CN110382992B - 用于壳管式设备的保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种壳管式设备(10)包括包绕多个管(16)的壳(12)。每个管(16)的至少一个端部连结到设有相应的管板孔(20)的入口管板(18)。入口管板(18)设有第一侧(24)且设有第二侧(26)。入口管板(18)在其第二侧(26)上连接到管束(14)的每个管(16)，使得每个管(16)不在相应的管板孔(20)内部延伸。入口管板(18)在其管板孔(20)的至少部分上设有相应的管状保护装置(32)。每个管状保护装置(32)以在相应的管板孔(20)处从入口管板(18)的第一侧(24)延伸的对接件或管件的形式制成。

Description

用于壳管式设备的保护装置
技术领域
本发明涉及一种用于壳管式设备的保护装置，且更特别是一种用于壳管式设备(像热交换器和反应器)的管侧入口管板的保护装置，其中管到管板的接头为对接焊接类型的且从管板孔制成(也称为“内孔焊接”或I.B.W.)。保护装置旨在保护管板孔免受管侧上流动的流体的湍流和腐蚀。
背景技术
高速下或多相类型的湍流流体可在壳管式设备上造成损坏现象。载有固体颗粒或液体气泡的气体以及载有固体颗粒或气泡的液体是典型的多相流。当流体湍流局部高时，流体传热系数增加，且因此可发生局部过热或过冷，导致设备构造部分中较高的热机械应力和腐蚀。当设备的构造材料不能承受高速或多相流的冲击或剪切作用时，出现腐蚀。
在壳管式设备中，当管侧入口管板通过从管板孔制成的对接焊接接头来连接到管时，管板孔可经受局部高湍流和腐蚀。在管侧上流动的流体进入管板孔中且与孔表面直接接触，因为由内孔焊接连接到管板的管不保护管板孔。结果，如果进入管板孔中的入口管侧流体例如在比壳侧流体更高的温度下且特征在于两相(气体-固体、液体-固体、气体-液体)，由于过热或腐蚀，流体可局部损坏管板孔。此类损坏是危险的，因为它可显著地减小设备的设计寿命。
其中壳管式类型的热交换器可遭受腐蚀的主要示例由安装在用于乙烯生产的蒸汽裂解炉中的所谓的“淬火”或“传输线”交换器(TLE)来表现。离开炉的工艺气体在高温、高速下且载有烃颗粒。在TLE的入口区段中，工艺气体可具有约在100m/s至150m/s的范围内的速度。因此，在此类应用中，重要的是采用一种用于保护管侧入口压力部分免受局部过热和腐蚀的设计或装置，以便确保操作可靠性和长寿命服务。
在当前工艺水平下已知用于保护壳管式设备的管的管侧入口部分和管侧入口管板免受腐蚀的若干装置。概念上，这些已知的技术解决方案可分成两个主要的组，即：
-完全或部分地***管中的保护装置；以及
-附接到管但不***其中的保护装置。
第一组的保护装置可为耐腐蚀的保护装置或牺牲的保护装置。结果，没有腐蚀可在由保护装置保护的管的部分上发生。
例如，文献US 7252138描述一种热交换器，该热交换器具有在管板上的包层和在管内部延伸的焊接在其上的过流塞以防止腐蚀。文献US 3707186描述一种热交换器，该热交换器具有在管板的一侧上的耐火材料和在管内部延伸的放置在管的端部中的漏斗形套圈。文献US 4585057描述一种壳管式热交换器，该壳管式热交换器具有在管内部延伸的由耐腐蚀材料制成的漏斗形管延伸入口以保护管板。
上文三个专利文献是完全或部分地***管中的保护装置的主要示例，且因此保护装置的内径与管的内径不相同。这表现出装置的内径与管的内径之间的不连续，该不连续可为局部高湍流和腐蚀的来源。
第二组的保护装置通常制造为管的延伸部，且因此在此类延伸部上发生腐蚀。实际上，在装置的入口处的流体具有局部高湍流，该局部高湍流在到达管之前沿着装置平稳。此类延伸部可更换或修复。
