張志勛1,齊廣輝1,周　坤1,阮　鑫1*,申知瑕2
    (1.河北化工醫藥職業技術學院,河北石家莊050026;2.河北安裝工程公司,河北石家莊050031 )

    摘要:介紹了管殼式石墨換熱器及其制造情況,結合生產實踐的經驗,分析了管殼式石墨換熱器泄漏的原因,提出了管殼式石墨換熱器制造、現場安裝和使用過程中注意的問題。
    關鍵詞:管殼式石墨換熱器;泄漏;原因;制造工藝
    中圖分類號: TQ 051·501　　　　文獻標志碼: B
    近年來,管殼式石墨換熱器由于具有優良的耐腐蝕性能,已被廣泛應用于化工、醫藥、氯堿等工業生產中的熱交換場合。然而,管殼式石墨換熱器在使用中也存在明顯的質量問題,其中主要是密封性能欠佳,易過早泄漏。有時發生泄漏的突發性很強,會給生產帶來很大的損失。文中結合筆者試驗及生產實踐的經驗,分析了管殼式石墨換熱器泄漏的主要形式、特征及其產生的原因,提出了在制造、安裝和使用中注意的問題。
    1　管殼式石墨換熱器簡介
    1.1　結構
    管殼式石墨換熱器的結構型式較多,如GH型換熱器(立式)主要由上管箱、上管板、出水口、殼體、換熱管、膨脹節、下管板、入水口及排氣口等部分組成。目前,國內管殼式石墨換熱器管束是用不透性石墨換熱管和管板用粘接劑粘接組成,鋼制殼體兩端設置不透性石墨材料或鋼襯膠的封頭[1]。
    1.2　制造技術
    目前,管殼式石墨換熱器的制造工藝有壓型不透性石墨工藝、電極浸漬酚醛樹脂工藝、化工專用石墨浸漬樹脂工藝以及綜合性工藝等4種。國內使用較多的是壓型不透性石墨工藝,即將人造石墨粉與合成樹脂混合,經壓型、固化機械加工并且裝配而成。其工藝的特點是生產周期短、制造方便、成本低且所制成的換熱器強度比較高,但是導熱性能相對較低。該工藝特別適用于制造管殼式石墨換熱器,例如前蘇聯的ATM-1型石墨產品,其配方為粗顆粒人造石墨33%、細顆粒人造石墨43.6%、酚醛樹脂23.4%。我國已經采用這種工藝生產了大量的管殼式石墨換熱器,是我國目前所使用石墨換熱器中的主要產品。
    為了使石墨換熱器能用于某些特殊介質的工況,近年來各生產廠家根據需要調整生產工藝,采用不同的粘接劑滿足不同的需求。如用酚醛-呋喃樹脂代替傳統的酚醛樹脂所制成的石墨換熱器能夠適用于各種酸、堿介質。也有的廠家研制出聚氯乙烯壓型石墨管,這種管材具有熱塑性、可焊性和優異的耐腐蝕性,可替代酚醛石墨壓型管,而成本比浸漬石墨管和壓型石墨管更低,用其制造的管殼式石墨換熱器廣泛應用于氯堿、農藥和硫酸等工業生產中,效果較好。又如改性聚丙烯石墨換熱器,因為具有無結垢、無污染、清潔衛生的優點而在食品工業中得到應用。還有的工廠采用這種工藝生產不透性石墨板,其特點是在配料中填充了玻璃纖維,大幅提高了換熱器的機械強度、抗沖擊性和耐腐蝕性[2]。
    1.3　不透性石墨材料增強技術
    為了提高設備性能,石墨換熱器用材可用涂敷法、覆蓋法和混入法強化處理。例如石墨管采用碳纖維纏繞法可使其強度大幅提升。
    (1)涂敷法　涂敷法是在石墨材料表面涂敷耐磨陶瓷氧化物,從而提高材質的耐磨蝕性,適宜于介質流速快、固體含量大的工況。當管殼式石墨換熱器用于處理含有較多固體顆粒或流速較快而存在磨蝕危險的條件時,可以在管板的進料側涂敷這種涂層,實踐證明其效果顯著[3]。
