石墨换热器维护及制造.docx

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石墨换热器维护及制造

石墨换热器

1.不透性石墨加工制造工艺

不透性石墨设备及其元件的加工制造工艺，随设备结构的不同而异。

不透性石墨的机械加工性能与铸铁相似，它比铸铁硬度小，一般采用金属切削工具就能进行加工。

由于石墨本身的强度较差、性脆。

一般采用两次浸渍和两次加工的方法，以提高其强度，保证加工精度。

因此石墨材料及其任何制品和元件，在任何搬运过程中，要做到轻搬轻放，严禁乱仍乱摔，严禁用金属锤敲打，在必须敲打的场合，应采用带有橡皮的木槌敲打。

1.1材料的选择

制作不透性石墨设备国目前主要以人造石墨为主，在制造过程中，由于高温焙烧而逸出挥发物，以致形成许多细致的孔隙，有时会产生裂纹，孔隙率过大势必在浸脂时浸脂数量过大，制造的产品传热会较差。

国外采用压型石墨的也较多。

1.2材料的拼接

当零件的最大尺寸超过石墨毛坯的最大尺寸时，石墨件需要进行拼接，在石墨块拼接过程中，将粘结面进行仔细的精加工，甚至磨光，使粘结面充分接触，而粘结剂匀且薄，从而获得良好的粘结效果。

1.3换热设备的制造

1.3.1制造工艺

列管式换热器制造工艺流程

1.3.2组装

组装方法目前有两种。

一种是将管板、管束、折流板等在支架上用粘结剂粘成一体，然后待粘结剂固化后再装进钢壳体，通常称之为壳外组装。

另一种是直接在壳体试装后用粘结剂在壳体粘结。

换热面积大于200m2，一般均采用壳组装。

管壳式换热器组装流程

2.石墨换热设备简介

2.1管壳式石墨换热器简介

目前世界上制造石墨换热器的厂家并不多，世界上有影响的公司是德国的西格里公司和法国的卡朋罗兰公司；国有振兴石墨防腐设备厂和化工机械厂等。

国外公司都采用浸渍石墨化管，管子的规格大多为Φ50mmx7mm。

经过第二次高温石墨化的石墨碳化管，管材部有许多微小空隙，经过真空浸渍处理，空隙被树脂添满，抗渗透性能较好，抗拉强度比国的压型石墨高。

由于石墨化程度高，所以传热系数高，但抗弯强度（纵向）、抗压强度比压型石墨管稍低。

管壳式换热器的结构形式为浮头式，上管板（固定管板）和下管板（滑动管板）大都用400mm厚的浸渍石墨制作。

为了防止酸对管板的冲刷，在进酸端管板（滑动管板上）粘贴一层50mm厚的高强度纤维板或其他防腐蚀材料。

国产的管壳式石墨换热器大多采用压型石墨管，以热固性树脂（如酚醛树脂，呋喃树脂）和人造石墨粉为原料，按一定的比例混合后投入挤压机中，压制成型后再经300℃的高温处理而制得。

管材的部结构密实，强度较高，但传热系数低，线胀系数比浸渍石墨管大一倍。

列管式换热器粘结组装良好，一般不易发生泄漏现象。

但由于制作所用的三种材料的线胀系数差异很大，在一定温度下使用，会出现管子断裂或粘结缝泄漏，分析断裂原因可能有以下几种：

石墨换热器列管受热不均

在系统升温时，由于升温速度太块，会导致换热器壳程压力急骤升高，石墨管经受冲击而破裂。

由于石墨换热器使用时间的增加，会在列管上出现部分结垢现象，结垢的石墨换热管与未结垢的石墨换热管膨胀系数不一样，温差应力过载，造成石墨换热管破裂。

清理过程中如果用力过大，也会造成列管损坏。

预防措施：

防止大量蒸汽冲击换热管

开车升温速率和停车时降温速率要稳定，防止石墨管膨胀系数不一样。

避免工艺指标波动太大。

清理应在降温热洗管子疏通后进行。

2.2ET11换热器简介

石墨换热器是三聚甲醛PUT11中的关键设备。

来自甲醛真空浓缩工序的60％的甲醛连续送入甲醛储罐VT11，从这里经PT11泵进入TOX合成反应器RT11A/B，TOX合成过程是在催化剂硫酸存在条件下的沸腾混合反应。

