钛制管壳式换热器的设计

钛是一种具有高度化学活性的金属, 但在常温下能生成保护性很强的氧化膜, 因而在许多酸、碱、盐类介质中具有优良的耐腐蚀性能, 故在石油、化工、冶金、海洋工程等行业具有广泛的应用。

换热器用钛一般采用工业纯钛, 我国的牌号为TA1、TA2、TA3, 其中应用最普遍的是TA2。要求更好的耐腐蚀性和塑性时用TA1, 不用冷成形的零件如管板、螺栓等用TA3。钛合金中常用于换热器的是TA9和TA10, 主要用于要求抗缝隙腐蚀的场合。

钛管可以作为换热器的换热管, 其优点为管壁比较薄, 液体的浸润性小, 蒸汽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, 钛管表面难于积垢, 污垢系数大大降低。因此钛制管壳式换热器得到了用户的广泛应用。例如:烧碱项目的氯气冷却器、盐水加热器以及己二酸项目的蒸发器等。

1 钛制换热器流程的选取

当壳程走腐蚀性介质时, 管板、换热管、壳体、折流板、拉杆等都应该选用钛材, 钛材的用量就大, 设备的成本就高。而腐蚀性介质走管程时, 换热管采用钛材, 管箱采用全钛或钛-钢复合板, 管板采用钛钢复合板, 而壳程就可以使用钢材制造, 成本就可以降低。

2 钛制换热器的结构设计

2.1 管板

钛制换热器管板一般为平板结构, 从材质分:全钛、钛钢复合。全钛管板一般用于壳程走腐蚀性介质。而钛复合板由于贴合牢靠, 可用于高压热交换器的场合。更为重要的是钛钢复合的管板, 对钛管有消极保护作用, 抑制了由管和管板间存生的缝隙所产生的应力腐蚀开裂。钛对间隙腐蚀尤为敏感, 因此防止缝隙腐蚀更为重要。所以对于直径较大, 管程走腐蚀性介质的换热器来说, 管板最好采用钛复合板, 既能减小缝隙腐蚀, 又能降低管板费用。

2.2 换热管

管壳式换热器所用的换热管材质通常采用TA2, 钛管需退火状态交货, 按批抽样进行机械性能试验、无损探伤和液压试验。在便于清洗不易造成堵的情况下, 管径尽可能取小值, 这样外壳直径也小, 换热器成本就越低。一般常用的换热管规格为φ25X1.5。

2.3 换热管和管板的连接

换热管和管板的连接是设计中必须慎重考虑的一个问题。因为换热器在运行中的损坏, 往往发生在换热管和管板连接处。由于钛材的强度和弹性模量随着温度的升高而有较大的降低, 且在常温下有蠕变倾向, 使管子和管板的胀接残余应力松弛, 易引起泄漏, 所以一般不推荐使用胀接。由于焊接比胀接更能保证密封性能, 当管板采用钛钢复合板时, 胀接又不能满足管端密封要求, 因此, 钛制换热器一般管子和管板连接采用焊接。但管板和换热管之间总有缝隙存在, 这样最容易产生缝隙腐蚀。实践表明胀焊结合的连接方式比较好, 既提高了接头的抗疲劳性能, 又可消除应力腐蚀破裂和缝隙腐蚀。

2.4 封头

根据我们设计的经验建议钛制封头的厚度不小于现行标准中 (JB/T4746-2002) 的最小厚度, 这样冲压以后的皱纹不大, 不会超标。如封头厚度小于标准封头厚度时, 冲压后皱纹的深度会超标, 从而影响封头质量。

2.5 螺纹加工

钛材具有摩擦系数大, 导热系数小, 粘连性等, 在螺纹加工时较为困难, 经常导致丝锥断裂。在管板拉杆固定的螺纹加工中, 应避免过长的孔, 且适当放松螺纹公差和精度等级的要求为好。

3 应用举例

某公司6万吨/年烧碱工程的氯处理工段的氯气冷却器。壳程工作压力为0.3MPa, 工作温度为32℃~37℃, 设计压力为0.33MPa, 设计温度为40℃, 物料为循环水。管程工作压力为-0.003MPa, 工作温度为40℃~50℃, 设计压力为-0.1MPa, 设计温度为60℃, 物料为湿氯气。由于管程为腐蚀性介质湿氯气, 换热管采用钛管, 管板采用钛钢复合板, 上、下两管箱采用全钛。由于工艺流程选取合理, 大量节约了钛材, 该设备直径φ700, 换热面积为80.7m2, 净重1515kg, 而钛材仅重670kg。

4 钛制设备设计要则

(1) 重视铁污染和环境氢脆。 (2) 工业纯钛其耐腐蚀性比钛合金好, 价格低, 塑性好。如TA0, TA1一般用于变形量较大的场合, 换热管多用TA2, 要求较高强度时用TA3, 对易于产生缝隙腐蚀的部位, 最好选用钛钯合金TA9和钛钼镍合金TA10。对于承受较大应力的紧固件和非焊接件, 应选用机械强度较高的钛合金TC4。应采取措施将焊接材的铁、氢含量控制在较低水平。 (3) 钛的力学性能受温度的影响较大, 当设计温度在316℃以下时, 决定设计强度指标的因素是该温度下的抗拉强度值。工业纯钛不能通过热处理提高强度。 (4) 为避免焊接接头塑性下降, 钛焊接要求小电流、快速焊, 并要求坡口间隙小。由于钛的焊接接头综合性能较差。焊缝应避免位于应力最大处。 (5) 钛的热膨胀系数小, 与其它材料一起使用时应考虑热补偿措施。 (6) 由于工业纯钛及钛合金的塑性变形范围小, 易开裂, 当采用翻边结构时弯曲半径应尽可能大一些, 换热管胀接时, 管子与管板、管孔的间隙公差应小一些, 避免胀裂。 (7) 钛在常温下有蠕变现象而产生应力松弛, 不宜用钛螺栓作强制密封连接件。 (8) 钛衬里在钢板上固定连接应采用爆炸复合, 机械固定和钎焊的方法等联合使用。 (9) 钛对表面缺陷非常敏感, 应避免表面缺陷。 (10) 由于钛设备膨胀系数较钢小, 应避免过大的升压、升温和降温以避免产生过大的局部热应力, 致使钛衬层被拉裂。

参考文献

[1]钛制焊接容器.JB/T4745~2002.

[2]黄嘉琥.压力容器材料实用手册——特

种材料[M].化学工业出版社, 1997, 1.[3]黄嘉琥, 应道宴, 等.钛制化工设备[M].

化学工业出版社, 2002, 8.

摘要：本文介绍了钛材在换热器中的应用, 并详细阐述了钛材换热器的结构设计方法。

关键词：钛材,换热器,管板,换热管