及其应用缠绕管式换热器不仅是大型化工工艺过程重要的设备,而且是一个高效节能的设备.这些换热器结构复杂,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[1]: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[2],在全国共有近20套此类装置,每套装置中有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,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.笔者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.图3(略)为一台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(图4)(略),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[3].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,图5(略)为巴陵石化的多股流换热器[4].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.图6是某军工产品使用的缠绕管换热器,由于该军工产品空间有限,经过反复比较,最终选择了这种产品,在有限的空间实现换热.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.。
