搪瓷技术在表面蒸发式空冷器中的应用

搪瓷技术在表面蒸发式空冷器中的应用ApplicationofEnamelTechnologyinSurfaceEvaporationAircooledheatexchanger李永花LiYonghua（兰州泰合石化设备有限责任公司甘肃兰州）LanzhouTaihePetro-chemicalequipmentCO.LTDGansuLanzhou摘要：顺应国家节能降耗的新形势，利用空气作为冷却介质的冷换设备——空冷器，在石油炼化行业中得到越来越广泛的使用。其换热元件的腐蚀、结垢、换热效果等问题在实践中显得尤为重要。而搪瓷换热元件具有表面光滑、耐腐蚀、易冲洗、热阻小等优点，从根本上能够解决空冷器换热元件腐蚀、结垢、换热等问题。延长了设备的检修周期，从而降低设备的运行成本，提高了石化企业的综合效益。Abstract:Withthenewsituationofthecountry'senergyconsumption，useasthecoldaircoolingmediumforequipment—surfaceevaporationaircooledheatexchanger，inpetroleumrefiningandwidelyusedinindustry.Theheatofcorrosionandscalingcomponents,heateffectinpracticeproblemsappearparticularlyimportant.Andenamelelementswithsmoothsurfaceheat,corrosionresistant,easywashing,thermalresistance,etc，tosolvefundamentallygeneratorsheatcorrosion,components,heatscalingproblems.Theequipmentmaintenancecycleextended，soastoreducethecostoftheoperationofequipment，toimprovethecomprehensivebenefitofpetrochemicalenterprise.关键词：搪瓷管耐腐蚀热效率表面蒸发式空冷器应用Keywords:enamel-tube,corrosion,thermal,surfaceevaporationaircooledheatexchanger,application1．搪瓷管的核心技术及特点：搪瓷管兼备金属优异的力学性能、传热性能和无机材料的耐腐蚀等性能。其技术核心是将普通碳钢钢管表面涂上搪瓷。搪瓷是一种将无机化合物瓷釉涂搪在换热管表面，经过高温烧制使金属和无机材料在高温下发生物理化学反应，析出晶体并形成化学键，把二者牢固地结合成一个整体。其主要成份是：SiO2、B2O3、Na2O、PbO、TiO2、CaO、F2。（1）经搪瓷后的换热管瓷釉表面抗拉力强度≥52MPa、抗弯强度≥43MPa、硬度（HV=652）,瓷釉与金属基管结合处粘结强度≥4.6MPa，故瓷釉本身的强度及其与金属基管的结合强度足以抵制物料流动对其表面产生的冲刷。（2）经试验及实践证明，搪瓷换热管导热系数为10W/×10-6(m.k)、传热系数为24.2w/(m2•℃)、灰污热阻为0.001～0.0015w/(m2•℃)，虽比普通10#钢换热管低约10%，但却是有机硅涂料的2倍，在工业应用中搪瓷管换热器的换热效率比10#钢换热器仅低约3%。（3）在酸性环境(8%H2SO4溶液)中浸泡搪瓷管，失重率为ΔG≤0.14mg/dm2，在碱性环境(4%NaOH溶液)中浸泡搪瓷管，失重率为ΔG≤0.36mg/dm2，且其表面釉层颜色无明显变化，无腐蚀坑点，说明搪瓷管具有较好的耐腐蚀性。搪瓷管除了具备以上特点外，还具有电绝缘性、表面光滑、抗污染性强、热震性、不易沾物料等特点，特别适用于要求耐腐蚀、防污、防粘、耐温、耐压、耐磨、导热的场合。可耐物料除氢氟酸、含氟离子的介质、浓磷酸和强碱以外的各种浓度的无机酸、有机酸、弱碱和强有机溶剂。2．搪瓷管的选材推荐搪瓷管因为搪瓷烧结过程的要求，对搪瓷金属基本材料有明确规定，要求金属基体材料应为碳钢，同时对搪瓷管的制造与表面处理质量有严格的要求，以保证搪瓷设备的质量。搪瓷管基管推荐使用10#无缝钢管，若使用焊管（有缝管），会极大的影响搪瓷管本身的质量。原因有以下几点：（1）焊管本身在出厂时，由于管子本身有焊缝存在，所以搪瓷后对管子的密封性不能保证。（2）钢管在搪瓷之前需经过表面处理，在表面酸洗的过程中，容易使焊管的焊缝漏焊部位产生气孔。（3）搪瓷管加工需经过高温煅烧，焊管在高温下发生膨胀，使焊缝加大。而在烧结的过程中，搪瓷管釉料由固态转变为液态，液态釉料受重力影响在钢管表面流动，原本焊管焊缝处的气孔会被填覆。但由于管内外气压差，管内空气会经焊缝中的气孔流向管外，使搪瓷釉料不能与钢管完全结合，导致搪瓷管产生气孔，在使用过程中产生泄露。（4）焊管经过煅烧，容易产生弯曲，弯曲度远大于无缝管。3．搪瓷技术在表面蒸发式空冷器中的应用表面蒸发式空冷器是利用管外水膜的蒸发强化管外传热，带走管内介质的热量，使其温度达到工艺要求的一种冷换设备。