例如，文献FR 2508156描述如何通过为壳管式热交换器的管的入口端提供延伸管来保护壳管式热交换器的管的入口端免受腐蚀，延伸管可焊接到管或膨胀抵靠管。文献DE1109724描述一种壳管式热交换器，该壳管式热交换器具有附接到管的可更换的管状延伸部以防止腐蚀。文献US 6779596描述一种管状热交换器，该管状热交换器具有允许周期性更换牺牲区段的牺牲的延伸管长度，牺牲区段可切掉且可焊接上新的牺牲区段。文献US4103738描述一种带有可更换的入口器件的管状热交换器，该入口器件呈带有与热交换器管相同的直径的管状延伸部的形状。延伸部可具有成斜角(bevel)的端部。文献US 4785877描述一种传输线热交换器(即，用于特定服务的壳管式热交换器)，该热交换器具有为管的延伸部的中空截头圆锥。
上文五个专利文献是连接到管或与管组成整体的保护装置的主要示例。这些文献涉及一种壳管式热交换器，其中管没有通过内孔焊接来连接到管板。相反地，管去到管板孔内部，直到管板的管侧面或超过管板的管侧面。因此，管板孔由管本身保护，且保护装置没有被提出保护管板孔，而是保护管的第一部分。
另外，相同申请人的文献EP 1331465公开一种壳管式类型的TLE交换器，其中管侧入口管板和交换管通过对接焊接类型的焊接来焊接在一起，这消除从管板到管的过渡中的不连续和阶跃。因此，不存在可导致冲击或腐蚀的沿着气路的障碍。在气体侧面上，管板由高耐腐蚀材料的衬套(堆焊层)保护，该高耐腐蚀材料的衬套能够经受从蒸汽裂解炉离开的热气体的冲击和剪切作用。图2中示出的此类技术解决方案在保护管板的气体侧面方面迄今为止被认为是令人满意的。
然而，在管板孔的内壁上和交换管的第一部分上也可发生腐蚀现象。在管板孔的内壁上和交换管的第一部分上的此类腐蚀是由于气体湍流连同高的金属操作温度。管板孔的入口表现出对于气路的强的不连续，且因此管板孔为湍流的来源。在入口下游，气流是混乱的，从流体力学的观点是未良好发展。结果，发生气体和烃颗粒在孔和管壁上的剪切和冲击作用。
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供一种用于壳管式设备的保护装置，该保护装置能够以简单、廉价且特别是实用的方式解决现有技术的上文提到的缺陷。
详细地，本发明的一个目标是提供一种用于保护壳管式设备的入口管板免受由于管侧上流动的流体造成的腐蚀和高湍流的装置，其中管和管板通过从管板孔制成的对接焊接接头来连接，且其中保护装置由连接到管板的管侧面的对接件构成。每个对接件具有从管板的管侧面的偏移，且在所述连接处管板孔直径与对接件的内径之间不存在不连续。根据本发明的保护装置旨在消除或至少减轻管板孔的表面上高局部传热系数和腐蚀的风险，特别是当入口管侧流体在高速和高温下或带有多相流(像来自转化和气化过程的合成气体、来自烃蒸汽裂解炉的流出物以及浆料类型的流体)时。
根据本发明，该目标通过提供如附属的权利要求中阐述的用于壳管式设备的保护装置来实现。
特别地，该目标通过一种包括包绕管束的壳的壳管式设备来实现。管束包括多个管。每个管的至少一个端部连结到入口管板，该入口管板设有用于使流体进入壳管式设备中的相应的管板孔。入口管板设有第一侧，第一侧接纳流体，且设有第二侧，第二侧与所述第一侧相反且管连结在第二侧上。入口管板在所述第二侧上连接到管束的每个管，使得每个管不在相应的管板孔内部延伸。入口管板在所述管板孔的至少部分上设有相应的管状保护装置，这些管状保护装置用于保护所述管板孔免受由于流入所述管板孔中的流体造成的高局部湍流和腐蚀。每个管状保护装置以在相应的管板孔处从入口管板的所述第一侧延伸的对接件或管件的形式制成，其中在壳管式设备的管与管状保护装置之间不存在物理接触。
本发明的另外的特征通过从属权利要求来强调，从属权利要求是本描述的组成部分。
附图说明
参照所附示意图，根据本发明的用于壳管式设备的保护装置的特征和优点将从以下例示且非限制性的描述更清楚，在所附示意图中：
图1是带有水平布置的管束的壳管式设备的示意图；
图2是根据现有技术的用于壳管式设备的保护装置的局部截面图；
图3是根据本发明的用于壳管式设备的保护装置的第一实施例的局部截面图；
图4是根据本发明的用于壳管式设备的保护装置的第二实施例的局部截面图；
图5是根据本发明的用于壳管式设备的保护装置的第三实施例的局部截面图；以及
