CN118293728A - 传热管及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体换热技术领域，公开了一种传热管及其制备方法和应用，该传热管含有钟形扭曲片，在保证强化传热效果的同时能够提高扭曲片强度，传热管的加工时间短，最大热应力小，使用寿命长。

Description

传热管及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及流体换热技术领域，具体涉及一种传热管及其制备方法和应用。

背景技术

石油烃类蒸汽裂解制乙烯是一个高温强吸热过程，裂解炉辐射段炉膛内燃料燃烧产生的热量通过炉管壁面由管外传递到管内流体，而炉管壁面附近存在的流动边界层和焦层由于热阻较大，会大大降低裂解炉管的传热效率。扭曲片管强化传热技术通过在裂解炉管内设置扭曲片，可改变管内流体流动形式，从而减薄边界层，减缓结焦，进而提高裂解炉传热效率。第一代扭曲片强化传热管由于结构限制，只能通过静态铸造的方式来制造，扭曲片与炉管采用焊接方式连接，在经过长时间使用后，由于裂解炉内流体温度较高且操作过程中常遇到炉管超温情况，在扭曲片与炉管连接处易发生开裂，进而导致强化传热管的失效。

根据材料“热胀冷缩”的基本特性，裂解炉管内外温度差的存在会使得炉管与扭曲片不同部位热膨胀量不同，为协调由此产生的变形，在裂解炉管内会产生热应力，当热应力超过炉管本身材质所能承受的最大应力即许用应力时，炉管即会发生开裂现象。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的炉管易开裂等问题，提供一种传热管及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种传热管，所述传热管包括炉管以及设置于炉管内壁的扭曲片，所述扭曲片的径向截面呈钟形。

本发明第二方面提供一种制备所述传热管的方法，该方法包括：对铸造形成的空心炉管进行切削，在空心炉管内形成径向截面呈钟形的扭曲片。

本发明第三方面提供一种所述的传热管在乙烯裂解工艺中的应用。

本发明通过采用钟形扭曲片，在保证强化传热效果的同时提高了扭曲片强度；降低了加工难度，缩短了传热管的加工时间，降低了传热管内最大热应力，提高许用应力，延长其使用寿命。在优选的实施方式中，结合特定的加工工艺制备所述传热管，实现了炉管和扭曲片的一体化成型，有效避免了由于铸造工艺不同所带来的制造缺陷。

附图说明

图1是根据本发明一种优选实施方式的传热管的径向截面示意图；

图2是根据本发明另一种优选实施方式的传热管的径向截面示意图。

附图标记说明

1中间段，2圆弧段，L1为扭曲片远离炉管内壁的一端与炉管内壁之间的距离，L2为中间段的径向长度。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明一方面提供一种传热管，所述传热管包括炉管以及设置于炉管内壁的扭曲片，所述扭曲片的径向截面呈钟形。“所述扭曲片的径向截面”是指与扭曲片的延伸方向垂直的截面。

根据本发明，所述传热管中的径向截面呈钟形的扭曲片包括如图1或2所示的中间段1与圆弧段2且中间段1两侧通过圆弧段2的弧线延伸至炉管内壁，特别地，径向截面呈钟形的扭曲片与炉管内壁连接处形成了光滑过渡的圆角，减小了机械加工的难度，降低扭曲片与炉管内壁接触处高温热应力大小。

根据本发明更优选的实施方式，所述中间段为矩形。

根据本发明更优选的实施方式，所述扭曲片远离炉管内壁的一端与炉管内壁之间的距离L1(也即扭曲片径向截面的长度)、中间段的径向长度L2与炉管内切圆半径R(也即切削后的炉管内径的一半)之间的关系满足L1：R：L2为1：1-10：0.1-0.9，更优选地，L1：R：L2为1：1.2-6：0.2-0.6。

根据本发明更优选的实施方式，所述扭曲片的弧线长度L3与炉管内切圆半径R之间的关系满足L3：R为0.01-3:1，更优选的，L3：R为0.5-2:1，当炉管扭曲片和炉管满足以上关系时能够进一步提高机械强度。

根据本发明更优选的实施方式，所述径向截面呈钟形的扭曲片中间段的宽度和炉管内切圆半径R的比为0.01-0.2：1，更优选为0.02-0.04：1。

根据本发明更优选的实施方式，所述径向截面呈钟形的扭曲片圆弧段的弧线对应的半径和炉管内切圆半径R的比为1：3-30，优选为1：6-13。

根据本发明更优选的实施方式，所述径向截面呈钟形的扭曲片沿炉管轴向长度与炉管内切圆半径R之间的比值为1-20：1，优选为2-12：1。

根据本发明，所述炉管为空心圆柱状炉管。

根据本发明更优选的实施方式，所述炉管内切圆半径R和壁厚的比值为0.5-60:1，优选为3-25:1。

根据本发明，所述径向截面呈钟形的扭曲片是实心的，在传热管中螺旋状延伸且呈中心对称。

根据本发明更优选的实施方式，所述径向截面呈钟形的扭曲片的旋转角度为90-360°，优选为120-360°。

根据本发明，所述扭曲片可以为多个，根据本发明更优选的实施方式，所述径向截面呈钟形的扭曲片沿轴向在炉管内设置的个数为1-12个，优选为1-4个。

根据本发明更优选的实施方式，所述径向截面呈钟形的扭曲片沿轴向在炉管内的间隔(即相邻两个扭曲片之间的间隔)与炉管内切圆半径R的比值为30-150：1，优选为50-100：1。

