大型石墨列管換熱器換熱管裝配技術及問題處理

劉仍禮，陳小峰，劉 暢，馬 莉

(南通星球石墨股份有限公司，江蘇 南通 226541)

化工設備中使用的人造石墨具有優異的導電、導熱性能，其線膨脹系數小，還可耐溫度聚變等。列管式石墨換熱器因具有優越的耐腐蝕性和導熱性，在眾多腐蝕性物料換熱條件下被廣泛地應用。由于換熱用的擠壓石墨管無法與管板焊接，絕大部分采用粘接劑粘接，為解決石墨管與鋼外殼間的膨脹差異，將一端的管板改為浮動管板，因此國家標準稱為“浮頭列管式石墨換熱器”【1】。隨著化工設備不斷大型化，對安全性的要求也越來越高，因此列管式石墨換熱器中石墨換熱管的裝配技術顯得尤為重要。

1 原理

1.1 列管式石墨換熱器工作原理

列管式石墨換熱器在確定具體結構時，一般將腐蝕性介質通入管程空間，而殼程通入非腐蝕或腐蝕性不大的介質。本文討論的列管換熱器示意見圖1。其工作原理是：列管式石墨換熱器的冷卻介質由殼體上方的接管進入，順序通過各折流通道，曲折地流至下方接管出口；而管程熱物料介質則由設備上方接管進入，經過換熱管到達設備下方的接管，其釋放出的余熱由石墨換熱管外側的冷卻水吸收，后經冷卻水出口排出，使工作介質保持額定的工作溫度。

圖1 列管換熱器示意

1.2 石墨換熱管裝配原理

如圖2所示，每根石墨換熱管依次通過石墨管板以及多個折流板上的孔，保證每個石墨換熱管裝配到相應的位置。

圖2 換熱管與折流板裝配

2 裝配錯位問題及處理方案

2.1 石墨換熱管裝配錯位問題

2.1.1 裝配錯位問題分析

用于石墨列管換熱器的石墨換熱管是采用人造石墨和樹脂等材料，經混捏、壓型(熱擠壓或冷模壓)和熱處理制成的。其熱處理通常都在300 ℃下進行。石墨管自身力學性能和剛度都比鋼管差很多，又因進行過熱處理，且長度較長，因此其直線度也比鋼管差很多。所以石墨換熱管在裝配時經常出現錯孔的現象，與管板孔不同心的問題也時有發生。

2.1.2 裝配問題解決方案

針對石墨換熱管裝配錯孔以及與管板孔不同心的問題，提出如下解決方案：

1) 建議設計時增加折流板數目，減小折流板之間的間距，以便及時調整石墨換熱管的直線度，這也同時保證了石墨換熱管與管板孔的同心度；

2) 建議在石墨換熱管擠壓、熱處理時設計工裝，減少石墨換熱管的變形；

3) 建議在石墨換熱管裝配時，設計加工一個或多個工裝，用來解決錯孔現象和與管板孔不同心的問題。

對以上方案分析如下：

1) 在換熱器的給熱、導熱、傳熱這三個傳熱過程中適當增加折流板。因為若折流板的間隔距離太短、沒有足夠空間會使液體流質阻力加大，保證不了冷卻水的流量，也就不利于傳熱，最終導致設備的換熱效果得不到保證。所以這樣的處理方案不能完全解決此裝配問題。

2) 換熱管的熱處理通常是幾百根甚至是上千根管子同時在熱處理爐中進行，如果設計工裝，則需要的熱處理設備會很大，而且工裝的增加會導致很大的能耗，因此也不能考慮此方案。

3) 裝配時增加工裝是最有效的方法。以往遇到類似問題時，處理方法為在設備的對面通過鋼筋撬動石墨換熱管引導方向，使其裝配到正確的位置。為此設計一個引導換熱管的工裝(俗稱“引導頭”，見圖3)作為輔助。

圖3 引導頭

首先用石墨材料加工一個引導頭進行試驗，發現以下問題：

1) 選材

引導頭在裝配時會與管板以及折流板發生碰撞，由于石墨材質容易脆斷，碰撞的結果是折流板破損或者引導頭斷裂掉落在設備里面。

2) 引導頭與換熱管的間隙

若間隙太大，則引導頭在裝配時會由于慣性掉落在設備里；而間隙太小則會由于石墨換熱管的固有特性存在部分石墨換熱管與引導頭不好配合的問題。

結合以上分析認為，“引導頭”要選擇一種比石墨強度低而且又不容易斷的材質。綜合考慮后，選擇了木材作為制作引導頭的材料。由于擠壓收縮以及熱處理的影響，石墨換熱管內徑的尺寸存在差異，所以在引導頭的一端通過纏繞膠帶的方式來調整其與換熱管內徑的間隙。

