CN116136377A - 一种挠性管头换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石化装备技术领域，具体涉及一种挠性管头换热器，包括进口管箱、出口管箱和管束，管束包括管板和多条换热管，多条换热管并列布置，多条换热管的两端连接对应的管板且分别连通进口管箱和出口管箱，管板的管孔朝内一体化延伸有管状的凸缘，凸缘与换热管相焊接连通，凸缘与管板端面之间形成消除突变折角的圆滑过渡的流态化结构，进而令管板与换热管之间的连接具有挠性。流态化结构避免流体对拐角冲刷冲蚀，流体能流畅进入内管，提高流体通过率。适用于高温介质的列管式换热器、夹管板式夹套管换热器和管孔板式夹套管换热器，解决了现有角焊缝无法焊透、结构刚性强及应力集中的问题，同时焊缝背面可以接触到冷却介质，有效延长寿命。

Description

一种挠性管头换热器

技术领域

本发明涉及石化装备技术领域，具体涉及一种挠性管头换热器。

背景技术

乙烯、苯乙烯和硫磺是重要的化工原料，乙烯装置中急冷换热器、苯乙烯装置的多联换热器和硫磺回收装置中的废热锅炉都是工艺性非常强的关键设备，共同的特点是将高温(分别达800℃、650℃和1200℃左右)工艺气冷却下来，回收热能，降低能耗。三种换热器都采用间壁换热方式，即高温工艺气走管内(或内管)，冷却介质走管外(或夹套)，使高温工艺气冷却，冷却介质产生蒸汽。

在用高温换热器存在的主要技术问题，就是换热管与管板连接的管接头失效泄漏，原因在于：

原因之一是管接头连接焊缝的角接形式难以焊透、受载能力差。原因之二是管接头连接焊缝无法进行有效的质量检查，据最新资料“邓斌，任刚，王建军.炼油装置典型设备故障分析[J].石油化工设备技术，2023，44(01)56-60，7.”报道，某大型石化集团公司31家炼油企业2019～2021年发生在11大类500余套炼油装置的166起设备故障，基于时间、设备、装置、故障种类、故障强度以及管理和技术等多个维度进行大数据梳理、分析、归纳和总结后，得出了设备故障发生的规律和七类原因，结果表明：检维修、现场操作不当和腐蚀等三类原因分别占30起、30起和27起。检维修这一原因被排在首位，成为迫切需要采取对策的首要工程现实问题。原因之三是管接头连接结构的刚性形式形成应力集中，在热变形协调中容易开裂。原因之四是管接头连接结构的进出口几何形状急剧变化，受到大流量高速高温流体持续的冲刷腐蚀。

以上影响换热器使用寿命的四方面问题还存在相互恶化的交互作用，只改善其中之一都难以获得良好的效果，对此需要在技术创新中同时解决四方面的问题。

发明内容

针对现有技术存在上述技术问题，本发明提供一种挠性管头换热器。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一种挠性管头换热器，包括进口管箱、出口管箱和管束，管束包括管板和多条换热管，多条换热管并列布置，多条换热管的两端连接对应的管板且分别连通进口管箱和出口管箱，其特征是：管板的管孔朝内一体化延伸有管状的凸缘，凸缘与换热管相焊接连通，凸缘与管板端面之间形成消除突变折角的圆滑过渡的流态化结构，进而令管板与换热管之间的连接具有挠性。

作为进一步可选方案，凸缘与管板相互等壁厚或非等壁厚。

作为进一步可选方案，凸缘与管板的过渡之处的外端面形成外圆角，凸缘与管板的过渡之处内端面之间形成内圆角。

作为进一步可选方案，凸缘与换热管之间相互对接：彼此端口对齐抵顶焊接；或凸缘与换热管之间相互搭接：其中一者端口插入另一者端口，然后插入者端口与另一者侧壁相互焊接。

作为进一步可选方案，该换热器为列管式换热器，其还包括壳体，壳体内部作为壳程，管板呈板状且固定于壳体的两端，进口管箱和出口管箱固定于对应的管板外侧，换热管的两端分别与对应管板的管孔相焊接固定；列管式换热器的管板上所有管孔或部分预设位置的管孔加工成所述流态化结构。

