[發明專利]一種蒸汽發生器

有效

• 申請號: 200910065092.0
• 申請日: 2009-06-02
• 公開（公告）號: CN101566335A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發明（設計）人: 郝希仁;謝恪謙;顧月章;黃崢
• 申請（專利權）人: 中國石油化工集團公司;中國石化集團洛陽石油化工工程公司
• 主分類號: F22B1/16
• 分類號: F22B1/16;F28F9/02
• 代理公司: 鄭州中民專利代理有限公司
• 代理人: 郭中民

技術領域

本發明屬于石油化工傳熱設備領域，涉及一種蒸汽發生器。

背景技術

在石油化工行業中，利用高溫工藝介質的熱能發生水蒸汽的換熱器通常稱為蒸汽發生器。冷流介質為水，加熱后產生水蒸汽。目前在很多煉油廠使用的蒸汽發生器，一般為浮頭式管殼式換熱器結構；包括殼體、管箱，殼體與管箱之間設有固定端管板。固定端管板的材料一般為碳鋼或低合金鋼，管板殼程側面與管板管箱側面均為平面。蒸汽發生器的殼體內設有換熱管，與固定端管板相連(一般為脹接加焊接)；換熱管的材料一般為碳鋼。殼體上設有殼程入口管和殼程出口管，管箱上設有管程入口管和管程出口管。參見圖1，蒸汽發生器的操作過程是：高溫工藝介質(通常是溫度為320～400℃的液相烴油)走管程，由管箱上部的管程入口管進入換熱管；換熱后溫度降至270℃左右，由管箱下部的管程出口管排出。發生蒸汽的水(來自設于蒸汽發生器上方的汽包中的飽和水)走殼程，水由蒸汽發生器殼體下部的殼程入口管進入殼程，經過換熱，產生的水蒸汽與水的混合物由殼體上部的殼程出口管排出，進入設于蒸汽發生器上方的汽包進行汽—水分離。蒸汽發生器發生的水蒸汽，通常是壓力等級為3.5～4.2MPa(表壓)的中壓飽和蒸汽。在上述的操作過程中，由于高溫工藝介質的溫度較高，并且所發生水蒸汽的壓力較高，所以固定端管板的設計厚度較厚(厚度一般為幾十毫米至300毫米)。在實際操作過程中發現，固定端管板經常出現開裂情況，造成殼程側的水進入管箱，使高溫工藝介質帶水，影響正常生產。

分析固定端管板出現開裂的原因，從以下兩個方面考慮。①蒸汽發生器的沸騰傳熱機理。蒸汽發生器的產汽傳熱過程屬于泡核沸騰模型所描述的沸騰機理，該過程簡單描述為：管板殼程側面(加熱壁面)出現過熱點，從而存在過熱度。在該過熱點處被加熱的飽和水產生一個蒸汽泡核，蒸汽泡核一旦形成便會長大，形成汽泡。蒸汽汽泡與管板殼程側面存在的極薄的液體微層迅速汽化，產生十分顯著的“界面汽化熱阱效應”，使蒸汽汽泡處的管板殼程側面溫度迅速降低。當汽泡長大到所受浮力大于水的表面張力時，就會脫離管板殼程側面，原汽泡處的管板殼程側面溫度迅速回升至殼程水的溫度。當過熱點的過熱度滿足蒸汽泡核產生的條件時，下一個蒸汽泡核又會重新產生，并長大成為汽泡。②固定端管板與換熱管的連接結構。換熱管一般采用轉角正方形排列。換熱管與固定端管板的連接，通常采用“脹接加焊接”的工藝。該工藝在固定端管板上加工出管板連接孔，將換熱管的端部放入管板連接孔內；先在管箱側對每根換熱管與管板連接孔進行脹接，然后在管板管箱側面將每根換熱管與固定端管板進行焊接。

從以上兩個方面考慮，對蒸汽發生器固定端管板出現開裂的原因進行如下具體分析。①換熱管與管板連接孔進行脹接加工后，兩者在固定端管板的管板殼程側面上不可避免地存在毫米級的“環形凹槽”，參見圖2。環形凹槽的深度和端口寬度大約均為1～2毫米。由于環形凹槽的存在和換熱管的高傳熱強度(相對于厚壁的固定端管板)，使環形凹槽及其附近區域成為沸騰傳熱的蒸汽泡核反復發生的區域。②換熱管采用轉角正方形排列，相鄰換熱管的間距較小。例如，對于外徑為φ25毫米、壁厚為2.5毫米的換熱管，管心距通常為32毫米；外徑為φ19毫米、壁厚為2毫米的管，管心距通常為25毫米。非標準的蒸汽發生器，相鄰換熱管的間距雖然可以大一些，但仍然是比較小的。由于相鄰換熱管的間距較小，使固定端管板的管板殼程側面和相鄰換熱管之間形成的汽泡(主要是環形凹槽及其附近區域生成、長大的汽泡)嵌于相鄰的換熱管之間，脫離困難；需要形成更大的汽泡、受到更大的浮力才可與管板殼程側面脫離，造成汽泡停留時間過長。在界面汽化熱阱效應的作用下，使管板殼程側面上汽泡形成區域的溫降更大。③汽泡脫離后，原汽泡處的管板殼程側面溫度迅速回升至殼程水的溫度，經歷了較大的溫差變化。

結論是，蒸汽發生器的換熱管與固定端管板的管板連接孔進行脹接加工后，兩者在固定端管板的管板殼程側面上所形成的環形凹槽以及環形凹槽附近區域，存在著汽泡反復生成、長大、脫出的過程。在此過程中，固定端管板頻繁經歷大幅的溫度升降，最終由于較大的溫差交變應力的頻繁作用，造成固定端管板出現疲勞開裂。

發明內容

本發明的目的在于提供一種蒸汽發生器，以解決現有的蒸汽發生器所存在的固定端管板經常出現開裂的問題。