反应器液体加热蒸发所用的热源来自蒸发器ET12来补充。

由于硫酸的腐蚀性，在确定换热器材料时，由于没有很多的选择余地。

最常用的材料就是石墨，因为它既可以满足导热性好而且又耐腐蚀的基本要求。

常用的耐酸不锈钢在硫酸中耐蚀性能欠佳，在国外类似的设备上有使用哈氏合金的经验，但价格昂贵。

在我单位装置中，考虑到工艺和投资的因素，使用石墨材料制作换热器。

石墨换热器分为块孔式和管壳式两种。

块孔式石墨换热器的主要优点是强度高，体积小，不易破裂，可以使用压力较高的蒸汽，传热系数高，受热介质的进出口温差可以较大；缺点是一旦出现泄漏很难查出，也不容易修复。

管壳式石墨换热器的优点是出现泄漏容易查找，管子损坏后容易修复；缺点是石墨管的强度相对较低，使用的蒸汽压力不能超过1.6MPa，最高温度不得大于200℃；受热介质的流速低，只能控制在2～3m/s之；进出口温差只能控制在2～4℃，换热器体积大。

据专利商介绍，换热器成本可占到PUT11整个系统的40％，大约70万欧元。

制造时管板采用整块石墨，而国一般采用树脂高温拼接而成。

在进料管板加陶瓷用以保护，可以承受2m/s流速的冲击，浮头式换热器采用O形圈密封，不用传统的填料密封，寿命可耐180℃的高温，折流板全部采用石墨制造，换热器壳体都加装膨胀节，管子与管板粘结采用石墨粉与树脂，浮头采用衬四氟乙稀保护，寿命可达10年，制造周期约6个月。

可耐浓度9％硫酸的腐蚀。

2.3管壳式石墨换热器的修理

管壳式石墨换热器在操作状态下，要承受管外介质产生的径向和轴向力（包括换热器不同部位温差引起的拉伸应力）的共同作用。

在这些应力的共同作用下，换热器的失效形式有两种：

石墨管拉断，石墨管爆破。

这两种形式在管壳式石墨换热器损坏中占有较大的比例。

从使用情况来看压型石墨管失效形式主要是拉断，进口的浸渍石墨化管主要是爆破，当换热器的列管损坏时，如何在现场对其进行快速修理，难点在于如何对石墨管进行检漏。

如下三种方法，只要交叉使用便可快速的查出已损坏的石墨管。

2.3.1石墨管损坏的检漏方法

常规的检漏方法是对换热器中的石墨管逐根地进行试压。

用这种方法检漏最彻底，但速度慢，每根管子大约耗时5min。

一台400m2管壳式石墨换热器大约有490根长6m、Φ50mmX7mm的管子，全部检查大约需要40h。

由于石墨管在操作过程中突然损坏，所以不可能再用热水对换热器进行清洗。

因为管壳式换热器的外壳大约有80％的壳体是用碳钢制造，如果清洗，酸性水会对换热器的外壳产生腐蚀，此时必须用一台高压清洗机，逐根对管子进行清洗。

清洗每根管子大约用3min。

因为石墨管比较脆，选用的清洗机水量不易太大，以每小时4m3为宜，清洗水的压力控制在2MPa以下。

清洗机还有一个更重要的因素，就是工作压力必须稳定，目前国市场上的清洗机水压波动较大。

检漏前应关闭换热器的蒸汽自动调节阀和手动总阀，拆去换热器的冷凝液排放管，并在此接口上装上阀门，供检漏时用于排放壳程的水。

方法一

向管壳式石墨换热器的壳程灌水，使水位高出换热器上管板端面约50－100mm，快速地打开冷凝液排放管接口上的阀门，将从管程漏到壳程的水快速排完；此时断裂严重的的管子在上管板的水面上会出现漩涡，应快速的用橡皮塞子塞上此管子的上端口，并关上冷凝液排放管口上的阀门。