作为进一步可选方案，该换热器为夹管板式夹套管换热器，其还包括筒状的夹套管箱，夹套管箱的一侧作为外管管板，夹套管箱的另一侧连接进口管箱或出口管箱作为内管管板；换热管为包括相互套设的内管和外管的夹套管，内管的两端穿过外管管板的管孔且经由对应的内管管板的管孔连通进口管箱和出口管箱，外管的两端与外管管板的管孔相焊接，进而使内管和外管之间的夹套通道连通夹套管箱；夹管板式夹套管换热器的内管管板/外管管板上所有管孔或部分预设位置的管孔加工成所述流态化结构。

作为进一步可选方案，外管管板一体化内凹成型有拱起部，拱起部的内壁与外管的内壁相切布置。

作为进一步可选方案，该换热器为管孔板式夹套管换热器，其还包括管状的两条管孔板管箱，管孔板管箱的横截面为多边形、圆形或扁圆形，多条换热管并列布置于两条管孔板管箱之间，换热管为包括相互套设的内管和外管的夹套管，管孔板管箱的对侧分别作为内管管板和外管管板，内管的端部穿入管孔板管箱中与内管管板的管孔焊接固定且连通进口管箱/出口管箱，外管的端部焊接固定外管管板且连通管孔板管箱内部；管孔板式夹套管换热器的内管管板上所有管孔或部分预设位置的管孔加工成所述流态化结构。

作为进一步可选方案，管孔板管箱的内部为直通道、环形通道或螺旋渐开线性通道。

作为进一步可选方案，管孔板管箱的内部为环形通道，其为单个环形管孔板管箱，或两个以上环形管孔板管箱同心组焊在一起。

本发明的有益效果：

本发明的一种挠性管头换热器，与现有技术相比：

1.管接头没有角接形式难以焊透的连接焊缝，进一步的对接接头或搭接接头可以射线检测，质量容易保证，焊缝及接头能够承受轴向推力、拉力和力矩。

2.管孔加工成圆滑过渡的凸缘结构，挠性高，避免刚性形状的应力集中。

3.管孔结构形成流态化，节省不畅流动损耗的动能，避免流体冲刷腐蚀。

4.基于上述优点1、2、3的效果，管接头不再需要附加设置防护配件，使得结构大为简化，避免复杂结构在高温下的变形约束，或不均衡温度分布及其热应力引起管接头的损伤。

5.结构简单的管接头便于检查和维护。

6.基于上述优点1、2、3、4、5的效果，管接头的全方位创新有别于“头痛医头，脚痛医脚”、“按下葫芦浮起瓢”的传统单方面改良，避免了复杂问题处置中原因不清及其效果不明的困境，使该类换热器的操作弹性大大提高，便于大流量介质的规模化生产。缓解了炼油装置典型设备故障中现场操作不当这一被排在第二位的主要原因，可有效解决这一工程现实问题。

7.根据具体情况，本管接头技术创新可以适用于列管式换热器、夹管板式夹套管换热器和管孔板式夹套管换热器，用途广泛。

8.根据具体结构尺寸和材料情况，挠性管头的管孔加工不需要重大装备，可以通过局部加热后，使用普通工具从凸缘那侧拉拔的方法，或者从凸缘的另一侧推压的方法进行成形，便于加工制造。

附图说明

图1为实施例中的一种挠性管头换热器的第一种管头结构剖视图，示出了列管式换热器的管板挠性管头对接焊接结构。

图2为实施例中的一种挠性管头换热器的第二种管头结构剖视图，示出了列管式换热器的管板挠性管头搭接焊接结构。

图3为实施例中的一种挠性管头换热器的第三种管头结构剖视图，示出了夹管板式夹套管换热器的结构。

图4为实施例中的一种挠性管头换热器的第四种管头结构剖视图，示出了夹管板式夹套管换热器/管孔板式夹套管换热器的挠性管头结构。

图5为实施例中的一种挠性管头换热器的第五种管头结构剖视图，示出了横截面扁圆形直通道管孔板式夹套管换热器的部分挠性对接焊管头结构。

图6为实施例中的一种挠性管头换热器的第六种管头结构剖视图，示出了横截面扁圆形直通道管孔板式夹套管换热器的全挠性对接焊管头结构。

图7为实施例中的一种挠性管头换热器的第七种管头结构剖视图，示出了横截面呈扁圆形的环形通道管孔板式夹套管换热器的全挠性对接焊管头结构。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。

