绕管式换热器技术发展综述

・8・ ２００５年第１期　石油和化工节能

绕管式换热器技术发展综述　

王百战 染绪囷　

摘要 绕管式换热器作为高效紧凑换热器的一种，在余热利用和节能方面起着积极的作用。介绍了绕管式换热器的结构特点以及发展的现状和主要趋势，对换热器系统最佳化和评价方法等问题进行了分析探讨。　

关键词 绕管式换热器 技术 发展

在年产３００ｋｔ合成氨５２０ｋｔ尿素的装置中，高效紧凑式换热器的应用是一个显著的特点。绕管式换热器作为高效紧凑换热器的一种，发挥着自身独有的作用，在余热利用和节能方面起着积极的作用。本文就绕管式换热器的技术发展、换热研究、制造技术以及优化设计方面作一些粗浅的介绍，可作为绕管式换热器在生产管理和技术管理方面的参考。　

１　绕管式换热器的结构特点　

绕管式换热器在结构上较为紧凑，传热效率也高，并且具有一定的温度自补偿能力。结构特点是用小直径管以螺旋状缠绕在芯管上，而且各层的缠绕方向相反，螺旋圈的径向间距用特制的金属垫条来调节，螺旋圈的角度一般为５－２０°。绕管式换热器一般适宜用于多股流体间的换热。多用于净化流程的低温甲醇洗装置以及空分装置。小直径管有的是单独缠绕，也有的是将两根或多根管子焊接（或并）在一起，做成多管型结构。　

图１和图２是双管型绕管式换热器及其解析模

型图。　

图１ 双管型绕管式换热器　

图２ 双管型绕管式换热器的解析模型　

２　绕管式换热器的现状及发展趋势　

从２０世纪７０年代开始，由于化工装置和能源装置在不断地向高参数和大型化发展，同时由于节能形势的发展，高效紧凑式换热器日益受到重视，绕管式换热器也随之趋向大型化和高参数方面的发展。绕管式换热器的大型化发展也揭示着新的制造水平：大型管板锻件的供用和加工；管束与壳体的装配以及引发的焊接工作量等问题的解决都进入了一个新的层次。　

大型管板，孔多、孔密、孔小、孔深，而且孔的精度和光洁度要求很高。要达到高的加工精度，当然必须依靠高的定位精度来保证。美国ＣＥ公司采用Ｃｒｏｓｓ公司５轴数控管板钻床，达到了当代超厚管板加工技术的最新水平。日本对中等厚度（厚度１５０ｍｍ以下）管板和薄管板成功地研制了８轴和１４轴高效率数控钻床，大大提高了加工精度，生产效率都显著提高。　

３　管子与管板的连接技术　

管子与管板的连接，目前主要是胀接、焊接和胀焊结合。　

石油和化工节能　２００５年第１期 ・9・

３．１　胀管技术的发展　

自２０世纪７０年代以来，绕管式换热器向大型化发展，胀接技术日益要求严格，同时，胀接技术也一直是换热器制造中的主攻目标之一。现已发展到多种形式，如液压胀管、液袋胀管、橡胶胀管、电液脉冲胀管和爆炸胀管等多种胀接工艺，其中以爆炸胀管效率最高。爆炸胀管工艺方法起源于２０世纪６０年代，到７０年代已得到广泛应用。爆炸胀管是利用爆炸时的径向力达到胀紧，利用轴向力将残渣抛出管外。　

３．２　焊接技术对管与管板连接的贡献　

胀接接头的强度是靠管与管板之间的接触压力所产生的摩擦力来满足要求的，对于高温或高温高压的换热器，由于管板要经受到长时间加热或是长时间的表面接触压力，从而导致摩擦力下降，连接强度降低。因此，在２０世纪７０年代，在高温、高压、强腐蚀或泄漏条件下的管与管板的连接相继出现了爆炸焊、内孔焊和电子束焊的焊接接头工艺或是胀焊结合的接头工艺。　

４　接管焊接和壳体的组焊　

绕管式换热器的大型化发展，不仅大大增加了焊接的工作量，而且对焊接的质量也日益要求严格。２０世纪７０年代，美国首先解决了接管的鞍形焊缝的自动化焊接，随后在欧洲各国相继得到应用。如今，绕管式换热器不仅在接管的鞍形焊缝方面，而且在壳体的纵、环焊缝以及管子与管板的焊接等方面均已采用自动化焊接，大大提高了焊接工作效率，而且焊接质量也得到保证。　

５　绕管式换热器的无损探伤　

绕管式换热器的无损探伤主要是针对管子与管板的接头检查以及对管子的检查，２０世纪７０年代以来，发展起来的涡流检测法主要侧重于检查管子的缺陷，对于管子与管板的焊接接头则是用棒阳极射线、着色、低能γ射线等来进行检查，而超声波检查法则是用于内孔焊缝和电子束焊缝的检查。　

６　专业化协作生产　

绕管式换热器的大型化发展，已迫切需要各专业厂相互协作，以及高等院校、设计院、用户、制造厂之间的相互协作。目前，这已成为国外发展的普遍动向。在我国，绕管式换热器的研制和发展，虽然不够迅速，但已开始起步。２０世纪９０年代，西安交通大学、兰石设计院以及开封空分集团等组成了“多股流高压绕管式换热器工业应用”课题组。经过探索攻关，成功地为宁夏化工厂提供了用于年产３００ｋｔ合成氨装置的Ｅ７绕管式换热器，填补了国内的空白。　

７　传热、流动理论及振动的研究　

长期以来，各国都十分重视传热和流动理论的研究。目前，国际上每年发表的传热、流动和换热器的研究文献成千上万，且成立了一些很有影响的国际性研究组织，在定期召开的各种国际传热专题会议上发表的论文涉及面也很广。近年来，两相流的研究、核沸腾和膜沸腾机理的研究、冷凝的研究以及强化传热新方法及其机理的研究，都是比较引人瞩目的研究课题。　

在近几年的理论研究中，振动方面的研究也越来越为人们所重视。绕管式换热器的大型化发展，引发的难题之一就是管束和管板的振动。德国林德公司很好地解决了这方面的难题，拥有绕管式换热器振动问题解决方面的专利；在我国，西安交通大学、天津大学等单位在绕管式换热器的振动和防振方面也进行了大量的工作。　

８　热物性的研究　

物性数据是传热和流动计算的基础，也是绕管式换热器设计和制造的重要根据。美国和日本等国都很重视这方面的研究工作，研究的主要课题有：临界点附近的物性值；低温物性；物性值的一致性问题；标准数据的确定；用计算机推算和检索物性数据等等。在我国，这方面的研究工作也已经起步，但基本上仍是一个空白区，１９８２年出版的由卢焕章博士主编的《石油化工基础数据手册》，可以说是我国在这方面工作的一个良好开端。　

９　换热器研究中的测试技术　

测试技术在我国的换热器技术发展中也是一个很薄弱的环节，大量应用着Ｕ形管压差计之类的原始测量工具，直接影响研究结果的精确性和可靠性。目前，国外很重视换热器中的测量技术的研究，在常规测量中，一次仪表要求有很高的精度，且一些先进的技术引入到一次仪表上，不仅提高了测量精度，同时还为测量自动化奠定了基础。与此同时，利用射流、激光、热线、核磁共振和电子计算机等当代先进技术，使测试技术朝着高精度、高灵敏度