图6是根据本发明的用于壳管式设备的保护装置的第四实施例以及第五实施例的局部截面图。
具体实施方式
参照图1，示出壳管式设备10，更特别是壳管式热交换器10。壳管式设备10是包括包绕管束14的壳12的类型。虽然壳管式设备10以水平定向示出，它也可垂直定向或以相对于水平表面的任何角度定向。
管束14包括多个管16。管16可为任何形状的，像U形或直的。每个管16的至少一个端部连结到入口管板18，入口管板18设有用于使流体22进入壳管式设备10的管16中的相应的管板孔20。
现在参照图3至图6，入口管板18设有第一侧24或管侧，第一侧24或管侧接纳入口流体22，且设有第二侧26或壳侧，第二侧26或壳侧与所述管侧24相反。流体22因此从管侧24引入入口管板18中且输送到放置在壳侧26上的管16中。
在壳侧26上，入口管板18然后连接到管束14的每个管16，优选地借助于从所述入口管板18的相应的管板孔20内部制成的对接焊接接头28(该焊接技术也称为“内孔焊接”或I.B.W.)。因此，对接焊接接头28留在入口管板18的壳侧26上。
根据该对接焊接接头28，入口管板18在壳侧26上设有环状突出部或颈部30，在该处焊接上相应的管16。换句话说，每个管16不在相应的管板孔20内部延伸。结果，每个管板孔20不由相应的管16保护，且在入口管板18的管侧24上流动的流体与管板孔20直接接触。
根据本发明，入口管板18在其管板孔20的至少部分上(即，在管板孔20中的至少一些上)设有相应的管状保护装置32，这些管状保护装置32用于保护管板孔20免受高局部湍流和腐蚀。特别地，入口管板18在其管板孔20的至少部分的边沿上设有相应的管状保护装置32。更特别地，每个管状保护装置32以在相应的管板孔20处从入口管板18的第一侧24或管侧延伸的对接件或管件的形式制成。换句话说，每个管状保护装置32从入口管板18的相反侧相对于所述入口管板18的第二侧26或壳侧(在该处连结管16)延伸。因此，在壳管式设备10的管16与管状保护装置32之间不存在物理接触。管状保护装置32不延伸到管板孔20中。
另外，每个管状保护装置32具有在入口管板18的管侧24与所述管状保护装置32之间的连结部分34处测量的内径D1，内径D1与相应的管板孔20的内径D2基本上相同。优选地，每个管状保护装置32的内径D1也与放置在入口管板18的相反侧(即，壳侧26)处的相应的管16的内径D3基本上相同。
根据图3至图5中示出的优选但非限制性的实施例，每个管状保护装置32可通过三种备选方式在相应的连结部分34处连接到入口管板18的管侧24的表面：
-如图3中示出的，每个管状保护装置32与管板18组成整体，即，例如，管状保护装置32通过机加工从管板18制成；
-如图4中示出的，每个管状保护装置32焊接到管板18，例如借助于焊缝36；
-如图5中示出的，每个管状保护装置32焊接到衬套38，例如借助于焊缝36的介入，衬套38保护入口管板18的管侧24的表面。
在所有连接构造中，每个管状保护装置32因此特征在于以下有利特征：
-它不与管16接触；以及
-在入口管板18的管侧24与管状保护装置32之间的连结部分34处，管状保护装置32的内径D1与管板孔20的内径D2基本上相同，使得在管状保护装置32的孔与入口管板18的孔20之间不存在不连续。
如先前提到的，每个管状保护装置32具有第一目的：保护相应的管板孔20免受由于流入所述管板孔20中的管侧流体22造成的高局部湍流和腐蚀。取决于在管侧流体22流动方向上测量的管状保护装置32的长度和入口管板18的厚度，管状保护装置32也可保护管16的第一管侧部分。
如已知的，高速下从较大区域进入孔中的流体增加其速度且改变其流线。这导致孔内部的局部湍流的增加。结果：
-局部传热系数增加，且如果管侧流体22比壳侧流体更热，管板孔20上可发生局部过热；且
-在其中相是磨蚀的多相流的情况下，磨蚀相可剪切或冲击孔表面，导致腐蚀。
因为相应的管状保护装置32在管侧流体22到达管板孔20之前适当地调整流体动态，发生管板孔20的保护。换句话说，如果发生局部高传热系数或腐蚀，它们发生在管状保护装置32上且不在管板孔20上。