本实施例的一种挠性管头换热器，如图1和2所示，基础结构包括进口管箱、出口管箱和管束，管束包括管板1和多条换热管3，多条换热管3并列布置，多条换热管3的两端连接对应的管板1且分别连通进口管箱和出口管箱。核心改进在于，管板1的管孔11朝内一体化延伸有管状的凸缘2，凸缘2与换热管3之间通过焊缝41相焊接连通，凸缘2与管板1端面之间形成消除突变折角的、圆滑过渡的流态化结构，流态化结构避免流体对拐角冲刷冲蚀，流体能流畅进入内管，提高流体通过率。流体化结构亦令管板1与换热管3之间的连接具有挠性，给换热管3受热伸长形变空间。凸缘2的成型可以通过局部加热后，使用工具拉拔的方法，或者从另一侧推压的方法进行成形，便于加工制造。凸缘2与管板1的过渡之处的外端面形成外圆角R2，凸缘2与管板1的过渡之处内端面之间形成内圆角R1。

实际中，凸缘2与管板1相互等壁厚或非等壁厚，例如管板1厚度比换热管3的壁厚大，凸缘2从管孔11朝换热管3方向厚度逐渐减小，直到与换热管3等厚，满足不同工况需求。

作为可选的，如图1的焊缝41或图2中间管头，凸缘2与换热管3之间相互对接：彼此端口对齐抵顶焊接。或如图2所示两侧的管头，凸缘2与换热管3之间相互搭接：其中一者端口插入另一者端口，然后插入者端口与另一者侧壁相互焊接，如左侧凸缘2插入换热管3中通过焊缝412相互焊接，如右侧换热管3插入凸缘2中通过焊缝411相互焊接。搭接的结构又进一步分为有台阶定位的搭接和无台阶定位的搭接，无台阶定位的搭接如图2所示，有台阶定位的搭接理解为彼此设置台阶来定位焊接。

以上的管头结构可以应用在不同类型的换热器，例如如图1和图2所示的列管式换热器，如图3和图4所示的夹管板式夹套管换热器，如图5、图6和图7所示的管孔板式夹套管换热器，以下分别展开阐述各换热器结构：

如图1和图2所示，该换热器为列管式换热器，其还包括壳体，壳体内部作为壳程SC，管板1呈板状且固定于壳体的两端，进口管箱和出口管箱固定于对应的管板1外侧，进口管箱和出口管箱和换热管3依次连通作为管程GC，换热管3的两端分别与对应管板1的管孔相焊接固定。列管式换热器的管板上所有管孔或部分预设(关键)位置的管孔加工成所述流态化结构，关键位置主要是进口管箱对应的管头。

如图3和图4所示，该换热器为夹管板式夹套管换热器，其还包括筒状的夹套管箱5，夹套管箱5的一侧作为外管管板52，夹套管箱5的另一侧连接进口管箱或出口管箱6作为内管管板51，进口管箱/出口管箱6设置有介质进出口61。换热管3为包括相互套设的内管31和外管32的夹套管，内管31的两端穿过外管管板52的管孔且焊接固定对应的内管管板51的管孔，进而连通进口管箱和出口管箱6，外管32的两端与外管管板52的管孔相焊接，进而使内管31和外管32之间的夹套通道连通夹套管箱5，夹套管箱5设置有介质进出口53。夹管板式夹套管换热器的内管管板/外管管板上所有管孔或部分预设位置的管孔加工成所述流态化结构，主要是内管管板51与内管31之间的管头流态化结构，尤其是入口端。外管管板52一体化内凹成型有拱起部521，拱起部521的内壁与外管32的内壁相切布置，进一步优化外管32与外管管板52之间的流体工况。

如图5至图7所示，该换热器为管孔板式夹套管换热器，其还包括管状的两条管孔板管箱7，管孔板管箱7设有介质进出口71。图中管孔板管箱7的横截面为扁圆形(由圆管压扁而成的扁圆管)，实际可以改为多边形或圆形。多条换热管3并列布置于两条管孔板管箱7之间，换热管3为包括相互套设的内管31和外管32的夹套管，管孔板管箱7的对侧分别作为内管管板71和外管管板72，内管31的端部穿入管孔板管箱7中与内管管板71的管孔焊接固定且连通进口管箱/出口管箱6，进口管箱/出口管箱6呈半圆形且其介质进出口61设置于其顶部。外管32的端部焊接固定外管管板72且连通管孔板管箱7内部；管孔板式夹套管换热器的内管管板上所有管孔或部分预设(关键)位置的管孔加工成所述流态化结构，尤其是内管31的入口端位置。