    (2)覆蓋法　覆蓋法是利用樹脂浸漬碳纖維束來覆蓋浸漬石墨板的上、下兩個表面達到增強的目的。結果表明,經該法增強的石墨板與未增強的普通石墨板比較,前者抗彎強度比后者提高40%,這樣增強的浸漬石墨可避免換熱器運行中石墨板材因受固體顆粒介質的沖刷而損傷(如磷酸中因CaSO4引起的磨蝕現象)。
    (3)混入法　混入法是將碳纖維混入石墨材料中再壓制成型,可使材料斷裂強度提高1.5~2倍抗磨蝕性提高4~5倍。石墨換熱器用增強石墨管是先將碳纖維束浸入樹脂或樹脂溶液,然后纏繞在石墨管的外表面。纏繞以后,把管子加熱到120~180℃,使樹脂固化而形成堅固的傳力橋。這種增強石墨管即使在負載驟減和應力波動時,也能保持其增強效果。采用這種增強石墨管也可使管板與石墨管之間的粘接強度得到提高,石墨管的破壞壓力增加了30%~40%。由此裝配成的管殼式換熱器在強烈機械應力或熱應力下,或有固體顆粒介質的惡劣環境中亦能穩定運行。
    1.4　化工專用石墨材料
    為了優化材質改變石墨坯材的結構而發展細顆粒、低孔隙率、高強度的石墨產品,國外一些先進國家開發出了顆粒度小于0.35 mm的石墨坯材,而美國擁有當今世界上獨特的大塊細顆粒結構不透性石墨材料,其最大顆粒僅為0.15 mm。這些化工專用石墨材料顆粒細、密度高、機械強度和換熱性能好是世界各國制造石墨換熱器所用的首選材料[4]。近年來,我國化工用石墨原材料也在隨著技術的不斷提升和更新,可以生產性能優良的坯材,其粒度細、孔隙率低,使用溫度和使用壓力得到了很大提高。但與國外先進廠家相比,技術性差距雖在不斷縮小,差距仍然很大。目前,我國石墨換熱器的使用量越來越大,因此,加快開發細顆粒、高強度化工專用石墨材料,滿足不同用戶的需求的任務還很艱巨。
    1.5　大規格、高參數石墨換熱器
    管殼式石墨換熱器的規格大型化、高性能趨勢已十分明顯。管殼式石墨換熱器的最大換熱面積已大于1 500 m2。這些采用大型整體石墨板材制成的大型換熱器工作效率高,廣泛用于硫酸的濃縮以及化肥工業生產中P2O5的濃縮等。我國管殼式石墨換熱器的最大換熱面積也在提高,為此,有的制造廠家配備了大型混合設備及振動成型機,已能生產直徑為1 000 mm、1 200 mm、1 300 mm、1 500 mm等尺寸的塊材和板材,并在焙燒、浸漬和石墨化處理工藝方面進行了有益的探索。這均為我國大型石墨換熱設備的生產打下了堅實的基礎[5]。多年來的實踐證明,研發大型、高性能石墨換熱設備需要各方面多專業密切配合及協作,單方面或局部的努力是難以達到預期目標的。
    1.6　存在問題
    目前,用于制造石墨換熱器的主要問題是材料在苛刻的工作條件下,石墨換熱器表現出機械強度較低、使用溫度不高的弱點,難以處理強氧化性的介質。這些問題的存在,使國產管殼式石墨換熱設備密封性能較差,易泄漏。此外,從國內石墨換熱器的整體行業技術水平和生產裝備來看,與先進國家相比還比較落后,如特種介質及特殊要求的石墨換熱器的研制與使用尚不夠成熟,制造安裝標準也有待進一步修訂等。
    2　管殼式石墨換熱器泄漏原因分析
    2.1　換熱管質量