结果，当管侧流体22是较热的流体时，管板孔20不经受例如危险的局部过热，且因此入口管板18上的热机械应力和腐蚀现象不待发(prime)或增加。而且，在多相流的情况下，磨蚀相的湍流被调整和沿着管轴线的纵向方向引导。
每个管状保护装置32可利用入口管板18的相同结构材料制造(这例如在图3的实施例中发生)，或由高耐腐蚀材料制造。在所有情况下，管状保护装置32可被认为是牺牲元件，该牺牲元件可在损坏扩大的情况下移除和更换。
为了改进管状保护装置32的流体力学平稳作用，管状保护装置32的至少部分的自由端40(即，未连接到入口管板18的连结部分34的端部40)可具有若干形状。因此，管状保护装置32中的至少一些的自由端40可具有若干形状。例如，如图6中示出的，每个管状保护装置32的自由端40可具有成斜角形的部分42，其中在所述自由端40处测量的所述成斜角形的部分42的内径D4大于在入口管板18的管侧24与所述管状保护装置32之间的连结部分34处测量的管状保护装置32的内径D1。在相应的自由端40处测量的成斜角形的部分42的内径D4也可与相应的管状保护装置32的外径D6基本上相同。
另外，如图6中再一次示出的，管状保护装置32的至少部分的自由端40(即，管状保护装置32中的至少一些的自由端40)也可具有漏斗形部分44，其中在所述自由端40处测量的所述漏斗形部分44的内径D5大于上文提到的成斜角形的部分42的内径D4。在相应的自由端40处测量的漏斗形部分44的内径D5也可大于相应的管状保护装置32的外径D6。在任何情况下，管状保护装置32的最终平稳作用可通过改变在管侧流体22流动方向上测量的所述管状保护装置32的长度或相应的自由端40的入口形状来设定。
管状保护装置32的至少部分(即，管状保护装置32中的至少一些)可在自由端40周围设有盘，诸如圆形或方形盘。
不论何时带有从孔制成的对接焊接类型的管到管板的接头的壳管式设备10具有如下流体，管状保护装置32是适用的：
-可造成局部高传热系数的高速下的入口管侧流体；以及
-可造成腐蚀的带有多相流的入口管侧流体。
可受益于根据本发明的管状保护装置32的使用的流体和相关的壳管式设备10的一些示例是：
-用于来自用于乙烯生产的蒸汽裂解炉的流出物的传输线交换器；
-用于合成气体(转化、气化)的工艺气体锅炉和冷却器；以及
-用于浆料流体的反应器。
因此，壳管式设备可为壳管式热交换器，特别是壳管式传输线热交换器、壳管式工艺气体锅炉或冷却器，或壳管式反应器，且更特别是壳管式传输线热交换器或壳管式工艺气体锅炉或冷却器。
因此看到根据本发明的用于壳管式设备的保护装置实现先前概述的目标。
如此构思的本发明的用于壳管式设备的保护装置在任何情况下是容许有全都落入相同的发明构思内的许多修改和变型的；另外，所有细节可由技术上等同的元件来代替。实际上，所使用的材料以及形状和尺寸可根据技术要求为任何类型的。
因此，本发明的保护范围由所附权利要求限定。

Claims (15)

1.壳管式设备(10)，其包括包绕管束(14)的壳(12)，其中所述管束(14)包括多个管(16)，其中每个管(16)的至少一个端部连结到入口管板(18)，所述入口管板(18)设有用于使流体(22)进入所述壳管式设备(10)中的相应的管板孔(20)，其中所述入口管板(18)设有第一侧(24)，所述第一侧(24)接纳所述流体(22)，且设有第二侧(26)，所述第二侧(26)与所述第一侧(24)相反且所述管(16)连结在所述第二侧(26)上，且其中所述入口管板(18)连接到所述第二侧(26)上的所述管束(14)的每个管(16)，使得每个管(16)不在所述相应的管板孔(20)内部延伸，所述壳管式设备(10)的特征在于，所述入口管板(18)在所述管板孔(20)的至少部分上设有相应的管状保护装置(32)，所述相应的管状保护装置(32)用于保护所述管板孔(20)免受由于流入所述管板孔(20)中的所述流体(22)造成的局部湍流和腐蚀，其中每个管状保护装置(32)以在相应的管板孔(20)处从所述入口管板(18)的所述第一侧(24)延伸的对接件或管件的形式制成，且其中在所述管状保护装置(32)与所述壳管式设备(10)的管(16)之间不存在物理接触。