图5和图6中上方的内管管板71与内管31的连接是本实施例创新的挠性对接焊管头，流态化的内管入口结构有利于大流量；而上方的外管管板72与外管32的连接是传统的角焊接管头，该处是夹套流体的出口。下方的内管管板71与内管31的连接是传统的角焊接管头，该处是内管流体出口；下方的外管管板72与外管32的连接是本实施例创新的挠性对接焊管头，流态化的夹套入口结构有利于大流量。图中内管介质的流向与夹套介质的流向是相反的，实际根据工艺需求，可改为同向。图中示出的都是对接焊管头，实际根据需要可以改为搭接焊结构。

图5和图6中，管孔板管箱7的内部为直通道、实际可以改为图7所示的环形通道，或改为螺旋渐开线性通道。当管孔板管箱7的内部为环形通道，其为单个环形管孔板管箱，或两个以上环形管孔板管箱同心组焊在一起。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种挠性管头换热器，包括进口管箱、出口管箱和管束，管束包括管板和多条换热管，多条换热管并列布置，多条换热管的两端连接对应的管板且分别连通进口管箱和出口管箱，其特征是：管板的管孔朝内一体化延伸有管状的凸缘，凸缘与换热管相焊接连通，凸缘与管板端面之间形成消除突变折角的圆滑过渡的流态化结构，进而令管板与换热管之间的连接具有挠性。

2.根据权利要求1所述的一种挠性管头换热器，其特征是：凸缘与管板相互等壁厚或非等壁厚。

3.根据权利要求1或2所述的一种挠性管头换热器，其特征是：凸缘与管板的过渡之处的外端面形成外圆角，凸缘与管板的过渡之处内端面之间形成内圆角。

4.根据权利要求1所述的一种挠性管头换热器，其特征是：凸缘与换热管之间相互对接：彼此端口对齐抵顶焊接；或凸缘与换热管之间相互搭接：其中一者端口插入另一者端口，然后插入者端口与另一者侧壁相互焊接。

5.根据权利要求1所述的一种挠性管头换热器，其特征是：该换热器为列管式换热器，其还包括壳体，壳体内部作为壳程，管板呈板状且固定于壳体的两端，进口管箱和出口管箱固定于对应的管板外侧，换热管的两端分别与对应管板的管孔相焊接固定；列管式换热器的管板上所有管孔或部分预设位置的管孔加工成所述流态化结构。

6.根据权利要求1所述的一种挠性管头换热器，其特征是：该换热器为夹管板式夹套管换热器，其还包括筒状的夹套管箱，夹套管箱的一侧作为外管管板，夹套管箱的另一侧连接进口管箱或出口管箱作为内管管板；换热管为包括相互套设的内管和外管的夹套管，内管的两端穿过外管管板的管孔且经由对应的内管管板的管孔连通进口管箱和出口管箱，外管的两端与外管管板的管孔相焊接，进而使内管和外管之间的夹套通道连通夹套管箱；夹管板式夹套管换热器的内管管板/外管管板上所有管孔或部分预设位置的管孔加工成所述流态化结构。

7.根据权利要求6所述的一种挠性管头换热器，其特征是：外管管板一体化内凹成型有拱起部，拱起部的内壁与外管的内壁相切布置。

8.根据权利要求1所述的一种挠性管头换热器，其特征是：该换热器为管孔板式夹套管换热器，其还包括管状的两条管孔板管箱，管孔板管箱的横截面为多边形、圆形或扁圆形，多条换热管并列布置于两条管孔板管箱之间，换热管为包括相互套设的内管和外管的夹套管，管孔板管箱的对侧分别作为内管管板和外管管板，内管的端部穿入管孔板管箱中与内管管板的管孔焊接固定且连通进口管箱/出口管箱，外管的端部焊接固定外管管板且连通管孔板管箱内部；管孔板式夹套管换热器的内管管板上所有管孔或部分预设位置的管孔加工成所述流态化结构。

9.根据权利要求8所述的一种挠性管头换热器，其特征是：管孔板管箱的内部为直通道、环形通道或螺旋渐开线性通道。

10.根据权利要求8所述的一种挠性管头换热器，其特征是：管孔板管箱的内部为环形通道，其为单个环形管孔板管箱，或两个以上环形管孔板管箱同心组焊在一起。

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