本发明特定形状的扭曲片提高了扭曲片的强度，并进一步的提高了炉管的传热性能，降低结焦速率，延长炉管寿命。

本发明第二方面提供一种制备所述传热管的方法，该方法包括：对铸造形成的空心炉管进行切削，在空心炉管内形成径向截面呈钟形的扭曲片。

根据本发明的方法，所述铸造的方式优选为离心铸造。

根据本发明更优选的实施方式，所述离心铸造的条件包括：温度为500-4000℃，时间为1-40min，速度为100-4000rpm，更优选地，温度为1600-3000℃，时间为1-15min，速度为1500-3500rpm。

根据本发明的方法，所述空心炉管为非等壁厚的空心炉管。

根据本发明更优选的实施方式，所述非等壁厚的空心炉管沿厚壁端由厚均匀的变薄至薄壁端。

根据本发明更优选的实施方式，所述空心炉管厚壁端和薄壁端的壁厚比为1.5-14：1，优选为2.3-9：1。

根据本发明，可以通过智能机床加工中心对沿轴线方向水平放置的空心炉管进行加工切削，保证径向截面呈钟形的扭曲片和空心炉管的整体性以及一体化成型，提高扭曲片的强度和传热管的机械性能，延长传热管的寿命。根据本发明更优选的实施方式，所述切削的方式包括：从空心炉管的厚壁端沿内壁切削形成呈中心对称的径向截面呈钟形的扭曲片，并沿轴向方向螺旋状延伸至薄壁端直至形成炉管壁厚和扭曲片径向截面的宽度均匀的传热管，使传热管的径向截面图如图1或图2所示。

根据本发明更为优选的实施方式，所述径向截面呈钟形的扭曲片沿轴向在空心炉管内设置的个数为1-12个，优选为1-4个。

根据本发明更为优选的实施方式，在切削后对所述传热管的内表面进行打磨抛光处理。

根据本发明更为优选的实施方式，为了进一步提高传热管性能，还可以对传热管的材料加以改进，可以使用含有Al、Ti、Re、Ni和Cr的合金材料，更为优选地，所述合金材料中Ni的含量为45-50重量％，Cr的含量为39.5-48.6重量％，Al的含量为3-5重量％，Ti的含量为3-5重量％和Re的含量为0.4-0.5重量％。

本发明第三方面提供一种所述的传热管在乙烯裂解工艺中的应用。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，最大热应力参数通过拉伸试验(GB/T 228.2-2015)方法测得；以石脑油为裂解原料在800℃下进行裂解，当传热管出现开裂现象时的总运行时间记即为使用年限；实施例1-4和对比例1中，传热管的材质为购自青岛新力通工业有限责任公司的Cr35Ni45Nb。

实施例1

以一台年产10万吨的乙烯裂解炉为例进行说明，裂解原料为石脑油，进料量46000kg/h，在每个辐射炉管组件中设置有沿炉管轴向间隔设置的4个离心铸造(条件为温度1700℃，时间8min，速度2000rpm)的传热管。其中，形成非等壁厚的空心炉管的厚壁端壁厚为40mm，内径为7mm，薄壁端壁厚为7mm，内径为73mm。切削后的获得的传热管，炉管内径为73mm，壁厚为7mm，沿内壁形成径向截面呈钟形的扭曲片，L1为20mm，L2为10mm，L3为36.5mm，扭曲片中间段的宽度为1.4mm，与炉管内壁连接的圆弧段的半径为6mm。扭曲片沿炉管轴向长度与R之间的比值为12：1，扭曲旋转角度为180°，相邻扭曲片之间的间隔距离是3600mm，炉管中扭曲片个数为4个。切削后炉管径向截面图如图1所示。实验结果如表1所示。

实施例2

按照实施例1的方法，不同的是，径向截面呈钟形的扭曲片L1为25mm，L2为5mm，L3为43.8mm，扭曲片中间段的宽度为0.8mm，与炉管内壁连接的圆弧段半径为5mm，炉管径向截面图如图2所示。实验结果如表1所示。

实施例3

按照实施例1的方法，不同的是，非等壁厚的空心炉管的厚壁端壁厚为13.5mm，内径为60mm，薄壁端壁厚为9mm，内径为69mm。切削后的获得的传热管，炉管内径为73mm，壁厚为7mm，沿内壁形成径向截面呈钟形的扭曲片，L1为31mm，L2为4mm，L3为14.6mm，扭曲片中间段的宽度为2mm，与炉管内壁连接的圆弧段的半径为8mm。扭曲片沿炉管轴向长度与R之间的比值为18：1，扭曲旋转角度为90°，相邻扭曲片之间的间隔距离是2200mm，炉管中扭曲片个数为5个。结果如表1所示。