2.根据权利要求1所述的壳管式设备(10)，其特征在于，每个管状保护装置(32)具有在所述管状保护装置(32)与所述入口管板(18)的所述第一侧(24)之间的连结部分(34)处测量的内径(D1)，所述内径(D1)与所述相应的管板孔(20)的内径(D2)基本上相同。
3.根据权利要求2所述的壳管式设备(10)，其特征在于，每个管状保护装置(32)的所述内径(D1)也与放置在所述入口管板(18)的相反侧、即所述第二侧(26)处的相应的管(16)的内径(D3)基本上相同。
4.根据权利要求2所述的壳管式设备(10)，其特征在于，所述管状保护装置(32)的至少部分的自由端(40)、即未连接到所述连结部分(34)的端部(40)具有成斜角形的部分(42)，其中在所述自由端(40)处测量的所述成斜角形的部分(42)的内径(D4)大于所述管状保护装置(32)的所述内径(D1)。
5.根据权利要求4所述的壳管式设备(10)，其特征在于，在所述自由端(40)处测量的所述成斜角形的部分(42)的内径(D4)与所述相应的管状保护装置(32)的外径(D6)基本上相同。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的壳管式设备(10)，其特征在于，所述管状保护装置(32)的至少部分的自由端(40)具有漏斗形部分(44)，其中在所述自由端(40)处测量的所述漏斗形部分(44)的内径(D5)大于所述成斜角形的部分(42)的所述内径(D4)。
7.根据权利要求6所述的壳管式设备(10)，其特征在于，在相应的自由端(40)处测量的所述漏斗形部分(44)的内径(D5)大于所述相应的管状保护装置(32)的外径(D6)。
8.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的壳管式设备(10)，其特征在于，每个管状保护装置(32)与所述入口管板(18)组成整体。
9.根据权利要求8所述的壳管式设备(10)，其特征在于，每个管状保护装置(32)通过机加工从所述入口管板(18)制成。
10.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的壳管式设备(10)，其特征在于，每个管状保护装置(32)焊接到所述入口管板(18)。
11.根据权利要求10所述的壳管式设备(10)，其特征在于，每个管状保护装置(32)与所述入口管板(18)之间的所述焊接借助于焊缝(36)获得。
12.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的壳管式设备(10)，其特征在于，每个管状保护装置(32)焊接到衬套(38)，所述衬套(38)保护所述入口管板(18)的所述第一侧(24)的表面。
13.根据权利要求12所述的壳管式设备(10)，其特征在于，每个管状保护装置(32)与所述衬套(38)之间的所述焊接借助于焊缝(36)的介入获得。
14.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的壳管式设备(10)，其特征在于，所述入口管板(18)在所述第二侧(26)上设有环状突出部或颈部(30)，在该处焊接上相应的管(16)。
15.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的壳管式设备(10)，其特征在于，所述入口管板(18)借助于对接焊接接头(28)来连接到所述管束(14)的每个管(16)，所述对接焊接接头(28)从所述入口管板(18)的相应的管板孔(20)内部制成。
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