重复以上动作，就可以把严重断裂的管子找出来。

接下来再排空换热器管程中的水，对严重断裂的管子进行临时堵漏。

用长100mm、M18的螺栓在其外套上直径为Φ35.5mm/Φ18.5mm、长60mm的纯橡胶套组成1#膨胀螺塞，插入泄漏的管子，拧紧螺栓上的螺母。

橡胶套由于受到轴向力的作用中部鼓起与管壁紧密贴合达到堵漏的目的。

此法的优点是快捷，省时、省力。

但是只能作为一种临时处理措施，使用寿命一般不超过半年。

方法二

用轴流风机从管壳式石墨换热器的上端头向下吹风，把所有列管的水珠吹干净。

此时，拆去换热器蒸汽进口管上的安全阀，从这里向换热器的壳程注入清水，使壳程的压力达到0.02～0.1MPa。

然后在换热器的下端口进行检查，泄漏稍大一点的管子可以看出在滴水，用1#膨胀螺塞塞上。

泄漏稍小的微泄漏管子，下管口上会有些水珠和出现潮湿，用棉纱擦干，如再出现水珠和潮湿，就用书写用的涂改液做上记号。

方法三

在长180mm、M18的螺栓中心线上钻一个Ф6mm的通孔，并套上纯橡胶套，组成2#膨胀螺塞。

检漏时膨胀螺塞应与胶管接头、压力表和加水管连接。

由方法二检漏确定或怀疑泄漏的的石墨管用1#膨胀螺塞塞在该管子的下段并拧紧螺母，管子的上端用与压力表相连接的2#膨胀螺塞塞住，并拧紧螺帽。

此时接通与2#膨胀螺塞相连的水源，使水压达到0.2MPa。

在确定管子下段不漏的情况下，保持2min，如果压力保持不降则此管不漏。

确认被检查的石墨管不漏后，此时由于管子有0.2mpa水压，不能立即拧松膨胀螺塞上的螺母，以免塞子受压脱墨管伤人。

必须打开泄压阀排水，直到压力表为零时，才能松开2#膨胀螺塞上的螺母。

以上三种方法，可以较快的完成检漏工作。

2.3.2堵漏方法

检查出损坏的石墨管后，采用堵管的方法对管壳式石墨管换热器进行处理。

换热器的换热面积在设计时，都有一定的余量。

在不超过10％都不需要换管子。

只需把损坏的管子从两端堵死就可以恢复生产。

目前采用的堵管方法主要有以下三种。

膨胀螺塞堵塞法

用316L加工螺栓、螺母和大垫圈组合成的1#膨胀螺塞。

检查出漏点后，用1#胀塞从两头堵上，拧紧螺帽使橡胶套变形，中间鼓起与管壁紧密结合达到堵漏目的。

此法的优点是快速、省时、省力。

但是使用寿命一般不超过半年。

管螺纹堵塞法

用丝锥在损坏的石墨管壁上加工出螺纹，然后用带螺纹的石墨塞子涂上耐酸胶泥堵上。

丝锥最好采用管螺纹。

塞子的材料可用金属或非金属，但因金属与石墨管的膨胀系数不同，最好用石墨材料。

因为石墨比较脆，加工塞子时要特别小心。

加工塞子用的石墨其碳含量必须足够高。

最好用不透性石墨的管螺纹塞把损坏的石墨管两端的管板上的孔堵住。

由于这种方法在实施过程中难度较大，必须由有经验的施工人员操作。

施工后，等胶泥完全固化后就可以投入使用。

双塞堵塞法

在检查出损坏管子的固定管板与滑动管板两端，每端用两个石墨塞子塞上胶泥，进行堵塞。

这种方法耗时较长，从完工到使用大约需要12小时，这是一种比较彻底的、使用寿命较长的方法。

该法对塞子的要求不高，可以用一般的碳砖加工，甚至可以用含碳量为80％的三级碳砖加工，且加工简单，成功率达100％。

对固定管板（上端板）用风扇把需要堵塞的石墨管的水分吹干；用砂布将管板上孔的壁打磨干净，深度等于两个塞子的长度外加7mm。

