钛制换热器的设计

　　钛制换热器的设计冒圣国（化工部连云港设计研究院，江苏连云港204）问题。

　　钛和钛合金是一种新兴的、很有发展前途的金属材料，它不但具有强度高、比重轻的优点，更突出的是它对某些介质（如湿氯气）具有很强的抗腐蚀性。而其他材料又大都不具备这一优点。因此，它广泛用于航空、宇宙开发、海洋工程、石油、化工、轻工、食品加工、冶金、电子、医药卫生、仪器仪表等部门。但钛和钛合金价格昂贵，在结构设计上要综合考虑制造成本问题。设计时，尽可能使用薄壁或复合板方式以节省钛材，降低成本。

　　（近年来，国外在钛制列管式换热器中采用的壁厚仅为0 .5mm的薄壁钛管。）用钛作换热器具有如下优点：①在许多介质中，具有优良的耐腐蚀性，因而管壁可以比较薄，提高传热效率②由于液体对钛的浸润性小，因此在其表面的冷凝方式为滴状冷凝。这种冷凝方式，使换热表面不断更新，给热系数大大增加③表面光洁无垢层，污垢系数大大降低④比重小，强度高，设备体积和重量小。由于钛材延伸率及断面收缩差，所以钛制换热器绝大部分均采用固定管板式。现以固定管板式钛制换热器为例，说明其设计与碳钢或不锈钢制换热器的一些不同。

　　1流程的选取对于一般换热器来说，无论腐蚀介质走壳程还是管程，对于整个制造难度和成本影响都不是很大，但对于钛制换热器就大不一样。首先，考虑腐蚀性介质走管程，在这种情况下管板可以采用复合板，而壳体和折流板只需用碳钢就可以了，既省钛材，又节省材料费。管程则采用全钛的、钛复合钢板式或钛衬里，但两端封头均不宜采用压制成形的椭圆形封头。因为封头要压制成形，钛材的延伸率很低，压制不好容易开裂及过深皱折而报废。一般来说两端均采用锥形封头。其次是将腐蚀性介质走壳程，这样管板、换热管、筒体、折流板需要使用钛材，耗费钛材较多，看起来不经济。

　　但此时其管箱封头均可以采用碳钢，很好压制，能缩短制造周期。因此，无论种还是第二种各有优劣，种能节约材料，对于有条件的制造厂可以使用第二种制造条件差及设备改造时使用。

　　2管板的设计在钛制换热器中管板有全钛材、复合板、钛螺钉固定钛。全钛管板绝大部分用在壳程走腐蚀性介质，适用于压力不是很大，否则将需要很厚的钛管板，是很不经济的。全钛管板不把延长部分兼作法兰。当用钛复合钢板制造管板时，管板上钛复层的厚度通常是2～13mm.复层的小厚度必须保证管子与管板焊接时，基层金属不会熔入钛焊缝中。管板上开有分程隔板槽时，则复层的小厚度为5～7mm.承受较高压力的管板，则复层厚度为10mm.复合管板其贴合牢固，可以适用于较高的压力，这样增加的仅仅是碳钢部分。

　　通常管板设计成延长部分兼作法兰。当用钛螺钉固定钛或钛复合钢板衬里的管板时，其衬里厚度应按管间承受的内压力和螺钉间距进行计算。在计算管板厚时，其钛复合钢板复层厚度和钛螺钉固定钛的厚度不应计入壁厚中。

　　在管板开孔直径方面也要充分考虑钛材的延伸性差，屈强比高，不容易产生较大变形量，因此其孔径应尽量控制在小的尺寸，这样管子和管板的胀接就很顺利。管板孔径尺寸应比碳钢和不锈钢用的管孔径小。管板孔径和公差通常按CD130A9 87《钛制设备技术条件》中3 .5.3节的规定，例如Ф25mm管子壁厚S 1mm时，孔直径对于无支承的大管长等于或小于900mm和管外径大于32mm时，则其管孔直径比管子外径大0 .8mm.无支承管长大于900mm和管外径小于或等于32mm时，管孔径比管子外径大0 .4mm.

　　有振动的条件下，管孔径比管子外径大0 .25mm.