    國產管殼式石墨換熱器大多使用的是酚醛石墨壓型管,由人造石墨粉和酚醛樹脂按一定比例配制混合、擠壓而成,其密實無孔,不需進行樹脂浸漬或表面機加工,但管體本身必須固化完全、表面光潔、無裂紋、無砂眼等。安裝換熱器時,若單管的試壓和表面檢測不嚴格,不符合上述要求的換熱管就可能被誤用。換熱管以粘接形式固定在管板上,形成管束對管板的約束作用。在生產使用中,管板受介質壓力作用必然發生變形,一是連接設備之間發生方向各異的縱向拉伸或壓縮,二是隨著換熱器各零部件變形的不均勻導致管板撓曲使換熱管發生彎曲此時,越靠近邊緣的管子彎曲越大。而有缺陷的石墨壓型管若布置在受力變形較大的區域時,很容易發生斷裂導致泄漏。
    2.2　換熱管與管板連接
    管殼式石墨換熱器管頭與管板多采用膠粘連接形式。這種連接方式對制作安裝要求較高。首先粘合劑的許用剪切應力要足夠大。因為在粘接面上,要能承受由溫度、操作壓力以及設備裝配時所產生的軸向力,還要能承受立式安裝時物料和設備質量所引起的軸向力。這幾種力在粘接面上共同產生的剪切應力不能超過粘合劑的許用剪切應力。其次要采用合理的粘接面。要保證管頭插入管板的深度和錐度尺寸,以確保足夠的粘接強度和氣密性。插入長度要適當,不足時抗拉脫力不夠,過長時粘接處產生的溫度應力大,反而有害。此外膠粘質量也要穩定。這涉及到粘合劑的制備和膠粘工藝的合理性(如粘接面四周的膠泥是否均勻,是否存在氣孔,各石墨管的長度偏差是否在規定范圍,管頭與管板孔的嚴密貼合程度如何)。若施工不當,則易造成各列管抗拉脫力嚴重不均衡,抗拉脫力弱者先泄漏。
    2.3　管板材質與結構
    鑒于有的換熱器尺寸偏大,應用條件惡劣及各制造廠技術水平參差不齊,管板采用整體制造有一定的難度,國內制造廠多采用雙層或多層平板拼接結構。這樣,粘接縫就成為管板的薄弱區,在受力條件惡劣時,可能導致局部開裂。此外,安裝時產生過大的安裝應力會影響粘接的可靠性。現場安裝設備時,管路與設備間產生安裝應力不可避免,過大且非均勻的安裝應力在短時間內可能不會影響粘接強度,而長時間作用極易使粘接縫開裂。例如2006年國內某化工廠在設備安裝使用3個月后,發生了石墨管板材料的脆性裂紋及斷裂。經分析認為,設備使用的石墨換熱器管板是采用雙層或多層平板拼接結構,加工成品后浸漬酚醛樹脂,由于粘接縫樹脂和浸漬樹脂與石墨材料的熱膨脹系數不同,在較高操作溫度下浸漬樹脂和石墨材質發生顯著熱變形。因樹脂膨脹變形大于石墨材質變形,變形不均造成兩者間產生應力,該應力累積到足夠大時,石墨材質受浸漬樹脂擠壓而發生脆性斷裂。
    2.4　其他方面
    (1)使用溫度過低　換熱器使用溫度過低易導致裂紋及泄漏。2008-10,石家莊某電化廠設備使用過程中,在溫度降至—25~-20℃時,飽和鹽酸形成水化物結晶,堵塞列管,致使脫水系統因阻力過大不得不緊急停止裝置運行。
    (2)殼體焊縫處遭受腐蝕引發的泄漏　殼體泄漏的部位多為設備殼體的縱、環焊縫區。如某廠所使用的石墨換熱器的冷凝介質為-35℃鹽水(CaCl2水溶液,相對密度為1.275~1.295, pH=7),換熱器殼體材質為Q235-A。該設備僅使用了45 d即泄漏。分析數據顯示,該冷卻循環系統死角或流動不暢處存在較嚴重的非均勻腐蝕和局部點腐蝕。
    3　注意事項
    3.1　制造
    3.1.1　制造工藝
    從長遠的發展看,應盡可能提高石墨換熱器制造的標準化、專業化及制造精度,換熱器的制造工藝要不斷進行優化,可以在原生產工藝的基礎上,采取補強、補韌措施,以進一步提高換熱器的力學性能、抗沖擊性和耐腐蝕性等。
