大型石墨列管换热器换热管装配技术及问题处理
2021-07-21刘仍礼陈小峰
刘仍礼，陈小峰，刘 畅，马 莉
(南通星球石墨股份有限公司，江苏 南通 226541)
化工设备中使用的人造石墨具有优异的导电、导热性能，其线膨胀系数小，还可耐温度聚变等。列管式石墨换热器因具有优越的耐腐蚀性和导热性，在众多腐蚀性物料换热条件下被广泛地应用。由于换热用的挤压石墨管无法与管板焊接，绝大部分采用粘接剂粘接，为解决石墨管与钢外壳间的膨胀差异，将一端的管板改为浮动管板，因此国家标准称为“浮头列管式石墨换热器”【1】。随着化工设备不断大型化，对安全性的要求也越来越高，因此列管式石墨换热器中石墨换热管的装配技术显得尤为重要。
1 原理
1.1 列管式石墨换热器工作原理
列管式石墨换热器在确定具体结构时，一般将腐蚀性介质通入管程空间，而壳程通入非腐蚀或腐蚀性不大的介质。本文讨论的列管换热器示意见图1。其工作原理是：列管式石墨换热器的冷却介质由壳体上方的接管进入，顺序通过各折流通道，曲折地流至下方接管出口；而管程热物料介质则由设备上方接管进入，经过换热管到达设备下方的接管，其释放出的余热由石墨换热管外侧的冷却水吸收，后经冷却水出口排出，使工作介质保持额定的工作温度。
图1 列管换热器示意
1.2 石墨换热管装配原理
如图2所示，每根石墨换热管依次通过石墨管板以及多个折流板上的孔，保证每个石墨换热管装配到相应的位置。
图2 换热管与折流板装配
2 装配错位问题及处理方案
2.1 石墨换热管装配错位问题
2.1.1 装配错位问题分析
用于石墨列管换热器的石墨换热管是采用人造石墨和树脂等材料，经混捏、压型(热挤压或冷模压)和热处理制成的。其热处理通常都在300 ℃下进行。石墨管自身力学性能和刚度都比钢管差很多，又因进行过热处理，且长度较长，因此其直线度也比钢管差很多。所以石墨换热管在装配时经常出现错孔的现象，与管板孔不同心的问题也时有发生。
2.1.2 装配问题解决方案
针对石墨换热管装配错孔以及与管板孔不同心的问题，提出如下解决方案：
1) 建议设计时增加折流板数目，减小折流板之间的间距，以便及时调整石墨换热管的直线度，这也同时保证了石墨换热管与管板孔的同心度；
2) 建议在石墨换热管挤压、热处理时设计工装，减少石墨换热管的变形；
3) 建议在石墨换热管装配时，设计加工一个或多个工装，用来解决错孔现象和与管板孔不同心的问题。
对以上方案分析如下：
1) 在换热器的给热、导热、传热这三个传热过程中适当增加折流板。因为若折流板的间隔距离太短、没有足够空间会使液体流质阻力加大，保证不了冷却水的流量，也就不利于传热，最终导致设备的换热效果得不到保证。所以这样的处理方案不能完全解决此装配问题。
2) 换热管的热处理通常是几百根甚至是上千根管子同时在热处理炉中进行，如果设计工装，则需要的热处理设备会很大，而且工装的增加会导致很大的能耗，因此也不能考虑此方案。
3) 装配时增加工装是最有效的方法。以往遇到类似问题时，处理方法为在设备的对面通过钢筋撬动石墨换热管引导方向，使其装配到正确的位置。为此设计一个引导换热管的工装(俗称“引导头”，见图3)作为辅助。
图3 引导头
首先用石墨材料加工一个引导头进行试验，发现以下问题：
1) 选材
引导头在装配时会与管板以及折流板发生碰撞，由于石墨材质容易脆断，碰撞的结果是折流板破损或者引导头断裂掉落在设备里面。
2) 引导头与换热管的间隙
若间隙太大，则引导头在装配时会由于惯性掉落在设备里；而间隙太小则会由于石墨换热管的固有特性存在部分石墨换热管与引导头不好配合的问题。
结合以上分析认为，“引导头”要选择一种比石墨强度低而且又不容易断的材质。综合考虑后，选择了木材作为制作引导头的材料。由于挤压收缩以及热处理的影响，石墨换热管内径的尺寸存在差异，所以在引导头的一端通过缠绕胶带的方式来调整其与换热管内径的间隙。