实施例4

按照实施例1的方法，不同的是，非等壁厚的空心炉管的厚壁端壁厚为10mm，内径为67mm，薄壁端壁厚为8mm，内径为71mm。切削后的获得的传热管，炉管内径为73mm，壁厚为7mm，沿内壁形成径向截面呈钟形的扭曲片，L1为1.8mm，L2为0.09mm，L3为0.05mm，扭曲片中间段的宽度为8mm，与炉管内壁连接的圆弧段的半径为13mm。扭曲片沿炉管轴向长度与R之间的比值为22：1，扭曲旋转角度为180°，相邻扭曲片之间的间隔距离是1500mm，炉管中扭曲片个数为5个。结果如表1所示。

实施例5

按照实施例1的方法，不同的是，使用Ni含量为48重量％，Cr含量为42.5重量％，Al含量为5重量％，Ti含量为4重量％和Re含量为0.5重量％的合金材料的金属液进行离心铸造(条件为温度1800℃，时间8min，速度2800rpm)。实验结果如表1所示。

对比例1

按照实施例1的方法，不同的是，改变强化传热管结构和制造方法，炉管与扭曲片均通过静态铸造方式制造，且炉管为等壁厚炉管，壁厚为7mm，炉管内径为73mm。扭曲片截面长度为16mm，宽度为5.6mm，径向截面与传热管内壁面连接处夹角大小为60°。实验结果如表1所示。

表1

实施例编号	加工时间(h)	最大热应力(MPa)	使用年限(年)
				实施例1	4.8	59	6.7
实施例2	4.5	59	6.7
				实施例3	4.8	60	6.6
实施例4	4.4	60	6.6
				实施例5	4.6	45	7.5
对比例1	8	96	5

通过表1的结果可以看出，采用本发明特定的技术方案大大缩短了传热管的加工时，制造的传热管加工时间更短，且最大热应力较低，高温环境下的长时间服役性能良好，其中，最大热应力较低和使用年限较长的炉管高温热稳定性体越好。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种传热管，其特征在于，所述传热管包括炉管以及设置于炉管内壁的扭曲片，所述扭曲片的径向截面呈钟形。

2.根据权利要求1所述的传热管，其中，所述扭曲片的径向截面包括中间段(1)与圆弧段(2)且中间段(1)两侧通过圆弧段(2)的弧线延伸至炉管内壁；

优选地，所述中间段为矩形；

优选地，所述扭曲片远离炉管内壁的一端与炉管内壁之间的距离L1、中间段的径向长度L2与炉管内切圆半径R之间的关系满足L1：R：L2为1：1-10：0.1-0.9，更优选地，L1：R：L2为1：1.2-6：0.2-0.6；

优选地，所述圆弧段的弧线长度L3与炉管内切圆半径R之间的关系满足L3：R为0.01-3:1，更优选的，L3：R为0.5-2:1；

优选地，所述中间段的宽度和炉管内切圆半径R之间的比值为0.01-0.2：1，更优选为0.02-0.04：1；

优选地，所述圆弧段的弧线对应的半径和炉管内切圆半径R之间的比值为1：3-30，更优选为1：6-13。

3.根据权利要求1或2所述的传热管，其中，所述扭曲片的轴向长度与炉管内切圆半径R之间的比值为1-20：1，优选为2-12：1。

4.根据权利要求1或2所述的传热管，其中，所述炉管为空心圆柱状炉管；

优选地，所述炉管内切圆半径R和炉管壁厚之间的比值为0.5-60:1，优选为3-25:1。

5.根据权利要求1所述的传热管，所述扭曲片是实心的；

和/或，所述扭曲片在传热管中螺旋状延伸且呈中心对称；

和/或，所述传热管包括1-12个径向截面呈钟形的扭曲片。

6.一种制备权利要求1-5中任意一项所述传热管的方法，其特征在于，该方法包括：对铸造形成的空心炉管进行切削，以在空心炉管内形成径向截面呈钟形的扭曲片。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述铸造的方式为离心铸造；

优选地，所述离心铸造的条件包括：温度为500-4000℃，时间为1-40min，速度为100-4000rpm，更优选地，温度为1600-3000℃，时间为1-15min，速度为1500-3500rpm；

和/或，所述空心炉管为非等壁厚的空心炉管，优选地，所述非等壁厚的空心炉管沿厚壁端由厚均匀的变薄至薄壁端。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述空心炉管厚壁端和薄壁端的壁厚比为1.5-14：1，优选为2.3-9：1。

9.根据权利6所述的方法，其中，所述切削的方式包括：从空心炉管的厚壁端沿内壁切削形成呈中心对称的径向截面呈钟形的扭曲片，并沿轴向方向螺旋状延伸至薄壁端。

10.权利要求1-5中任意一项所述的传热管在乙烯裂解工艺中的应用。