用丙酮清洗管板上孔的壁和塞子表面，并晾干；塞子的直径应稍小于管板上孔的直径1.0～1.5mm；在管板上孔的壁和塞子表面涂上胶泥，塞入第一个塞子，并控制好深度，在其后端面上涂上一定的胶泥；在第二个塞子上钻一个Φ4mm的孔用于排气，其外表面涂上胶泥后，塞入第二个塞子，使两塞间的胶泥从的孔压出，如小孔未添满，则填入胶泥后用Φ3mm焊条头倒实小孔的胶泥，确保两塞子胶泥的厚度为1～2mm；随后用胶泥填平塞子末端约5mm深的凹坑；全部施工完毕后，用碘钨灯烘烤，待胶泥完全固化后就可投入使用；

2.3.3换石墨管

当管壳式石墨换热器堵管的数量超过总管数的10％时，其生产负荷就不能满足生产能力的要求。

如要稳定产量，就必须提高蒸汽的温度，这种操作的结果是使石墨管的使用寿命明显降低。

此时最好的办法是更换石墨管。

管壳式石墨换热器的管子和管板的连接方式与钢制换热器不同。

通常在石墨管两端加工成一定的锥度，只是部分插入管板，我们在换热器两端面看到的只是管板与管子相同的孔，看不到石墨管。

他们之间用胶泥粘结。

所以管壳式石墨换热器的换管方法通常有两种方法

2.3.3.1整管法

更换的新管子从上管板到下管板是一根完整的石墨管，更换后把多余部分切除。

其操作方法如下。

用外径等于更换新石墨管径的风钻和麻花钻，重新校准管板上孔的径，把管的堵塞物钻出。

用比石墨管外径稍微大的带中心引导的组合钻头，在管板上钻孔，深度稍大于管板的厚度，使损坏的石墨管与管板脱离。

抽出损坏的石墨管，并检查是否有碎片残留在相邻的石墨管缝隙。

必须把碎片清理干净。

清洗新石墨管与管板的连接部位，晾干后涂上耐酸胶泥，把石墨管推到位，胶泥固化后把多余的管子切除。

全部管子更换好后，从壳程试压，合格后吊装。

这种方法在操作过程中成功率只有80％左右。

即使当时更换的石墨管通过了水压试验，使用一段时间后，管板上其管口周围大多会出现泄漏，所以这种方法的可靠性低。

2.3.3.2组合管法

更换的新石墨管由几部分组成，分别为主管、接管、套管等。

采用分段组合的方法可有效解决管子与管板的连接问题，操作方法如下。

用外径等于需更换新石墨管径的风钻和麻花钻，重新校准管板上孔的径，把管的堵塞物钻出。

用比石墨管外径稍大的带中心引导的组合钻头，在管板上钻孔，深度稍大于管板的深度，使损坏的石墨管与管板脱离。

抽出损坏的石墨管，并检查是否有碎片残留在相邻的石墨管缝隙。

必须把碎片清理干净。

用0.07mpa的压缩空气吹扫，并检查周围的管子是否损坏。

根据两管板的距离和管板的厚度，设计出更换的新石墨管（主管）、标准石墨管和碳纤维石墨的套管长度，并把它们连接端加工成带锥度的承插配合。

把新石墨管缓慢的边旋转边推入管板，在滑动管板端的管塞入带压紧橡胶塞的长度比管板厚度长的膨胀螺杆，并拧紧螺母。

以便安装套管和接管时移动石墨管。

清洗两端管板的油脂和主管、接管、套管配合面的油脂。

用膨胀螺杆拉出旧石墨管，在管子的配合锥面上涂上胶泥，把新石墨管推到位。

用两根扁长刮条分别伸进该管两端的管板孔，在管板上的孔壁涂上胶泥。

然后拆下膨胀螺杆。

结论：

石墨换热器是三聚甲醛合成工序的核心设备，要保证良好换热效果，必须严格执行生产和各项管理制度，加强工艺指标的管理，防止事故的发生，避免出现重复检修和过度检修，才能达到良好的使用效果。