引导头的应用(见图4)成功解决了装配错位问题。
图4 引导头的实际应用
2.2 石墨换热管装配后无法转动问题
列管式石墨换热器由不透性石墨换热管和管板用粘接剂粘接组成管束【2】。而石墨粘接剂则是由石墨粉、树脂、固化剂按比例调制而成的。粘接时需要在石墨换热管与管板粘接处完全涂敷粘接剂。因粘接剂在一定的时间内会凝固，因此要在一定的时间内完成粘接，就需要石墨管装配后能够在折流板和石墨管板孔中自由进行圆周转动。
为此，初步确立的解决方案是：
a) 加大石墨管板和折流板管孔；
b) 对石墨换热管外径进行加工；
c) 对于个别无法转动的折流板孔和石墨管板孔重新进行扩孔处理。
对上述方案进行分析可知：
1) 为了方便石墨换热管的装配，石墨管板和折流板上的孔已经加大。过分加大孔径会导致石墨换热管在使用过程中产生振动，因此方案a)不可取。
2) 石墨换热管是经过挤压成形的，而且在装配前进行了单管试压，如果对已经进行过热处理和单管试压的石墨换热管进行加工，换热管的质量就无法得到保证，所以方案b)也不可行。
综上,只能考虑解决方案c)，也就是对无法转动的折流板孔和石墨管板孔进行铰孔或者打磨，俗称“扩孔处理”。
石墨换热管通常的规格为外径50或32 mm，传统的铰刀无法满足此工艺要求。为此，设计了在钢管上焊接对称刀具的专用铰刀(见图5)。当石墨换热管无法转动时，则对孔进行加工处理。这种方式相对于以往通过砂布打磨的方式减少了加工的难度，并且扩孔后的圆周精度也可以得到保证。
图5 石墨列管换热器专用铰刀
2.3 石墨换热管与石墨管板粘接问题
石墨换热管与石墨管板粘接所使用的粘接剂是由石墨粉、树脂、固化剂根据气温的不同，按照一定的配比制成的。粘接前应将石墨管板孔内和石墨换热管管头都涂满粘接剂。在整个粘接过程中，时间节点控制十分重要，所以采用三种方案进行试验。方案1)～方案3)分别以25、10、2 kg树脂为基准进行粘接剂调配。
对于方案1)，粘接剂分次调配，每次以25 kg树脂为基准，分配给各涂敷人员使用，这样石墨粉、树脂和固化剂称重人员省力，粘接剂调配人员也轻松。该方案的不足之处是每次调配的粘接剂量太大，而粘接剂的凝固有时间限制(特别是夏季高温季节)，从而导致一部分粘接剂还未及涂敷就已经变硬，浪费太多。
对于方案2)，粘接剂分多次调配，每次以10 kg 树脂为基准，分配给各涂敷人员使用。该方案的不足之处是，对于大型列管(换热面积≥500 m2)石墨换热器，因其管头众多(几百根甚至上千根)，使得涂敷粘接剂的时间延长，而同样粘接剂的凝固有时间限制，因此有可能先涂敷粘接剂的管头粘接剂已经变硬，而另一部分石墨换热管管头还未涂敷，导致各换热管管头粘接剂凝固时间不一致而前功尽弃。
方案3)采取一边调配粘接剂一边涂敷的形式，分多次调配，每次以2 kg树脂为基准，俗称为“蚂蚁搬家”。这样可保证每个人都在忙碌。粘接剂调配人员、涂敷人员应同时操作，步调一致，最后同步完成。该方案缩短了粘接剂凝固时间，使粘接剂使用率达到最大化，既减少了粘接剂的浪费，又保证了粘接质量。所以将此方案进行优化和补充用于石墨换热管和管板的粘接，无论换热面积大小均可适用。
3 结论
通过对大型石墨列管换热器换热管装配问题的解决方案进行分析和对比，优选出最佳方案。采用最佳方案组装的大型石墨列管换热器换热管，在设备粘接时，对换热管与管板、折流板最终装配质量进行检查，各换热管均达到粘接要求；而且换热管与浮头管板粘接方便，且耗用工时较短。本文介绍的方案已在2018年“新疆晶硕”、“山东莫科”、“甘肃新瑞玖”等多家公司的超过50台设备安装中得到应用，大大节约了安装时间，而且到目前为止状态良好。