其工作过程是用泵将设备下部水池中的循环冷却水输送到位于水平放置的光管管束上方的喷淋水分配器，由分配器将冷却水向下喷淋到传热管表面，使管外表面形成连续均匀的薄水膜，水膜通过换热管管壁与介质换热，部分水吸热后蒸发为水蒸气，随着顶部风机抽出的空气，排入大气，完成换热。同时因为风机将空气从设备下部空气人口吸人，使空气自下向上流动。此时管外换热除依靠水膜与空气流间的显热传递外，还由于水具有较高的汽化潜热性能（水在一个大气压下的汽化潜热为570kcal／kg），管外表面水膜的迅速蒸发也吸收了大量的热量，强化了管外传热，使设备总体传热效率明显提高。吐哈油田吐鲁番采油厂轻烃装置中使用的表面蒸发式空冷器，由于需冷却介质有较强的腐蚀性，同时与换热管外表面长期接触的循环水水质较硬，其主要失效形式为换热管腐蚀穿孔、结垢和堵塞，尤以腐蚀为主，由此造成管束换热管使用寿命较低，影响装置正常使用。对于该装置中表面蒸发式空冷器换热元件防腐蚀措施的选择，我们考虑从工艺和材料两方面来解决腐蚀问题。工艺方面考虑解决措施，只有增加循环水处理系统，但这样一来不但增加设备成本投入，而且会造成能源浪费，从初次经济投入和长期运行、系统复杂程度及保养维护方面来讲既不科学，也不合理。经我公司与用户研究比较，认为只有从材料及材料保护方面入手解决该问题才是最好的方案。参考石油炼化装置中对类似问题的处理，我们选择了耐蚀性较好的搪瓷﹑渗铝﹑18-8不锈钢等几种材料进行试验。经过试验效果、经济成本、制造成本等方面的综合对比，决定该表面蒸发式空冷器中的换热管采用新型的钢管搪瓷技术。吐鲁番采油厂轻烃装置使用的表面蒸发式空冷器中的传热元件分为翅片管和光管两种。对于翅片管式的换热管（10#高精度无缝钢管），因其外表面被铝制翅片完全包覆，所以仅对其内表面进行烧结搪瓷（如图1所示）；而对于光管换热管（10#高精度无缝钢管），因其内外表面直接接触物料或冷却介质，故需对其内外表面均进行烧结搪瓷（如图2所示）。图1（搪瓷翅片管）图２（搪瓷管）2008年我公司对该装置改造完成试运行3个月后，经现场热工测试，得出如下结果。空冷器更换前后各项工艺参数的对比项目更换前更换后总流量（Nm3/h）80008000液化石油气进口温度℃100100液化石油气出口温度℃2729轴流风机风量（m3/h）150000150000导热系数W/×10-6(m.k)1210传热系数（w/(m2•℃)）24.824.2灰污热阻（w/(m2•℃)）0.0260.00144．搪瓷管管板焊注意事项考虑到搪瓷管与管板的焊接因素，搪瓷管两端需留出6～7mm长度光管不搪瓷。在实践中，预留出的这6～7mm钢管长度，往往极易产生腐蚀，故对该部位必须进行特殊的防腐处理，以保证换热设备关键部位的整体防腐性。经我公司与西安有关科研单位长期反复试验，试制出了与瓷釉效果一致的特殊防腐涂料（LMⅢ--0209）。主要针对搪瓷管与管板焊接前后，对焊接部位的特殊防腐处理，以避免烧结焊产生的火花破坏搪瓷釉面，包括搪瓷换热器、搪瓷预热器、搪瓷管线的焊接。同时针对管板，折流板防腐效果也比较明显。LMⅢ--0209涂料具有优良的耐候性﹑漆膜坚硬、光泽度好﹑附着力强﹑柔韧性好﹑耐化学性等特点。大连石化﹑陕西锅炉厂﹑西安送变电公司等单位已经使用，效果良好。5．采用搪瓷管的换热设备制造注意事项在钢管搪瓷过程中要严格保证搪瓷复合管的物理、化学和力学性能；工厂装配时，应对搪瓷管外径进行复检，逐根测量管子外径，根据测量结果编制管板、支持板制造工艺，其管孔尺寸及其偏差符合GB151-1999的相关规定（见表1）。管束组装应避免强力组对，调整搪瓷管时，可用木锤轻轻敲击，以免瓷釉因钝器敲击而脱落。表1搪瓷管管孔与光管孔制造偏差对比搪瓷管外径25.6允许偏差±0.3管板管孔直径26.2允许偏差0～＋0.3支持板管孔直径27.2允许偏差0～＋0.4实践证明，采用搪瓷换热管后表面蒸发式空冷器具有以下优点：（1）传热效率高。由于搪瓷管表面瓷釉涂布均匀，且瓷层较薄，传热效率与普通碳钢钢管接近。（2）搪瓷管釉面光滑，流动阻力小，各种介质不易附着，易清洗。（3）应用范围广。由于搪瓷管具有耐腐蚀、耐压、耐热、耐磨性能，除了在氢氟酸及温度高于180℃的磷酸、强碱环境下不能使用外，可以用在其它任何场合。（4）造价相对碳钢较高，但运行成本低。（5）抗腐蚀能力强，降低维护周期，使用寿命较长。搪瓷换热设备因其特有的耐腐蚀﹑耐磨损﹑表面光滑﹑抗污染性强﹑不易粘附物料和与金属隔离等特点，以及良好的热传导性，因而被越来越多的石油化工等行业所接受并普及推广。我们有理由相信，随着节能降耗的重要性今后在石油化工、发电等行业中越来越明显的体现，随着搪瓷技术日新月异的发展，搪瓷换热设备将会有更加广阔的发展空间。参考文献[1]秦国治.防腐蚀涂料技术及设备应用手册.中国石化出版社.2004.6[2]徐祖耀.金属材料热力学.北京.科学出版社.1981.7[3]潘玉昆.《玻璃与搪瓷》.东华大学.中国日用玻璃协会.中国搪瓷工业协会.2003(9):5[4]陶兴.黄旭东.搪瓷管换热器在干气、液态烃脱硫装置的应用.石油化工腐蚀与防护，2002.19(4).44[5]杨玉顺.工程热力学.机械工业出版社.2009.6.1