引導頭的應用(見圖4)成功解決了裝配錯位問題。

圖4 引導頭的實際應用

2.2 石墨換熱管裝配后無法轉動問題

列管式石墨換熱器由不透性石墨換熱管和管板用粘接劑粘接組成管束【2】。而石墨粘接劑則是由石墨粉、樹脂、固化劑按比例調制而成的。粘接時需要在石墨換熱管與管板粘接處完全涂敷粘接劑。因粘接劑在一定的時間內會凝固，因此要在一定的時間內完成粘接，就需要石墨管裝配后能夠在折流板和石墨管板孔中自由進行圓周轉動。

為此，初步確立的解決方案是：

a) 加大石墨管板和折流板管孔；

b) 對石墨換熱管外徑進行加工；

c) 對于個別無法轉動的折流板孔和石墨管板孔重新進行擴孔處理。

對上述方案進行分析可知：

1) 為了方便石墨換熱管的裝配，石墨管板和折流板上的孔已經加大。過分加大孔徑會導致石墨換熱管在使用過程中產生振動，因此方案a)不可取。

2) 石墨換熱管是經過擠壓成形的，而且在裝配前進行了單管試壓，如果對已經進行過熱處理和單管試壓的石墨換熱管進行加工，換熱管的質量就無法得到保證，所以方案b)也不可行。

綜上,只能考慮解決方案c)，也就是對無法轉動的折流板孔和石墨管板孔進行鉸孔或者打磨，俗稱“擴孔處理”。

石墨換熱管通常的規格為外徑50或32 mm，傳統的鉸刀無法滿足此工藝要求。為此，設計了在鋼管上焊接對稱刀具的專用鉸刀(見圖5)。當石墨換熱管無法轉動時，則對孔進行加工處理。這種方式相對于以往通過砂布打磨的方式減少了加工的難度，并且擴孔后的圓周精度也可以得到保證。

圖5 石墨列管換熱器專用鉸刀

2.3 石墨換熱管與石墨管板粘接問題

石墨換熱管與石墨管板粘接所使用的粘接劑是由石墨粉、樹脂、固化劑根據氣溫的不同，按照一定的配比制成的。粘接前應將石墨管板孔內和石墨換熱管管頭都涂滿粘接劑。在整個粘接過程中，時間節點控制十分重要，所以采用三種方案進行試驗。方案1)～方案3)分別以25、10、2 kg樹脂為基準進行粘接劑調配。

對于方案1)，粘接劑分次調配，每次以25 kg樹脂為基準，分配給各涂敷人員使用，這樣石墨粉、樹脂和固化劑稱重人員省力，粘接劑調配人員也輕松。該方案的不足之處是每次調配的粘接劑量太大，而粘接劑的凝固有時間限制(特別是夏季高溫季節)，從而導致一部分粘接劑還未及涂敷就已經變硬，浪費太多。

對于方案2)，粘接劑分多次調配，每次以10 kg 樹脂為基準，分配給各涂敷人員使用。該方案的不足之處是，對于大型列管(換熱面積≥500 m2)石墨換熱器，因其管頭眾多(幾百根甚至上千根)，使得涂敷粘接劑的時間延長，而同樣粘接劑的凝固有時間限制，因此有可能先涂敷粘接劑的管頭粘接劑已經變硬，而另一部分石墨換熱管管頭還未涂敷，導致各換熱管管頭粘接劑凝固時間不一致而前功盡棄。

方案3)采取一邊調配粘接劑一邊涂敷的形式，分多次調配，每次以2 kg樹脂為基準，俗稱為“螞蟻搬家”。這樣可保證每個人都在忙碌。粘接劑調配人員、涂敷人員應同時操作，步調一致，最后同步完成。該方案縮短了粘接劑凝固時間，使粘接劑使用率達到最大化，既減少了粘接劑的浪費，又保證了粘接質量。所以將此方案進行優化和補充用于石墨換熱管和管板的粘接，無論換熱面積大小均可適用。

3 結論

通過對大型石墨列管換熱器換熱管裝配問題的解決方案進行分析和對比，優選出最佳方案。采用最佳方案組裝的大型石墨列管換熱器換熱管，在設備粘接時，對換熱管與管板、折流板最終裝配質量進行檢查，各換熱管均達到粘接要求；而且換熱管與浮頭管板粘接方便，且耗用工時較短。本文介紹的方案已在2018年“新疆晶碩”、“山東莫科”、“甘肅新瑞玖”等多家公司的超過50臺設備安裝中得到應用，大大節約了安裝時間，而且到目前為止狀態良好。