    石墨換熱器的制造工藝可以進一步拓寬,除了選用壓型不透性石墨工藝外,還可考慮使用電極浸漬樹脂工藝、石碳浸漬酚醛樹脂工藝及綜合性的制作工藝等。在采用這些工藝時,浸漬劑的選用不容忽視,如聚四氟乙烯浸漬的石墨材料、二乙烯基苯浸漬的石墨材料、呋喃樹脂浸漬的石墨材料等和壓型柔性石墨材料等,可用于多類苛刻具有不同化學腐蝕的特殊場合[6]。
    為了保證和提高管子和換熱板的連接質量,一是選擇性能優良且合適的粘結劑,二是要進一步提高粘接的均勻度和緊密度。
    制造石墨換熱器時,盡可能選擇熱膨脹系數相同或相近的材料進行組配,以防止設備在線運行時溫差應力和剪切應力過大而造成的損傷[7]。對整個設備的各個連結點來說,決不能強行組對硬性連接(特別是管子與管板連接處),以控制各零部件間連接應力的合理分布及其動態均勻性。
    石墨換熱器的外殼宜采用石墨材質,或采用鋼制殼體但需在內部作適度的防腐涂層。
    3.1.2　管板制造
    管板是管殼式石墨換熱器最重要的零件之一,也容易出問題。換熱器管板為一圓形板,一般用整張板割制,若管板較大較厚,可用幾塊拼接。但拼接質量要嚴格保證,除按相應的技術標準進行質量檢驗外,還應作消除應力后處理(通過適度的溫度變化)。管板切割后,外圓和環形密封面等部位要進行機械加工。
    管板主要加工工序是鉆管孔,一般在搖臂鉆上劃線鉆孔或用鉆模鉆孔。由于管孔數量多,用這種方法工作量很大而且精度低。對生產換熱器的專業工廠,應采用先進的多軸鉆床加工管板孔,既可提高工效又能保證加工精度。用劃線鉆孔時,必須將2塊管板疊壓在一起配鉆,鉆后依次編上序號和方位號,以便組裝時按此順序和方位排列,保證管端裝配順利和正確。
    管孔加工的實際偏差應小于允許偏差。鉆孔后應抽查管板中心角不小于60°區域內的管孔,在此區域內允許有4%的管孔上偏差大于所要求的偏差值,但數量不超過所要求的偏差值的5%。此外,由于管頭多用粘接法連接,故要求管板孔和管端的配合表面具有適當的粗糙度(由試驗確定)。實踐證明,換熱器材質或規格不同,其適宜的粗糙度亦有所不同。管板和管子裝配前,應對管端和管板孔配合處進行潔凈處理,以保證粘接的牢固性和緊密性,同理,膠粘劑的強度和韌性亦應保證[8]。
    3.2　安裝及使用
    管殼式石墨換熱器的安裝質量及安裝精度對其能否正常安全使用至關重要。因此,提高換熱器的現場安裝及修理精度,防止和減緩因工作中的變形而造成的過大應力,從而避免導致設備產生裂紋的因素發生。在換熱器使用的過程中,應嚴格控制工藝指標范圍,嚴禁因溫度過低而造成堵管和裂管,生產工藝中有易形成低溫水化物結冰傾向的工況更應謹慎。
    4　結語
    管殼式石墨換熱器不同于常用的金屬材質設備,雖優點較多但亦有諸多性能方面的不足,使其使用壽命和使用場合受到限制(如密封性較差)。因此,對于特定的工藝條件,應合理地選用材料和生產工藝,盡可能采用先進的材料生產技術,最大限度地利用材料的強度和韌性。生產中盡可能控制工藝指標,以減少設備使用條件的波動,使設備在合理的工況下運行。
    參考文獻:
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