　　管孔的两管必须倒成0 .5×45°。

　　3折流板的设计折流板在换热器中是必不可少的，而对钛制换热器来说其设计更应注意。首先，由于钛材的摩擦系数大，容易产生粘连性。当折流板是碳钢时，设计时应慎重考虑它对钛材换热器的摩擦作用，这时应考虑薄壁换热管翘曲出现振动，引起折流板与换热管之间的摩擦，因此，折流板间距应小到足以限制管子振动，从而消除摩擦。而且，对于折流板的孔二端应严格倒角。不能有锐角出现，否则换热管很容易破坏。事实证明，换热器发生障碍。一是管子与管板的连接处，二是换热管与折流板之间摩擦，发生破裂。当折流板与换热管均为钛材时，有摩擦和粘连双重特点，不仅要注意倒角，而且要注意孔径的大小，不能太小。但也不是大了就好，因为太大（如间隙0 .4mm）时会有高速液流冲刷换热管，使换热管发生冲刷腐蚀。

　　4管板与换热管的连接可采用胀接、焊接和胀焊连接，根据操作压力、温度、介质性质和管板材料选定。对于全钛、钛复合钢板和衬钛管板，宜采用焊接或胀焊连接。

　　换热管一般都选用的是工业纯钛如TA2、TA3 ，它的可焊性能好，换热管在订货时要求是退火状态供货，并按照Ⅱ级换热器对换热管的要求进行压扁、扩口试验，并进行水压试验，剔除不合格的管子，然后才能组装。在选择换热管时应根据换热面积的要求既不能太小，也不能太大，一般在Ф20～Ф50mm之间，太小所用换热器直径减小，制造加工困难，太大制造方便，但耗费太多钛材。（选换热管直径时应充分考虑物料是否易结块，不致于换热器工作时被堵塞）常用的是Ф25×1 .

　　5mm的换热管。管板与换热管的连接对于钛制换热器来说是要慎重考虑的，因为换热器在运行中损坏，大多数都在换热管与管板连接处。由于工业纯钛的强度及弹性模量有随温度升高而降低的趋势，在常温下有蠕变倾向，使得管子与管板之间的胀接剩余应力松弛，降低连接可靠性，在某些介质中还会引起缝隙腐蚀，时间稍长就会破坏焊缝而发生泄漏。由于钛的延伸率及对缝隙腐蚀的敏感，所以管子与管板的连接一般不采用胀接，只有在压力和温度不高的情况下，换热管与管板的连接可采用胀接法，但在可能产生缝隙腐蚀的环境中不宜采用。大多数都采用强度焊加消除间隙的贴胀，少数采用强度胀加密封焊。钛制换热器尽管大多数使用压力都不高，但有时介质的组合也很复杂，如有较高温度和燃烧、爆炸及剧毒气体等。这时一定要选用焊接连接。根据我们的经验，一般应将管子伸出管板的长度比普通换热器长1mm ，这样做的目的是由于钛制换热器的管子是薄壁管，在与管板相焊时会产生较大的热应力，加之内压的作用，在管端的应力会全部由截面高度为2～3mm的焊缝承担，特别是对于进入气流较大冲刷管端的情况（管子与管板连接焊缝），施焊时产生种种焊接缺陷是不可避免的，如皮下针（下转26页）盛水用半新的Υ30cm有盖铝锅，结果表明烧开15kg水合成气比液化气少耗时332s ，节约9 .8，这与合成气已接近烧完，压力低有关。

　　盛水用Υ46cm的炒菜大铁锅，烧水时没有盖子，结果表明节时27 .2.

　　清水重量耗气量瓶内压力石油液化气高能合成气开水耗气0 .45kg ，平均每kg液化气可烧31 .7kg开水，表中数字表明烧25kg开水耗合成气是0 .55 kg ，耗液化气是0 .82kg ，节约率为33 .

　　4经济效益分析4 .1成本分析试验用合成燃气的主要原料碳五来源广州石化总厂，每瓶合成气需加进30元的碳五，另需加10元的添加剂。若以小型生产厂每月生产2000瓶规模计，人工、水电、税和运输费为5元/瓶，这样成本为45元/瓶，而同期石油液化气的成本为4 .2效益分析由于碳五为石油化工厂副产品，其价格升跌基本与液化气同步，但幅度小过液化气，生产合成时按2000瓶/月规模和小效益系数计算，每瓶合成气净利润应大于6元，月利润应在12000元以上。建新厂需投资12万元，可在10个月内收回。若为改造配气站（需投资6万元），则2个月就可以收回投资。

　　5结论与建议高能合成燃气生产技术日趋成熟，燃烧时产生的火焰气温高，易掌握，可以取代日常生活中采用的石油液化气。

　　合成燃气的生产原料来源广泛，货源充足，具有成本低、安全性好、无污染、市场易接受的优点，尤其适合老气站的改造。投资6万元即可在3个月内完成6000瓶/月的规模， 2个月即可收回投资。

　　亏损企业或集体、个人新建高能合成燃气厂，投资12万元就可达到2000瓶/月的规模，投资少、见效快，城乡皆宜，是有志者兴办实业的途径之一。

　　（上接23页）孔，微裂纹等，经过冲刷就会暴露出来。这样不仅会大大降低其连接强度，还可能在焊缝被破坏之前发生介质渗漏腐蚀，从而导致基层碳钢发生破坏。